《微機電系統(tǒng)與微細(xì)制造》精品課程建設(shè)思考

房曉龍 李寒松

【摘要】為主動服務(wù)戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級、電子產(chǎn)業(yè)自主可控迫切需求，結(jié)合新工科高等工程教育新理念、微機電系統(tǒng)與微細(xì)制造技術(shù)發(fā)展趨勢、后疫情時代混合教學(xué)需求，思考通過豐富教學(xué)內(nèi)涵、改革教學(xué)模式、強化實踐操作、改進(jìn)評價機制、虛擬仿真實驗等，培養(yǎng)學(xué)生的綜合工程素養(yǎng)和創(chuàng)新實踐能力。

【關(guān)鍵詞】新工科? 微機電系統(tǒng)? 微細(xì)制造? 混合教學(xué)? 實踐? 評價機制

【基金項目】南京航空航天大學(xué)研究生國際化精品課程建設(shè)項目（2019YGJKC04）。

【中圖分類號】G64 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】2095-3089（2021）04-0148-03

微機電系統(tǒng)與微細(xì)制造是一門涉及微電子學(xué)、信息學(xué)、材料、能源、制造、測試以及納米技術(shù)等多個學(xué)科的交叉學(xué)科，其技術(shù)體系紛繁復(fù)雜，且新技術(shù)方法層出不窮。以微細(xì)特種加工技術(shù)為代表的制造方法，在光、電、信息、芯片制造中正逐步承擔(dān)更多的加工任務(wù)，產(chǎn)業(yè)自主可控、需求升級和新技術(shù)發(fā)展對機械工程專業(yè)學(xué)生培養(yǎng)提出了新的要求?！靶鹿た啤备叩裙こ探逃笠痪€教師主動求變，接受新理念、采用新方法、體現(xiàn)新時代特征，培養(yǎng)國際化復(fù)合型工科人才。

一、國內(nèi)外現(xiàn)狀

以作者在美國伊利諾伊大學(xué)香檳分校機械系（該校機械工程本科專業(yè)2019年US News排名第6）訪學(xué)調(diào)研情況為例：該校機械系本科生畢業(yè)需完成通識教育、基礎(chǔ)課、專業(yè)課、課程設(shè)計等四類128個學(xué)分學(xué)習(xí)。其中，需要選修兩門高階專業(yè)課程。微機電系統(tǒng)與微細(xì)制造是4學(xué)分的高階選修課，教學(xué)內(nèi)容主要是包括光刻、硅加工、增減材工藝、刻蝕、封裝等。課程組織形式包括：27次課堂教學(xué)（80分鐘/次）和10次實驗課（2-3小時/次）。課程考核方式包含：2個大作業(yè)（占總成績25%）、2次隨堂考試（占總成績40%）、平時作業(yè)（占總成績10%）、期末考試（占總成績25%）。美國以及國內(nèi)高校微機電系統(tǒng)與微細(xì)制造課程大多是以介紹半導(dǎo)體光刻工藝技術(shù)為主，對其他技術(shù)方法的介紹普遍較少。國內(nèi)大學(xué)通過混合式立體化教學(xué)、慕課、微課等新的形式在教育教學(xué)模式上做了初步嘗試。

南京航空航天大學(xué)機電學(xué)院依托江蘇省精密與微細(xì)制造技術(shù)重點實驗室，在金屬材料微器件微細(xì)特種加工方面建設(shè)有一批特色試驗裝備。但受課時、實驗教學(xué)資源等限制，微機電系統(tǒng)與微細(xì)制造課程教學(xué)目前仍存在幾個突出矛盾：1.課程內(nèi)容博雜和課堂教學(xué)時間偏短的矛盾;2.實驗教學(xué)資源有限與實踐能力培養(yǎng)的矛盾;3.傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容與新技術(shù)方法層出不窮的矛盾。因此，開展新工科背景微機電系統(tǒng)與微細(xì)制造教育教學(xué)改革迫在眉睫。作為技術(shù)型專業(yè)課，實踐操作能力培養(yǎng)也應(yīng)該是本課程教育教學(xué)的重點任務(wù)。

