新工科背景下精密機(jī)械與儀器設(shè)計(jì)課程教學(xué)探索

王小章 王晶 梁霖 李想 時(shí)雪皎 楊萍 趙立波

摘 ?要：新工科教育是推動(dòng)高校工程教育改革的新舉措，而深化課程教學(xué)改革是提高教學(xué)效果，培養(yǎng)具有創(chuàng)新創(chuàng)造能力的技術(shù)人才，以及實(shí)現(xiàn)工程教育改革目標(biāo)和進(jìn)一步發(fā)展的必然選擇。通過對新形勢下精密機(jī)械與儀器設(shè)計(jì)課程教學(xué)中存在的問題進(jìn)行梳理和分析，總結(jié)課程教學(xué)過程中存在的問題為內(nèi)容散、講授多、考核差等。按照新工科教育改革的要求，分別從課程內(nèi)容、教學(xué)方法、考核方式、課程設(shè)計(jì)、課程思政五個(gè)方面進(jìn)行探討，說明精密機(jī)械與儀器設(shè)計(jì)課程教學(xué)改革的方向和要求。

關(guān)鍵詞：測控技術(shù)與儀器;新工科教育;教學(xué)改革;精密機(jī)械與儀器設(shè)計(jì)

中圖分類號：G642 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2022）15-0019-04

Abstract： New engineering education is a new measure to promote the reform of engineering education in universities， and deepening the teaching reform is an inevitable choice to improve the teaching effect， cultivate technical talents with innovative and creative ability， and realize the reform goal and further development of engineering education. Based on the analysis of the problems existing in the teaching of Precision Machinery and Instrument Design course in the new situation， some main problems existing in the teaching process are summarized， such as scattered content， too many lectures， poor assessment and so on. According to the requirements of the new engineering education reform， five aspects of curriculum ideology and politics， curriculum design， curriculum content， teaching methods and assessment methods are discussed， which explain the direction and requirements of the teaching reform of precision machinery.

Keywords： Measurement and control technology and instruments; new engineering education; teaching reform; Precision Machinery and Instrument Design

新工科建設(shè)是新科技革命和產(chǎn)業(yè)變革形勢下推動(dòng)高校工程教育改革，培養(yǎng)創(chuàng)新型、復(fù)合型工程科技人才，支撐我國高等教育強(qiáng)國目標(biāo)的必然要求。新工科教育的要求體現(xiàn)在新理念、新結(jié)構(gòu)、新模式、新質(zhì)量和新體系五個(gè)方面[1]。這些要求不僅涵蓋對傳統(tǒng)工科專業(yè)進(jìn)行改革后的新模式建設(shè)，也包括全新工科專業(yè)的開設(shè)。新工科同時(shí)也提倡開展多學(xué)科的交叉與融合，培養(yǎng)綜合性“雙創(chuàng)”人才[2]。開展新工科教育，需要從多方面深入地推進(jìn)教學(xué)改革來提升教學(xué)效果和學(xué)習(xí)效率，已成為高等工科教育內(nèi)涵發(fā)展的核心任務(wù)。

精密機(jī)械與儀器設(shè)計(jì)是面向測控技術(shù)與儀器專業(yè)開設(shè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，主要內(nèi)容包含工程材料、精密機(jī)械設(shè)計(jì)、誤差理論、儀器設(shè)計(jì)原則和方法等。課程教學(xué)目標(biāo)包括：（1）掌握常見機(jī)構(gòu)的基本特性和設(shè)計(jì)方法，具有精密儀器機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本理論知識，培養(yǎng)分析和解決問題的能力;（2）運(yùn)用所學(xué)的設(shè)計(jì)方法和理論解決精密機(jī)械與儀器設(shè)計(jì)的實(shí)際應(yīng)用問題，制訂技術(shù)路線和實(shí)施方案，培養(yǎng)不同應(yīng)用領(lǐng)域中檢測設(shè)備、測試技術(shù)和儀器的研發(fā)能力;（3）加強(qiáng)科學(xué)知識與工程實(shí)踐結(jié)合，提高對精密機(jī)械與儀器設(shè)計(jì)中所涉及的工程問題進(jìn)行識別和研究的能力，培養(yǎng)工程意識和創(chuàng)新能力。通過課堂講授、實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)，讓學(xué)生學(xué)習(xí)常見機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)方法、零部件的設(shè)計(jì)計(jì)算以及儀器精度設(shè)計(jì)過程，具備測控儀器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能力，并注重理論知識的應(yīng)用和解決問題能力的培養(yǎng)。然而學(xué)生反饋和教學(xué)數(shù)據(jù)分析表明，現(xiàn)行的教學(xué)工作已不能實(shí)現(xiàn)課程目標(biāo)的預(yù)期達(dá)成度，更無法適應(yīng)新工科背景下的培養(yǎng)需求，教學(xué)改革勢在必行。雖有采取網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的MOOC翻轉(zhuǎn)課堂和線上線下混合教學(xué)模式探索和嘗試，但仍需要對課程教學(xué)活動(dòng)作進(jìn)一步的分析和總結(jié)[3-4]。本文對精密機(jī)械與儀器設(shè)計(jì)課程教學(xué)中存在的問題進(jìn)行梳理，分析新工科教育背景下測控儀器專業(yè)教學(xué)的目標(biāo)和新要求，探討新培養(yǎng)模式下專業(yè)課程教學(xué)改革的新方法和新舉措。

