《精密儀器設計》課程中的多層次教育探索

李慶玲++李艷

摘 要：依據測控技術與儀器專業對本科應用型人才的培養目標，在精密儀器設計課程中對教學環節和學生培養展開由理論到實踐應用并鼓勵創新的多層次教學模式的探索，將該教學模式通過基礎理論教學、課堂案例講學、課后前沿技術探索和課程設計四個層次來實現，促進強理論、重實踐、勤思考的應用型人才培養目標的達成。

關鍵詞：精密儀器設計 教學研究 多層次 應用型人才

中圖分類號：G6 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）11（c）-0215-02

現代精密測量技術是一門集光學、電子、機械、材料、計算機為一體的綜合性交叉學科。隨著科技的進步，特別是微電子技術、宇航工業、材料科學、生物工程等領域的發展，為精密儀器提供了廣泛的研究和應用領域[1]。精密儀器設計課程是測控技術與儀器專業必修核心課程。該課程一方面通過向學生講授現代精密儀器設計基礎理論與方法，精密儀器當代發展水平和研究成果，使學生充分了解和掌握精密儀器的學術動態和最新成就。另一方面通過精密儀器設計課程設計對學生在設計環節的實際訓練，加深學生對課程基礎知識的理解和運用，使學生掌握光、機、電、計算機技術相結合的精密儀器總體設計基礎理論知識，學會如何從設計任務出發進行總體設計的方法，并具有一定的精度設計能力。為儀器儀表行業培養具有堅實的理論基礎、較強的獨立工作能力、勇于探索、富于創新的儀器專業人才。

1 測控技術與儀器專業本科生培養目標

我校測控專業對本科生的培養目標為培養學生系統掌握傳感、檢測、分析與控制等相關的信息獲取、處理與利用的基礎知識、基本理論與基本技能，具有測控系統與儀器設計和實踐應用能力，具有創新意識、自主學習能力，具有國際視野和團隊協作精神，能夠在國民經濟相關領域從事測控儀器與系統相關的科學研究、技術開發與工程應用等工作的專門人才。精密儀器系統作為信息測量、分析處理與信息利用的綜合性光機電算系統，其設計體現了該培養目標的實施過程。

2 精密儀器設計課程的特點

與傳統的儀器設計不同，進入信息化時代的現代精密儀器具有信息化、智能化、集成化的發展趨勢，因此精密儀器設計課程教學圍繞精度理論這一核心技術指標，在總體設計的全局方向性指導下，對精密儀器系統的各個組成部分進行展開學習，包括實現精密儀器高精度的基礎——精密機械系統；實現亞微米、納米級精度的關鍵技術——微位移技術；保障儀器高精度的定位與測量系統；精密儀器的基準——瞄準與對準系統；現代精密儀器的重要組成部分——光學系統以及實現儀器自動化不可缺少的自動調焦技術和微納制造前沿——微機電系統等。在教學中所面臨的主要問題有：

（1）該課程作為專業核心選修課，綜合了本科前階段所學的機械、電子、光學、計算機等各門課程內容的深入學習和應用，覆蓋面廣，涵蓋知識全面，因此對學生專業基礎的要求較高。學生學習基礎不同，如何做到堅持面向全體，堅持因材施教，共同完成培養目標，是值得思考的問題。

（2）現代精密儀器系統是達到微納精度指標的功能性系統，是信息時代和各學科新技術發展對傳統量測儀器推動的產物。因此在其設計過程中不僅要教會學生掌握通用的科學設計方法，而且要為學生創造學習渠道，運用前沿、熱門技術完成儀器設計并正確估算和分析儀器的精度。

因此，在該課程的教學過程中設計由基礎理論到實踐應用并鼓勵創新的多層次教學模式，該模式將教學過程分為課堂基礎理論講授、課堂案例講學、課后前沿技術探索以及課程設計四個層次，每個階段完成相應的教學目標[2]。下面分別介紹各部分的實施。

3 多層次的《精密儀器設計》教學模式

3.1 基礎理論教學

精密儀器設計主要講授精密儀器的總體設計、儀器的精度理論和對其他光、機、電、算課程相關知識與技術的運用，所涉及到的知識面廣、內容多。而學生對各門相關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習中學生差異尤為凸顯。因此精密儀器設計課程的基礎理論教學，乃至后續的實踐教學中應注意總體培養目標的達成，在面向全體學生提高學習興趣和主動參與度，掌握精密儀器設計基本方法的基礎上為學生提供更多的學習途徑擴展專業視野，接觸行業前沿并主動鉆研技術要點。

針對課程的基本概念和理論性內容，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容，其形象、直觀、生動的特性可以幫助學生快速理解和掌握，例如精密機械與儀器的各種基本設計原則，僅靠文字描述學生很難理解與記憶，通過多媒體課件將文字進行圖形舉例，能夠快速地抓住學生注意力，克服畏難情緒，保持對課程的學習熱情[3]。針對基礎薄弱的學生，教師通過講解、提問的輔導式教學方法激發學生的學習積極性，扎實掌握精密儀器設計的基本理論與方法，順利達成課程學習目標。針對綜合能力較強的學生，采用啟發式提問和任務布置的指導式教學方法，培養學生獨立思考問題，提出問題并解決問題的能力。

