天津大學(xué)工程科學(xué)實(shí)驗(yàn)班《工程設(shè)計(jì)》實(shí)踐教學(xué)改革探討

丁振揚(yáng) 田慶國(guó) 汪毅 張學(xué)遷 胡浩豐 劉鐵根

摘要：天津大學(xué)為著眼于國(guó)家造就工程領(lǐng)軍人才的戰(zhàn)略需求，設(shè)立“工程科學(xué)實(shí)驗(yàn)班”。本文針對(duì)工程科學(xué)實(shí)驗(yàn)班《工程設(shè)計(jì)》實(shí)踐課程環(huán)節(jié)固定，學(xué)生創(chuàng)造性體現(xiàn)不高，課題選擇較少，實(shí)踐內(nèi)容陳舊，難以與學(xué)科最新進(jìn)展前沿結(jié)合問(wèn)題，提出科研式實(shí)踐課程的創(chuàng)新。結(jié)合指導(dǎo)教師自身科研課題，設(shè)立研究型實(shí)踐課題取代基礎(chǔ)型實(shí)踐，取得良好效果。本文介紹了《工程設(shè)計(jì)》實(shí)踐課程改革相關(guān)內(nèi)容和取得成果。

關(guān)鍵詞：實(shí)踐教學(xué)；教學(xué)改革；科研實(shí)踐

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2019）16-0076-02

天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院辦學(xué)歷史久，具有一流的學(xué)科和學(xué)術(shù)地位。學(xué)院擁有測(cè)試計(jì)量技術(shù)及儀器、光學(xué)工程、物理電子學(xué)、精密儀器及機(jī)械、生物醫(yī)學(xué)工程、光電子技術(shù)6個(gè)博士點(diǎn)和6個(gè)碩士點(diǎn)；儀器科學(xué)與技術(shù)、光學(xué)工程2個(gè)一級(jí)學(xué)科國(guó)家重點(diǎn)學(xué)科和生物醫(yī)學(xué)工程天津市重點(diǎn)學(xué)科；儀器科學(xué)與技術(shù)、光學(xué)工程、生物醫(yī)學(xué)工程3個(gè)博士后流動(dòng)站；5個(gè)國(guó)家“長(zhǎng)江計(jì)劃”特聘教授設(shè)崗學(xué)科；精密測(cè)試技術(shù)及儀器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，光電信息技術(shù)科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等。2008年，學(xué)校將天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院設(shè)立為“綜合改革試驗(yàn)區(qū)”，2011年底，天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院被確定為國(guó)家教育體制改革試點(diǎn)學(xué)院。在試點(diǎn)學(xué)院改革中，創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式是試點(diǎn)學(xué)院改革重要抓手。天津大學(xué)作為以理工科為主要特色的研究型大學(xué)，承擔(dān)著為國(guó)家造就工程領(lǐng)軍人才的戰(zhàn)略任務(wù)。設(shè)立“工程科學(xué)實(shí)驗(yàn)班”則著眼于這一關(guān)鍵需求并作為試點(diǎn)學(xué)院改革的具體落實(shí)措施。“工程科學(xué)實(shí)驗(yàn)班”定位為培養(yǎng)“未來(lái)的錢學(xué)森”，造就能解決人類面臨重大問(wèn)題和國(guó)家重大戰(zhàn)略需求的未來(lái)工程領(lǐng)軍人才[2]。這個(gè)班面向儀器科學(xué)、光學(xué)工程、生物醫(yī)學(xué)工程等領(lǐng)域，培養(yǎng)“具有深厚數(shù)理基礎(chǔ)和人文素養(yǎng)，善于從工程中發(fā)現(xiàn)科學(xué)問(wèn)題，并能運(yùn)用科學(xué)原理解決工程問(wèn)題的，具備跨學(xué)科知識(shí)背景、全球視野、創(chuàng)新能力的高素質(zhì)拔尖人才”。2013年9月，第一屆“工程科學(xué)實(shí)驗(yàn)班”正式開(kāi)始運(yùn)行。該班培養(yǎng)兩類人才，第一類是具有創(chuàng)新潛質(zhì)的學(xué)術(shù)精英，與國(guó)際一流大學(xué)合作，培養(yǎng)具有扎實(shí)的數(shù)理基礎(chǔ)、一流的人文素養(yǎng)、批判的探索精神、超前的創(chuàng)新思維和跨文化國(guó)際交流能力的未來(lái)學(xué)術(shù)精英，為國(guó)內(nèi)外攻讀學(xué)術(shù)性碩士生或博士生做準(zhǔn)備。第二類人才是具有總工程師潛質(zhì)的工程精英，與一流企業(yè)合作，培養(yǎng)具有復(fù)雜系統(tǒng)工程領(lǐng)軍能力、出色的溝通協(xié)調(diào)能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神、優(yōu)秀工程實(shí)踐能力和跨文化國(guó)際交流能力的未來(lái)工程精英。為攻讀應(yīng)用型碩士和工程博士做準(zhǔn)備。