一、課程教學(xué)存在的問題

精密機(jī)械與儀器設(shè)計(jì)課程是在講述精密機(jī)構(gòu)和儀器精度理論的基礎(chǔ)上，培養(yǎng)學(xué)生的工程意識和創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力。在課程教學(xué)和實(shí)踐環(huán)節(jié)上仍存在許多問題和不足，如課程內(nèi)容散亂、缺乏知識主線、教學(xué)授課多、實(shí)踐操作少、考核方式單一，等等，已不能適應(yīng)新工科教育的要求，亟需進(jìn)行梳理和整合。

（一）課程內(nèi)容廣、散、亂

本課程是在整合多門課程內(nèi)容后形成的專業(yè)基礎(chǔ)課，包括了工程材料、機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)、誤差理論、儀器設(shè)計(jì)原理以及典型儀器結(jié)構(gòu)等，各部分內(nèi)容相互聯(lián)系卻又自成體系，成為一個(gè)個(gè)相對孤立的知識點(diǎn)。由此可見，課程所涉及的知識范圍廣、知識點(diǎn)散、缺乏有效的關(guān)聯(lián)主線，沒有形成一個(gè)完整的知識體系。相對松散的知識結(jié)構(gòu)同時(shí)對教學(xué)過程和教學(xué)效果都帶來不利影響，不便于系統(tǒng)性地組織和開展教學(xué)活動(dòng)，教學(xué)效果更無法有效的保障。學(xué)生不能通過關(guān)聯(lián)性的知識推導(dǎo)來加強(qiáng)對理論知識的理解，只能采取被動(dòng)式跟隨學(xué)習(xí)，缺少主動(dòng)參與的體驗(yàn)，最終導(dǎo)致學(xué)習(xí)效果不佳。多次課程考試成績分析顯示，課程目標(biāo)達(dá)成度都低于預(yù)期的目標(biāo)。

（二）講授多、實(shí)踐少

在內(nèi)容多、課時(shí)少的實(shí)際情況下，課程教學(xué)更多地采用課堂講授方式，實(shí)踐環(huán)節(jié)則僅安排了課內(nèi)實(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計(jì)兩部分。其中課內(nèi)實(shí)驗(yàn)以認(rèn)知和驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，缺少綜合性實(shí)驗(yàn)。課程設(shè)計(jì)一般在課程結(jié)束后3周內(nèi)進(jìn)行。整個(gè)設(shè)計(jì)過程中，學(xué)生不僅要對設(shè)計(jì)題目詳細(xì)了解，而且完成相應(yīng)的設(shè)計(jì)計(jì)算和說明書撰寫，存在時(shí)間短、任務(wù)重等問題，導(dǎo)致整個(gè)設(shè)計(jì)過程都在疲于完成各類近乎程序化的任務(wù)。設(shè)計(jì)作業(yè)多以生搬硬套設(shè)計(jì)手冊和課堂知識為主，缺乏對設(shè)計(jì)題目的深入思考和更具有創(chuàng)造性方案的嘗試，無法有效支撐學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力與非技術(shù)性能力的培養(yǎng)。