二、基本對策

結(jié)合微細(xì)加工技術(shù)發(fā)展趨勢和本校機械工程專業(yè)微細(xì)制造研究特色，筆者認(rèn)為開展新工科背景微細(xì)加工技術(shù)教育教學(xué)改革，可以從以下幾個方面進(jìn)行：

1.以微細(xì)特種加工研究特色，豐富教學(xué)內(nèi)容。教學(xué)過程充分發(fā)揮本校機械工程專業(yè)在微細(xì)特種加工領(lǐng)域的研究特色，一方面豐富學(xué)生的學(xué)緣結(jié)構(gòu)、激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，另一方面借助硬件條件培養(yǎng)學(xué)生的實踐操作能力。教學(xué)融入微細(xì)特種加工領(lǐng)域成熟、最新研究成果、案例。例如，由金屬梁微結(jié)構(gòu)加工可擴(kuò)展到微細(xì)電解線切割技術(shù)在撓性彈性敏感元件加工中的成功應(yīng)用。

2.借助團(tuán)隊大作業(yè)，將實踐操作貫穿整個課程學(xué)習(xí)過程。首先，精心設(shè)計實踐教學(xué)大綱，充分利用科研硬件資源：如增加顯微鏡操作、微器件檢測等現(xiàn)場教學(xué)內(nèi)容，提高學(xué)生對微機電系統(tǒng)與微細(xì)制造的直觀認(rèn)識。通過大作業(yè)，對學(xué)生分組，以完成加速度傳感器、微流道器件制作為目標(biāo)，根據(jù)課堂教學(xué)進(jìn)度分解工藝流程，學(xué)生在不同階段依次完成器件的設(shè)計、模板制作、加工、封裝等實踐操作，最后進(jìn)行成果展示推介。

3.學(xué)生中心化，鼓勵自主學(xué)習(xí)。學(xué)生既是課程的學(xué)習(xí)者，也是課程發(fā)展的參與人員，應(yīng)鼓勵學(xué)生組織自己的課堂、展示自我風(fēng)采。微機電系統(tǒng)與微細(xì)制造技術(shù)體系紛繁復(fù)雜，而課堂教學(xué)內(nèi)容有限。鼓勵引導(dǎo)學(xué)生以小作業(yè)形式進(jìn)行課外自主學(xué)習(xí)，歸類整理近年來最新研究成果，挑選優(yōu)秀內(nèi)容公開分享。碎片知識可作為其他學(xué)生學(xué)習(xí)的有益補充。此外，可通過微信程序補充自學(xué)內(nèi)容，并進(jìn)行線上考查。

4.改進(jìn)評價機制。在課程的各個階段，做好記錄;綜合個人大作業(yè)、團(tuán)隊大作業(yè)、微信平臺自主學(xué)習(xí)、考試等全面考查學(xué)生的創(chuàng)新能力、實踐能力、協(xié)作能力。

三、線上線下混合教學(xué)課程建設(shè)

因突發(fā)新冠肺炎疫情，全國所有高校的2020年春季學(xué)期教學(xué)計劃安排均面臨了極大困難與挑戰(zhàn)。在“互聯(lián)網(wǎng)+富媒體”背景下，開展后疫情時代混合式教學(xué)模式創(chuàng)新與實踐，應(yīng)成為未來教育的“新常態(tài)”，進(jìn)行線上線下混合式教學(xué)模式和策略“再設(shè)計”。運用開發(fā)智慧教學(xué)工具，建設(shè)豐富線上教學(xué)資源，為學(xué)生創(chuàng)設(shè)積極的學(xué)習(xí)體驗，鼓勵學(xué)生主動學(xué)習(xí)，構(gòu)建自己對知識的理解運用。

