《精密儀器設(shè)計(jì)》課程中的多層次教育探索

李慶玲++李艷

摘 要：依據(jù)測控技術(shù)與儀器專業(yè)對本科應(yīng)用型人才的培養(yǎng)目標(biāo)，在精密儀器設(shè)計(jì)課程中對教學(xué)環(huán)節(jié)和學(xué)生培養(yǎng)展開由理論到實(shí)踐應(yīng)用并鼓勵(lì)創(chuàng)新的多層次教學(xué)模式的探索，將該教學(xué)模式通過基礎(chǔ)理論教學(xué)、課堂案例講學(xué)、課后前沿技術(shù)探索和課程設(shè)計(jì)四個(gè)層次來實(shí)現(xiàn)，促進(jìn)強(qiáng)理論、重實(shí)踐、勤思考的應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)的達(dá)成。

關(guān)鍵詞：精密儀器設(shè)計(jì) 教學(xué)研究 多層次 應(yīng)用型人才

中圖分類號(hào)：G6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）11（c）-0215-02

現(xiàn)代精密測量技術(shù)是一門集光學(xué)、電子、機(jī)械、材料、計(jì)算機(jī)為一體的綜合性交叉學(xué)科。隨著科技的進(jìn)步，特別是微電子技術(shù)、宇航工業(yè)、材料科學(xué)、生物工程等領(lǐng)域的發(fā)展，為精密儀器提供了廣泛的研究和應(yīng)用領(lǐng)域[1]。精密儀器設(shè)計(jì)課程是測控技術(shù)與儀器專業(yè)必修核心課程。該課程一方面通過向?qū)W生講授現(xiàn)代精密儀器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)理論與方法，精密儀器當(dāng)代發(fā)展水平和研究成果，使學(xué)生充分了解和掌握精密儀器的學(xué)術(shù)動(dòng)態(tài)和最新成就。另一方面通過精密儀器設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)對學(xué)生在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的實(shí)際訓(xùn)練，加深學(xué)生對課程基礎(chǔ)知識(shí)的理解和運(yùn)用，使學(xué)生掌握光、機(jī)、電、計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的精密儀器總體設(shè)計(jì)基礎(chǔ)理論知識(shí)，學(xué)會(huì)如何從設(shè)計(jì)任務(wù)出發(fā)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)的方法，并具有一定的精度設(shè)計(jì)能力。為儀器儀表行業(yè)培養(yǎng)具有堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)、較強(qiáng)的獨(dú)立工作能力、勇于探索、富于創(chuàng)新的儀器專業(yè)人才。

1 測控技術(shù)與儀器專業(yè)本科生培養(yǎng)目標(biāo)

我校測控專業(yè)對本科生的培養(yǎng)目標(biāo)為培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)掌握傳感、檢測、分析與控制等相關(guān)的信息獲取、處理與利用的基礎(chǔ)知識(shí)、基本理論與基本技能，具有測控系統(tǒng)與儀器設(shè)計(jì)和實(shí)踐應(yīng)用能力，具有創(chuàng)新意識(shí)、自主學(xué)習(xí)能力，具有國際視野和團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神，能夠在國民經(jīng)濟(jì)相關(guān)領(lǐng)域從事測控儀器與系統(tǒng)相關(guān)的科學(xué)研究、技術(shù)開發(fā)與工程應(yīng)用等工作的專門人才。精密儀器系統(tǒng)作為信息測量、分析處理與信息利用的綜合性光機(jī)電算系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)體現(xiàn)了該培養(yǎng)目標(biāo)的實(shí)施過程。

2 精密儀器設(shè)計(jì)課程的特點(diǎn)