（三）考核方式單一

現(xiàn)有的考核方式仍基本沿用了期末考試的方式進(jìn)行學(xué)業(yè)成績評定。這種以試卷為主的考核方式，形式單一，評價(jià)效果差，已不能全面地反映課程教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成度。試卷只能體現(xiàn)出學(xué)生對所學(xué)知識的背誦能力，通過死記硬背、考前突擊的方式通過考試，并不能反映對整個(gè)課程知識體系的理解貫通和綜合應(yīng)用能力，也與課程教學(xué)目標(biāo)相差甚遠(yuǎn)。另一方面，本課程涉及的知識內(nèi)容較多，試題形式和難易程度把握困難，無法做到全面檢驗(yàn)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。課程組雖然已通過減少單純知識記憶型題目，增加綜合性應(yīng)用題型比例的方式對試題形式進(jìn)行改進(jìn)，但仍無法達(dá)到預(yù)期的考核目標(biāo)。

二、課程教學(xué)改革對策

精密機(jī)械與儀器設(shè)計(jì)知識內(nèi)容廣、體系大，涉及的學(xué)科門類多，需要將不同學(xué)科的知識點(diǎn)融合起來才能真正掌握精密儀器設(shè)計(jì)的理論知識和內(nèi)涵要求。為達(dá)到新工科教育培養(yǎng)創(chuàng)新型、復(fù)合型技術(shù)人才的要求，需要從課程內(nèi)容、教學(xué)方式、考核方式、實(shí)踐環(huán)節(jié)和課程思政等方面進(jìn)行全面設(shè)計(jì)，改善課堂教學(xué)以提高學(xué)習(xí)效率。

（一）重組課程內(nèi)容，構(gòu)建系統(tǒng)性知識體系

本課程內(nèi)容是由多門課程整合而來，但僅是依照專業(yè)培養(yǎng)需求對不同課程內(nèi)容進(jìn)行相應(yīng)的縮減調(diào)整后形成的專業(yè)課程。雖然能滿足專業(yè)培養(yǎng)的知識需求，但各部分內(nèi)容只是簡單地組合在一起，缺少系統(tǒng)性知識主線關(guān)聯(lián)，而沒有形成完整的知識體系。因此在課程內(nèi)容重組時(shí)選擇“誤差和精度設(shè)計(jì)”為主線對各章節(jié)進(jìn)行整合。在連桿、凸輪、齒輪、螺旋機(jī)構(gòu)等章節(jié)，除了基本的傳動(dòng)特點(diǎn)和應(yīng)用場景外，不再強(qiáng)調(diào)受力、強(qiáng)度、效率等傳動(dòng)方面的計(jì)算問題，更多地突出機(jī)構(gòu)傳動(dòng)規(guī)律和誤差問題，研究提高傳動(dòng)精度的設(shè)計(jì)方法。誤差理論章節(jié)則對儀器的誤差進(jìn)行系統(tǒng)性研究，分析各種誤差來源、合成以及分配策略，以提高儀器的整體精度。儀器設(shè)計(jì)理論部分則以精度設(shè)計(jì)理論對設(shè)計(jì)過程提供指導(dǎo)，保障整個(gè)設(shè)計(jì)過程順利進(jìn)行。課程內(nèi)容、知識主線、主要知識點(diǎn)如圖1所示。

圖1 課程知識主線和知識點(diǎn)

課程內(nèi)容重組可按照不同的知識點(diǎn)屬性，將其分為不同的層次分別教學(xué)[5]。根據(jù)不同的知識屬性可將課程知識分為基礎(chǔ)理論、綜合應(yīng)用、實(shí)踐掌握、創(chuàng)新創(chuàng)造四個(gè)層次，分別采取不同的策略進(jìn)行知識整合。對屬于必須掌握的基礎(chǔ)理論知識，需要進(jìn)行詳細(xì)的理論講解和實(shí)證，便于學(xué)生準(zhǔn)確地掌握。對綜合應(yīng)用知識，則輔以成功應(yīng)用的工程實(shí)例進(jìn)行說明，保證學(xué)生通過思考后能夠正確理解和接受。對于需要通過實(shí)踐才能掌握的知識，則需安排相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，讓學(xué)生在實(shí)際操作中對知識點(diǎn)有準(zhǔn)確的感受和把握。最后，對于屬于創(chuàng)造創(chuàng)新性知識，則需多聯(lián)系科學(xué)發(fā)現(xiàn)、科研進(jìn)展?fàn)顩r，引入不同學(xué)科知識和多樣化的設(shè)計(jì)方案，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，達(dá)到促進(jìn)“雙創(chuàng)”能力培養(yǎng)的目標(biāo)。