線上線下混合教學(xué)在教學(xué)過程設(shè)計、教學(xué)方法選擇等方面與傳統(tǒng)課堂教學(xué)有很大差異。教師不僅要設(shè)計全新的教學(xué)過程，建立新形態(tài)下的教學(xué)資源，采用全新的教學(xué)方法，還要熟悉相關(guān)的線上平臺，掌握多種形式的線上智慧教學(xué)工具。具體來說，作者認(rèn)為應(yīng)從以下幾方面展開：

1.建立線上教學(xué)資源。收集微機電系統(tǒng)領(lǐng)域的新進(jìn)展、應(yīng)用案例、視頻資源、習(xí)題庫等，再根據(jù)實際情況分章節(jié)制作線上學(xué)習(xí)任務(wù)清單、微視頻、教學(xué)教案。

2.課前線上預(yù)習(xí)：針對課前線上預(yù)習(xí)的目的和特點，制作圖、文、聲、影并茂的線上預(yù)習(xí)教學(xué)資源，通過加工技術(shù)原理動畫、技術(shù)產(chǎn)生和發(fā)展故事、經(jīng)典案例等方面，讓學(xué)生對加工方法建立起基本概念，激發(fā)學(xué)生思考該加工方法的適用場合。在預(yù)習(xí)結(jié)束后設(shè)置師生互動的開放性習(xí)題，便于老師知曉學(xué)生對線上預(yù)習(xí)資源的興趣點，掌握學(xué)生感興趣的案例，對后續(xù)課堂教學(xué)起指導(dǎo)作用，也為進(jìn)一步更新和優(yōu)化線上預(yù)習(xí)資源奠定基礎(chǔ)。

3.課堂混合教學(xué)。根據(jù)其他課程教學(xué)經(jīng)驗，擬采用超星學(xué)習(xí)通、雨課堂等智慧教學(xué)平臺作為混合教學(xué)工具。課前，學(xué)生通過精品課程平臺、電子書預(yù)習(xí)，完成學(xué)習(xí)任務(wù);課堂教學(xué)時，借助雨課堂記錄課堂情況（簽到、測試、成績統(tǒng)計），借助彈幕、搶答等互動方式提高課堂活躍度;課后，學(xué)生可以通過雨課堂回放功能溫習(xí)。

4.線上線下混合實驗：探索線上線下結(jié)合的個性化、智能化、泛在化實驗教學(xué)新模式。制作各種微細(xì)制造方法的演示試驗視頻，用于線上學(xué)習(xí);制作南航特色微細(xì)加工方法的演示視頻，用于課堂串講;在實驗室現(xiàn)場演示、展示豐富的加工樣件，并進(jìn)行講解剖析;籌劃開發(fā)特色加工案例虛擬仿真實驗平臺。

5.考核方式改進(jìn)。特別需要指出的是，應(yīng)提高平時成績在總成績中的比重，可通過雨課堂來記錄隨堂測驗成績作為平時成績，來衡量學(xué)生的課堂表現(xiàn)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性和積極性。課堂測驗題目多選擇重要知識點或難點，再通過習(xí)題講解、教學(xué)討論起到鞏固強調(diào)作用。擬采用的各環(huán)節(jié)考核比例如下：線上學(xué)習(xí)表現(xiàn)（學(xué)時、測試）：15%;課堂學(xué)習(xí)表現(xiàn)（課堂表現(xiàn)、測試）：30%;分組實例互動：15%;考試（卷面成績）：30%;實驗報告：10%。

四、虛擬仿真混合實驗建設(shè)

虛擬仿真實驗?zāi)軌蛴行Ы鉀Q微機電系統(tǒng)與微細(xì)制造實踐教學(xué)過程中出現(xiàn)的經(jīng)費有限、實驗資源有限等問題。例如，建設(shè)超凈間、購買光刻機、實驗室運行維護(hù)需要大量經(jīng)費;光刻膠、掩膜板制備等屬耗材費用高、操作存在一定危險性的實驗操作;化學(xué)試劑使用不當(dāng)存在毒氣泄露的可能;完整器件制作存在工藝的全過程實踐等問題，虛擬仿真教學(xué)完全可以輕而易舉的加以解決。