一、現(xiàn)有《工程設(shè)計(jì)》內(nèi)容存在問(wèn)題

現(xiàn)有《工程設(shè)計(jì)》的實(shí)踐課程內(nèi)容為學(xué)生根據(jù)自身的基礎(chǔ)和不同發(fā)展需求，可參與基礎(chǔ)型或應(yīng)用型實(shí)踐，兩類實(shí)踐均兼?zhèn)鋵I(yè)特色和可操作性，但課題難度和需要付出的時(shí)間精力不同。全班按70%到80%進(jìn)行基礎(chǔ)型實(shí)踐，其余進(jìn)行應(yīng)用型實(shí)踐，學(xué)分1.5，在1周半時(shí)間完成?；A(chǔ)型實(shí)踐為設(shè)計(jì)光電圖像采集系統(tǒng)，從光學(xué)設(shè)計(jì)、零件加工、到機(jī)械設(shè)計(jì)、裝配檢測(cè)，學(xué)生在教師的指導(dǎo)下分步驟實(shí)踐專業(yè)主要工程應(yīng)用技術(shù)。每個(gè)學(xué)生在老師的指引下完成光電圖像采集的電路、光學(xué)、光機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。主要工作包括：鏡頭光學(xué)設(shè)計(jì)（Code V或ZEMAX）、鏡筒機(jī)械設(shè)計(jì)（Solid Works）、CMOS圖像采集電路設(shè)計(jì)（Protel）/電路焊接及調(diào)試，最終形成完整的圖像采集系統(tǒng)。在應(yīng)用型實(shí)踐中，包含兩個(gè)課題：第一是“光電智能巡跡系統(tǒng)”學(xué)生以組為單位，分工完成賽車光電智能循跡系統(tǒng)設(shè)計(jì)。要求小車系統(tǒng)能夠正確循跡，即沿地面設(shè)定白色軌跡運(yùn)行，完成直行、穿越隧道以及轉(zhuǎn)彎，在運(yùn)行過(guò)程中車身不超越軌跡兩側(cè)黃色區(qū)域，且不碰撞隧道；能夠根據(jù)設(shè)置在軌跡旁的標(biāo)識(shí)實(shí)現(xiàn)停車；能夠正確測(cè)量所經(jīng)過(guò)隧道的長(zhǎng)度與數(shù)量。第二是“結(jié)構(gòu)光三維成像系統(tǒng)”，具體要求結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用線結(jié)構(gòu)激光光源，自己選擇掃描方式，根據(jù)給定的掃描物體大小和分辨率要求，進(jìn)行三維傳感器設(shè)計(jì)，提交設(shè)計(jì)說(shuō)明書和機(jī)械圖；掃描和圖像采集控制模塊，圖像傳感器（面陣CCD）采用USB接口，步進(jìn)電機(jī)采用單片機(jī)控制，設(shè)計(jì)模塊，實(shí)現(xiàn)圖像采集和掃描運(yùn)動(dòng)的同步；采用VC或Matlab實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)標(biāo)定，完成攝像機(jī)的內(nèi)參數(shù)標(biāo)定和系統(tǒng)的全局標(biāo)定；光帶中心線提取、選擇一種方法，實(shí)現(xiàn)光帶中心的高精度提??；對(duì)各模塊進(jìn)行集成，最終得到被測(cè)物體的三維點(diǎn)云模型。