（二）改革教學(xué)方式，加強(qiáng)綜合性實(shí)踐訓(xùn)練

本課程教學(xué)具有很強(qiáng)的實(shí)踐性和課堂展示性，灌輸式教學(xué)已無法對全部知識點(diǎn)做出講解，更不利于學(xué)生獨(dú)立思考和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。改變重講授、輕實(shí)踐的教學(xué)模式，將具有高實(shí)踐性的知識改為實(shí)驗(yàn)教學(xué)。通過教學(xué)和實(shí)踐的不同減增，改變的不僅是知識獲取方式，也更符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律。教學(xué)方式的改變不僅僅是講授時(shí)間上簡單地減少，還應(yīng)按照不同的知識層次開展教學(xué)，改善課堂氛圍提高學(xué)習(xí)效果。對已經(jīng)詳細(xì)解釋的基礎(chǔ)知識，減少講解鼓勵(lì)學(xué)生自學(xué)、自查、自糾，達(dá)到掌握的目的。對于綜合應(yīng)用知識，需要通過對應(yīng)用實(shí)例講解去啟發(fā)學(xué)生進(jìn)行討論和探索，提高學(xué)習(xí)熱情和參與度以提高教學(xué)效果。實(shí)踐環(huán)節(jié)則不僅有實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作，還可以進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)，通過觀察驗(yàn)證等方式獲取知識，同時(shí)必須增加綜合性實(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生的多學(xué)科交叉能力和復(fù)雜工程問題解決能力。對于創(chuàng)造創(chuàng)新性知識，更多地鼓勵(lì)學(xué)生自由探索，充分調(diào)動(dòng)他們的學(xué)習(xí)興趣和獨(dú)立思考精神。

（三）多樣化考核方式，注重學(xué)習(xí)過程評價(jià)

課程考核用于檢驗(yàn)學(xué)生對課程知識的掌握程度和運(yùn)用能力，評定課程教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成度。為全面檢驗(yàn)課程教學(xué)情況提高實(shí)踐環(huán)節(jié)權(quán)重，這里將學(xué)習(xí)成績和課程設(shè)計(jì)分別考核。學(xué)習(xí)成績主要反映對課程知識掌握和綜合運(yùn)用情況，主要構(gòu)成部分有平時(shí)作業(yè)、課內(nèi)實(shí)驗(yàn)、綜合訓(xùn)練、期末成績，所占總成績的比例分別為15%、15%、20%和50%。課程考核方式變化見表1。除了增加課內(nèi)實(shí)驗(yàn)和綜合訓(xùn)練環(huán)節(jié)外，期末試題類型也進(jìn)行改變。以知識記憶為主的題目只占試題總分的30%～40%，而以考察學(xué)生知識運(yùn)用能力的分析、設(shè)計(jì)類題目則占比60%～70%，大大提高分析和解決問題能力的考核。最終的評定成績將用于計(jì)算各個(gè)課程目標(biāo)的達(dá)成度，并用于對課程整體教學(xué)效果的評價(jià)。

（四）改革課程設(shè)計(jì)，突出創(chuàng)新能力培養(yǎng)

為加強(qiáng)課程設(shè)計(jì)綜合實(shí)踐的學(xué)習(xí)效果，課程組從設(shè)計(jì)題目、組織實(shí)施、考核方式三方面進(jìn)行了改革嘗試。設(shè)計(jì)選題上改變了已往采用的大載荷機(jī)械傳動(dòng)強(qiáng)調(diào)力和強(qiáng)度計(jì)算校核，突出儀器專業(yè)所需要的輕載機(jī)構(gòu)，更加注重傳動(dòng)精度和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。如選用機(jī)械式百分表、壓力表、光學(xué)比較儀、二維精密平臺等，在滿足課程目標(biāo)要求的前提下，鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行探索性研究——引入光、電、控制等知識進(jìn)一步提高機(jī)構(gòu)的精度。課程設(shè)計(jì)時(shí)間由3周延長到15周，改集中進(jìn)行為分散時(shí)段開展，避免因時(shí)間倉促而引起的照抄作業(yè)、敷衍了事的情形。在課程開始后就布置設(shè)計(jì)任務(wù)，每周安排定期檢查設(shè)計(jì)進(jìn)度并對所面臨的問題進(jìn)行集體討論。在時(shí)間充裕的基礎(chǔ)上，允許自主提出具有實(shí)際應(yīng)用背景的設(shè)計(jì)題目和嘗試更具有創(chuàng)新性的方案，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生參與課程設(shè)計(jì)的積極性。在組織方式上鼓勵(lì)以項(xiàng)目小組方式完成任務(wù)，通過組內(nèi)分工協(xié)作逐步培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)意識和合作精神?？己朔绞匠颂峤辉O(shè)計(jì)報(bào)告、圖紙、說明書等相關(guān)資料外，特別設(shè)置小組答辯環(huán)節(jié)對整體設(shè)計(jì)任務(wù)完成情況和個(gè)人的貢獻(xiàn)分別進(jìn)行評定，杜絕抄襲現(xiàn)象。答辯環(huán)節(jié)的資料整理和講述進(jìn)一步鍛煉了學(xué)生的獨(dú)立思考和表達(dá)能力。