與傳統(tǒng)的儀器設(shè)計(jì)不同，進(jìn)入信息化時(shí)代的現(xiàn)代精密儀器具有信息化、智能化、集成化的發(fā)展趨勢，因此精密儀器設(shè)計(jì)課程教學(xué)圍繞精度理論這一核心技術(shù)指標(biāo)，在總體設(shè)計(jì)的全局方向性指導(dǎo)下，對精密儀器系統(tǒng)的各個(gè)組成部分進(jìn)行展開學(xué)習(xí)，包括實(shí)現(xiàn)精密儀器高精度的基礎(chǔ)——精密機(jī)械系統(tǒng)；實(shí)現(xiàn)亞微米、納米級精度的關(guān)鍵技術(shù)——微位移技術(shù)；保障儀器高精度的定位與測量系統(tǒng)；精密儀器的基準(zhǔn)——瞄準(zhǔn)與對準(zhǔn)系統(tǒng)；現(xiàn)代精密儀器的重要組成部分——光學(xué)系統(tǒng)以及實(shí)現(xiàn)儀器自動(dòng)化不可缺少的自動(dòng)調(diào)焦技術(shù)和微納制造前沿——微機(jī)電系統(tǒng)等。在教學(xué)中所面臨的主要問題有：

（1）該課程作為專業(yè)核心選修課，綜合了本科前階段所學(xué)的機(jī)械、電子、光學(xué)、計(jì)算機(jī)等各門課程內(nèi)容的深入學(xué)習(xí)和應(yīng)用，覆蓋面廣，涵蓋知識(shí)全面，因此對學(xué)生專業(yè)基礎(chǔ)的要求較高。學(xué)生學(xué)習(xí)基礎(chǔ)不同，如何做到堅(jiān)持面向全體，堅(jiān)持因材施教，共同完成培養(yǎng)目標(biāo)，是值得思考的問題。

（2）現(xiàn)代精密儀器系統(tǒng)是達(dá)到微納精度指標(biāo)的功能性系統(tǒng)，是信息時(shí)代和各學(xué)科新技術(shù)發(fā)展對傳統(tǒng)量測儀器推動(dòng)的產(chǎn)物。因此在其設(shè)計(jì)過程中不僅要教會(huì)學(xué)生掌握通用的科學(xué)設(shè)計(jì)方法，而且要為學(xué)生創(chuàng)造學(xué)習(xí)渠道，運(yùn)用前沿、熱門技術(shù)完成儀器設(shè)計(jì)并正確估算和分析儀器的精度。

因此，在該課程的教學(xué)過程中設(shè)計(jì)由基礎(chǔ)理論到實(shí)踐應(yīng)用并鼓勵(lì)創(chuàng)新的多層次教學(xué)模式，該模式將教學(xué)過程分為課堂基礎(chǔ)理論講授、課堂案例講學(xué)、課后前沿技術(shù)探索以及課程設(shè)計(jì)四個(gè)層次，每個(gè)階段完成相應(yīng)的教學(xué)目標(biāo)[2]。下面分別介紹各部分的實(shí)施。

3 多層次的《精密儀器設(shè)計(jì)》教學(xué)模式

3.1 基礎(chǔ)理論教學(xué)

精密儀器設(shè)計(jì)主要講授精密儀器的總體設(shè)計(jì)、儀器的精度理論和對其他光、機(jī)、電、算課程相關(guān)知識(shí)與技術(shù)的運(yùn)用，所涉及到的知識(shí)面廣、內(nèi)容多。而學(xué)生對各門相關(guān)課程的掌握程度不同，理論水平參差不齊，在此類綜合性課程的學(xué)習(xí)中學(xué)生差異尤為凸顯。因此精密儀器設(shè)計(jì)課程的基礎(chǔ)理論教學(xué)，乃至后續(xù)的實(shí)踐教學(xué)中應(yīng)注意總體培養(yǎng)目標(biāo)的達(dá)成，在面向全體學(xué)生提高學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)參與度，掌握精密儀器設(shè)計(jì)基本方法的基礎(chǔ)上為學(xué)生提供更多的學(xué)習(xí)途徑擴(kuò)展專業(yè)視野，接觸行業(yè)前沿并主動(dòng)鉆研技術(shù)要點(diǎn)。