二、《工程設(shè)計(jì)》課程內(nèi)容改革探討

在教育部2007年的文件中指出：創(chuàng)造條件，組織學(xué)生積極開(kāi)展社會(huì)調(diào)查、社會(huì)實(shí)踐活動(dòng)，參與科學(xué)研究，進(jìn)行創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐，提升大學(xué)生創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力[4]。科研式實(shí)踐教學(xué)，通過(guò)實(shí)際的科研背景與用途等，結(jié)合相關(guān)的理論知識(shí)，通過(guò)自己的獨(dú)立思考擬出方法及步驟，不只是按照傳統(tǒng)實(shí)踐課程的固定環(huán)節(jié)機(jī)械式完成實(shí)踐，在科研型實(shí)踐中，學(xué)生需要自己閱讀大量文獻(xiàn)、利用所學(xué)知識(shí)和實(shí)踐能力創(chuàng)造性解決科研中遇到各種問(wèn)題，不再有固定模式束縛學(xué)生的探索發(fā)展。研究型實(shí)踐為結(jié)合指導(dǎo)教師的自身研究課題所設(shè)題目。利用光電信息工程系優(yōu)勢(shì)和前沿研究方向，在光纖傳感、光電圖像、太赫茲技術(shù)等方向開(kāi)設(shè)多個(gè)課題，具體包括：基于光頻域反射的長(zhǎng)距離分布式擾動(dòng)傳感信號(hào)處理研究、基于光頻域反射多參量傳感信號(hào)處理研究、基于光頻域反射分布式形狀傳感研究、環(huán)形腔器件中的光學(xué)調(diào)控研究、多通道光纖法珀壓力傳感系統(tǒng)、心血管光學(xué)相干層析成像圖像識(shí)別與分析研究、偏振敏感掃頻導(dǎo)管內(nèi)光學(xué)相干層析成像方法和系統(tǒng)研究、全介質(zhì)超表面太赫茲全息設(shè)計(jì)、偏振成像技術(shù)研究等十余個(gè)課題。

應(yīng)用型實(shí)踐進(jìn)一步增加課題數(shù)量。增加了“激光筆與PPT投影交互系統(tǒng)”這一課題，要求包括使用長(zhǎng)寬比為4∶3的具有VGA接口的教室用投影屏幕，使用長(zhǎng)寬比為4∶3的具有VGA接口的教室用投影屏幕。

三、《工程設(shè)計(jì)》課程內(nèi)容改革效果

根據(jù)上述《工程設(shè)計(jì)》改革思路，在2013級(jí)、2014級(jí)和2015級(jí)“工程科學(xué)實(shí)驗(yàn)班”進(jìn)行《工程設(shè)計(jì)》實(shí)踐課程改革。同學(xué)們反映良好，在選擇研究型和應(yīng)用型實(shí)踐課題比例各占50%。特別是在研究型實(shí)踐中，實(shí)驗(yàn)班學(xué)生們得到了傳統(tǒng)課堂教學(xué)難以得到實(shí)踐經(jīng)驗(yàn).

四、結(jié)語(yǔ)

《工程設(shè)計(jì)》是一門重要實(shí)踐課程，是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力和實(shí)驗(yàn)技能，進(jìn)行創(chuàng)造性思維訓(xùn)練的重要途徑。本文針對(duì)工程科學(xué)實(shí)驗(yàn)班《工程設(shè)計(jì)》實(shí)踐課程環(huán)節(jié)固定，學(xué)生創(chuàng)造性體現(xiàn)不高，課題選擇較少，實(shí)踐內(nèi)容陳舊，難以與學(xué)科最新進(jìn)展前沿結(jié)合問(wèn)題，提出科研式實(shí)踐課程的創(chuàng)新，結(jié)合指導(dǎo)教師自身科研課題，設(shè)立研究型實(shí)踐課題取代基礎(chǔ)型實(shí)踐，取得良好效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]李家俊.找準(zhǔn)抓手 扎實(shí)推進(jìn)試點(diǎn)學(xué)院綜合改革[J].中國(guó)高等教育，2013，（19）：12-15.

[2]王海龍，楊秋波，曾周末.高校二級(jí)學(xué)院綜合改革的實(shí)施路徑[J].中國(guó)高等教育，2014，（z3）：38-40.