（五）加強(qiáng)課程思政，堅(jiān)持“立德樹人”根本任務(wù)

課程思政是當(dāng)前高校專業(yè)教育改革的新趨勢[6-7]。在專業(yè)課程教學(xué)中對學(xué)生進(jìn)行價(jià)值觀、職業(yè)素養(yǎng)和愛國主義教育是新工科教育培養(yǎng)高素質(zhì)綜合型人才的必然要求。因此需要充分梳理、挖掘課程教學(xué)環(huán)節(jié)中蘊(yùn)含的思政元素，并轉(zhuǎn)化為教學(xué)載體融入專業(yè)課程，“潤物細(xì)無聲”，為課程教學(xué)引入新內(nèi)容、新問題、新思考。例如在機(jī)構(gòu)傳動(dòng)教學(xué)中引入中國古代機(jī)械設(shè)計(jì)輝煌成就：地動(dòng)儀、木牛流馬等，以及現(xiàn)代國家重大裝備包括大飛機(jī)、高鐵、航空器等，提高對中國文化的自信、自豪和自強(qiáng)的意識。進(jìn)一步通過機(jī)械史與國家歷史結(jié)合，讓學(xué)生真實(shí)地感知“落后就要挨打”“科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力”，面對困難需要明白所肩負(fù)的責(zé)任，并具有勤奮鉆研的奮斗精神。

在課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，引入世界工程科技?xì)v史上由于細(xì)小誤差導(dǎo)致的嚴(yán)重后果和災(zāi)難事例，教導(dǎo)學(xué)生一個(gè)工程師所應(yīng)具有的職業(yè)操守：高度的責(zé)任感和嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致的態(tài)度。實(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計(jì)中鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行團(tuán)隊(duì)合作，不僅是培養(yǎng)他們的團(tuán)隊(duì)意識和協(xié)作能力，更注重通過相互間的交流、溝通、協(xié)調(diào)過程促進(jìn)對團(tuán)體行為做出哲學(xué)性的思考，形成正確的判斷力和價(jià)值觀。強(qiáng)化課程思政需要對課程教學(xué)活動(dòng)進(jìn)行改革，不斷挖掘新的思政元素并融入教學(xué)，真正做到學(xué)習(xí)工程科學(xué)技術(shù)的同時(shí)“立德樹人”。

三、結(jié)束語

新工科教育要求改革高校工程教育，培養(yǎng)適應(yīng)新形勢的工程技術(shù)人才。全面深入開展課程教學(xué)改革是提高教學(xué)效果、推動(dòng)工程教育內(nèi)涵發(fā)展的必然選擇。本文通過對精密機(jī)械與儀器設(shè)計(jì)專業(yè)基礎(chǔ)課教學(xué)中存在的問題進(jìn)行梳理和總結(jié)，從課程內(nèi)容、教學(xué)方法、考核方式、課程設(shè)計(jì)、課程思政五個(gè)方面分別進(jìn)行探討，說明了精密機(jī)械課程教學(xué)改革的要求和方向。課程內(nèi)容重組將散亂的知識點(diǎn)整合為完整的體系，突出專業(yè)特點(diǎn)，適應(yīng)教學(xué)要求。課程教學(xué)中需改變重講授、輕實(shí)踐的方法，分層次分類別地開展教學(xué)活動(dòng)?？己朔绞絼t改變單一考試為多環(huán)節(jié)考察，分別評價(jià)課程教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成度。課程設(shè)計(jì)應(yīng)體現(xiàn)實(shí)踐環(huán)節(jié)要求，提升學(xué)生參與程度和學(xué)習(xí)效果。課程思政通過將知識背后的思政元素融入課堂，對提高學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)職業(yè)素養(yǎng)和愛國精神都有重要意義。深化教學(xué)改革需要按照新工科教育的新理念和新模式展開，全面提升教學(xué)效果，培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識的綜合性工程技術(shù)人才。

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