3.2 課堂案例講學

精密儀器設計課程中所涉及到的基礎理論知識豐富，原理性內容過深過細，新技術信息含量偏少，另一方面該門課程的課程目標為培養學生設計一種精密儀器，培養學生分析和解決問題的能力，掌握精密儀器的設計方法和過程。圍繞應用型人才的培養目標，課堂教學中融合案例教學方法，將精密儀器系統各子系統的典型應用案例與各個基礎理論知識點結合講解，特別是結合科技發展新動態，將前沿的科研成果融入課堂教學，有助于學生夯實基礎理論，促進學生專業視野的擴展。比如在微位移技術章節的教學環節中，不僅在微位移機構、微動工作臺驅動器件原理、微動工作臺的設計和特性分析等各個環節融入大量實例，并且結合相關技術科研成果，以微桌面工廠中的微位移技術作為前沿拓展，從原理到應用向學生講解壓電陶瓷驅動器驅動微位移機構完成微米級零件裝配系統的設計，大大地激發了不同基礎學生的學習興趣，增強了學生的學習興趣和專業認知，強化了對精密儀器設計相關理論的學習和把握。endprint

3.3 課后前沿技術探索

精密儀器設計課程作為一門綜合性課程，僅僅依靠課堂授課的40學時讓學生透徹掌握并靈活運用儀器設計方法是遠遠不夠的，且隨著科技發展的日新月異，精密儀器設計教學內容更新很快，教師在課堂講授的前沿技術內容有限，學生被動接收新知識，缺乏主動參與。因此為拓寬學生學習領域和專業視野，充分了解本專業及本課程的研究前沿，教師以本課程相關新技術、新系統為命題向學生布置課后作業，深入了解新技術、新系統原理、關鍵技術和應用，并通過PPT演示材料的形式在課程設計過程中抽取4個學時進行部分材料的報告交流，能夠普遍性地培養學生的信息素養和對科技前沿信息的主動獲取、處理信息與交流信息的專業綜合素質。對于積極探索能力較強的學生，本環節還有助于挖掘學生的專業興趣，并培養其發現問題和主動思考問題的能力，為大學生創新創業訓練、畢業設計等下一階段的教學環節積累基本的綜合研究素養。

3.4 課程設計

精密儀器設計課程設計作為一門獨立的實踐課程在精密儀器設計的課堂授課全部結束后進行。這一階段的主要目標是進行設計環節的實際訓練，加深學生對課程基礎知識和基本理論的理解進而掌握，培養學生綜合運用所學知識的能力，使其在理論、分析、設計、計算等方面的能力得到初步訓練，從而培養學生工程意識，促進學生養成嚴謹求是的科學態度。課程設計課題的選用以本科生培養目標為指導，為保障全部學生對課程設計的完成度，課題的選取具有普遍性和實踐性，一方面契合課程的理論教學內容，將所學各章節知識點在設計中全面應用，另一方面符合專業的應用背景和生產實際。課程設計采用分組開展的形式，基礎薄弱的學生可根據命題通過討論交流的形式向組內成員學習，基礎好的學生發揮主觀能動性，在命題系統設計的各個環節進行更加深入透徹的分析，并通過第三環節的訓練提升學生在該環節的設計水平，最終獨立形成課程設計報告，任課教師根據學生的課程設計報告材料和口述設計思路以及設計過程情況進行評分。該環節進一步督促了學生對該課程的主動參與度，鞏固理論學習的同時對生產實際和工程應用進行了有效的銜接。

經過一系列由理論學習、課外探索到實踐應用設計的多層次學習過程，增強了本科生對本門課程的學習興趣，調動了學生的學習積極性，并全方位地培養了學生的專業素質，特別是有學生主動參與的教學環節，在精密儀器研究前沿的探索和總結過程中，還鍛煉了學生撰寫PPT演示材料的能力和開展科技報告的能力，課程設計報告的撰寫提升了學生對科學研究材料的書寫能力，在小組成員共同完成課程設計的過程中培養了學生的團隊協作能力，這些都是綜合型人才應該具備的基本要素，也是后續課程、畢業設計乃至未來工作、深造所必須具備的素養。在進一步的教學改革和研究中，以培養更具創新能力的綜合型人才為目標，繼續在該門課程中對學生實踐手段多樣性的開發和學生創新能力培養方面進行探索，提升《精密儀器設計》課程的教學質量和教學水平。

參考文獻

[1] 李慶祥，王東升，李玉和.現代精密儀器設計[M].北京：清華大學出版社，2009.

[2] 周偉明，韓晉輝.精密儀器分析“點線面”教學探索[J].廣州化工，2010，38（6）：281-282.

[3] 吳玲玲，陳靖.精密儀器設計課程教學中多媒體的合理運用[J].中西部科技，2010，9（33）：91-92.endprint