對學(xué)生來說，可以提前安排預(yù)習(xí)認(rèn)知時間，制定學(xué)習(xí)目標(biāo)和學(xué)習(xí)規(guī)劃，深入認(rèn)識并借助虛擬仿真教學(xué)軟硬件平臺，提升自身實踐與創(chuàng)新能力。虛擬仿真實驗學(xué)習(xí)隨意性增加，可能達(dá)不到預(yù)期的教學(xué)效果。對教師而言，需要適應(yīng)新的教學(xué)方式，設(shè)計虛擬仿真教學(xué)過程，成為虛擬仿真教學(xué)過程的監(jiān)督者和引導(dǎo)者。通過虛擬仿真教學(xué)方法，實現(xiàn)教師與學(xué)生的充分互動、深度融合，可取得理想的教學(xué)效果。具體做法如下：

1.線上實驗課程。基本操作型實驗教學(xué)全部由虛擬仿真實驗教學(xué)項目組成，涵蓋光刻、硅加工、增減材工藝、刻蝕、封裝等工藝流程的教學(xué)視頻、操作平臺。

2.線上線下混合式實驗課程。由現(xiàn)場演示實驗和虛擬仿真實驗教學(xué)項目組成，在演示實驗的選擇方面，應(yīng)保留內(nèi)容優(yōu)質(zhì)、綜合性強、體現(xiàn)南航研究特色的實體實驗教學(xué)項目。通過優(yōu)化實體實驗項目的內(nèi)容，減少實體實驗項目的學(xué)時，為引入先進(jìn)的虛擬仿真實驗項目騰出空間。

五、預(yù)期效果

通過線上線下混合教學(xué)，預(yù)期能達(dá)到以下效果：

1.課前、課中、課后定位明確，功能規(guī)劃合理。明確劃分了課前、課中、課后的功能，從課前預(yù)習(xí)的“初見”，到課堂學(xué)習(xí)的“相識”，到課后復(fù)習(xí)和互動中的“相知”，充分發(fā)揮出線上線下混合式教學(xué)模式的優(yōu)勢，實現(xiàn)優(yōu)勢互補，便于充分激發(fā)學(xué)生的主觀能動性，使學(xué)生從被動聽課向主動參與轉(zhuǎn)變。

2.系統(tǒng)構(gòu)建線上線下教學(xué)資源，教學(xué)資源豐富。在充分收集網(wǎng)絡(luò)資源的基礎(chǔ)上，對資源進(jìn)行系統(tǒng)整理和重建，采用配音PPT、短視頻、短動畫等多種表現(xiàn)形式，對相關(guān)知識點進(jìn)行圖、文、聲、影并茂的介紹和展示，充分調(diào)動起學(xué)生的興趣，提升線上線下教學(xué)效果。

3.加強線上線下互動，激勵學(xué)生解決實際問題。通過設(shè)計分組大作業(yè)、小作業(yè)，讓學(xué)生在規(guī)定的加工目標(biāo)下分組查閱資料，研討加工方案，并對加工方案進(jìn)行可行性分析，使學(xué)生親身參與“工藝攻關(guān)”，實現(xiàn)知識點掌握程度從“知曉”到“會用”的跨越。

最終，通過線上教學(xué)平臺、教學(xué)資源建設(shè)，線上線上混合課堂教學(xué)、實驗教學(xué)形成具有專業(yè)特色的課堂教學(xué)、實踐教學(xué)、現(xiàn)場教學(xué)、實踐教學(xué)內(nèi)容;形成個人、團(tuán)隊大作業(yè)相結(jié)合的自主學(xué)習(xí)、團(tuán)隊學(xué)習(xí)模式;形成學(xué)習(xí)全過程綜合素養(yǎng)評價體系。本課程的成功嘗試與總結(jié)提高，對于其他技術(shù)型專業(yè)課程有借鑒作用，有助于解決其他課程存在的類似困境。

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作者簡介：

房曉龍（1987-），男，漢族，江蘇如皋人，副教授，博士，研究方向：精密微細(xì)特種加工技術(shù)。