針對課程的基本概念和理論性內(nèi)容，采用多媒體課件講授，特別是一些通過圖形說明的原理性內(nèi)容，其形象、直觀、生動(dòng)的特性可以幫助學(xué)生快速理解和掌握，例如精密機(jī)械與儀器的各種基本設(shè)計(jì)原則，僅靠文字描述學(xué)生很難理解與記憶，通過多媒體課件將文字進(jìn)行圖形舉例，能夠快速地抓住學(xué)生注意力，克服畏難情緒，保持對課程的學(xué)習(xí)熱情[3]。針對基礎(chǔ)薄弱的學(xué)生，教師通過講解、提問的輔導(dǎo)式教學(xué)方法激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，扎實(shí)掌握精密儀器設(shè)計(jì)的基本理論與方法，順利達(dá)成課程學(xué)習(xí)目標(biāo)。針對綜合能力較強(qiáng)的學(xué)生，采用啟發(fā)式提問和任務(wù)布置的指導(dǎo)式教學(xué)方法，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考問題，提出問題并解決問題的能力。

3.2 課堂案例講學(xué)

精密儀器設(shè)計(jì)課程中所涉及到的基礎(chǔ)理論知識(shí)豐富，原理性內(nèi)容過深過細(xì)，新技術(shù)信息含量偏少，另一方面該門課程的課程目標(biāo)為培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)一種精密儀器，培養(yǎng)學(xué)生分析和解決問題的能力，掌握精密儀器的設(shè)計(jì)方法和過程。圍繞應(yīng)用型人才的培養(yǎng)目標(biāo)，課堂教學(xué)中融合案例教學(xué)方法，將精密儀器系統(tǒng)各子系統(tǒng)的典型應(yīng)用案例與各個(gè)基礎(chǔ)理論知識(shí)點(diǎn)結(jié)合講解，特別是結(jié)合科技發(fā)展新動(dòng)態(tài)，將前沿的科研成果融入課堂教學(xué)，有助于學(xué)生夯實(shí)基礎(chǔ)理論，促進(jìn)學(xué)生專業(yè)視野的擴(kuò)展。比如在微位移技術(shù)章節(jié)的教學(xué)環(huán)節(jié)中，不僅在微位移機(jī)構(gòu)、微動(dòng)工作臺(tái)驅(qū)動(dòng)器件原理、微動(dòng)工作臺(tái)的設(shè)計(jì)和特性分析等各個(gè)環(huán)節(jié)融入大量實(shí)例，并且結(jié)合相關(guān)技術(shù)科研成果，以微桌面工廠中的微位移技術(shù)作為前沿拓展，從原理到應(yīng)用向?qū)W生講解壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)微位移機(jī)構(gòu)完成微米級零件裝配系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，大大地激發(fā)了不同基礎(chǔ)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和專業(yè)認(rèn)知，強(qiáng)化了對精密儀器設(shè)計(jì)相關(guān)理論的學(xué)習(xí)和把握。endprint

3.3 課后前沿技術(shù)探索

精密儀器設(shè)計(jì)課程作為一門綜合性課程，僅僅依靠課堂授課的40學(xué)時(shí)讓學(xué)生透徹掌握并靈活運(yùn)用儀器設(shè)計(jì)方法是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，且隨著科技發(fā)展的日新月異，精密儀器設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容更新很快，教師在課堂講授的前沿技術(shù)內(nèi)容有限，學(xué)生被動(dòng)接收新知識(shí)，缺乏主動(dòng)參與。因此為拓寬學(xué)生學(xué)習(xí)領(lǐng)域和專業(yè)視野，充分了解本專業(yè)及本課程的研究前沿，教師以本課程相關(guān)新技術(shù)、新系統(tǒng)為命題向?qū)W生布置課后作業(yè)，深入了解新技術(shù)、新系統(tǒng)原理、關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用，并通過PPT演示材料的形式在課程設(shè)計(jì)過程中抽取4個(gè)學(xué)時(shí)進(jìn)行部分材料的報(bào)告交流，能夠普遍性地培養(yǎng)學(xué)生的信息素養(yǎng)和對科技前沿信息的主動(dòng)獲取、處理信息與交流信息的專業(yè)綜合素質(zhì)。對于積極探索能力較強(qiáng)的學(xué)生，本環(huán)節(jié)還有助于挖掘?qū)W生的專業(yè)興趣，并培養(yǎng)其發(fā)現(xiàn)問題和主動(dòng)思考問題的能力，為大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練、畢業(yè)設(shè)計(jì)等下一階段的教學(xué)環(huán)節(jié)積累基本的綜合研究素養(yǎng)。

3.4 課程設(shè)計(jì)

精密儀器設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)作為一門獨(dú)立的實(shí)踐課程在精密儀器設(shè)計(jì)的課堂授課全部結(jié)束后進(jìn)行。這一階段的主要目標(biāo)是進(jìn)行設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的實(shí)際訓(xùn)練，加深學(xué)生對課程基礎(chǔ)知識(shí)和基本理論的理解進(jìn)而掌握，培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)的能力，使其在理論、分析、設(shè)計(jì)、計(jì)算等方面的能力得到初步訓(xùn)練，從而培養(yǎng)學(xué)生工程意識(shí)，促進(jìn)學(xué)生養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)求是的科學(xué)態(tài)度。課程設(shè)計(jì)課題的選用以本科生培養(yǎng)目標(biāo)為指導(dǎo)，為保障全部學(xué)生對課程設(shè)計(jì)的完成度，課題的選取具有普遍性和實(shí)踐性，一方面契合課程的理論教學(xué)內(nèi)容，將所學(xué)各章節(jié)知識(shí)點(diǎn)在設(shè)計(jì)中全面應(yīng)用，另一方面符合專業(yè)的應(yīng)用背景和生產(chǎn)實(shí)際。課程設(shè)計(jì)采用分組開展的形式，基礎(chǔ)薄弱的學(xué)生可根據(jù)命題通過討論交流的形式向組內(nèi)成員學(xué)習(xí)，基礎(chǔ)好的學(xué)生發(fā)揮主觀能動(dòng)性，在命題系統(tǒng)設(shè)計(jì)的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行更加深入透徹的分析，并通過第三環(huán)節(jié)的訓(xùn)練提升學(xué)生在該環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)水平，最終獨(dú)立形成課程設(shè)計(jì)報(bào)告，任課教師根據(jù)學(xué)生的課程設(shè)計(jì)報(bào)告材料和口述設(shè)計(jì)思路以及設(shè)計(jì)過程情況進(jìn)行評分。該環(huán)節(jié)進(jìn)一步督促了學(xué)生對該課程的主動(dòng)參與度，鞏固理論學(xué)習(xí)的同時(shí)對生產(chǎn)實(shí)際和工程應(yīng)用進(jìn)行了有效的銜接。

經(jīng)過一系列由理論學(xué)習(xí)、課外探索到實(shí)踐應(yīng)用設(shè)計(jì)的多層次學(xué)習(xí)過程，增強(qiáng)了本科生對本門課程的學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，并全方位地培養(yǎng)了學(xué)生的專業(yè)素質(zhì)，特別是有學(xué)生主動(dòng)參與的教學(xué)環(huán)節(jié)，在精密儀器研究前沿的探索和總結(jié)過程中，還鍛煉了學(xué)生撰寫PPT演示材料的能力和開展科技報(bào)告的能力，課程設(shè)計(jì)報(bào)告的撰寫提升了學(xué)生對科學(xué)研究材料的書寫能力，在小組成員共同完成課程設(shè)計(jì)的過程中培養(yǎng)了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，這些都是綜合型人才應(yīng)該具備的基本要素，也是后續(xù)課程、畢業(yè)設(shè)計(jì)乃至未來工作、深造所必須具備的素養(yǎng)。在進(jìn)一步的教學(xué)改革和研究中，以培養(yǎng)更具創(chuàng)新能力的綜合型人才為目標(biāo)，繼續(xù)在該門課程中對學(xué)生實(shí)踐手段多樣性的開發(fā)和學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)方面進(jìn)行探索，提升《精密儀器設(shè)計(jì)》課程的教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)水平。

參考文獻(xiàn)

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