天津大學工程科學實驗班《工程設計》實踐教學改革探討

丁振揚 田慶國 汪毅 張學遷 胡浩豐 劉鐵根

摘要：天津大學為著眼于國家造就工程領軍人才的戰略需求，設立“工程科學實驗班”。本文針對工程科學實驗班《工程設計》實踐課程環節固定，學生創造性體現不高，課題選擇較少，實踐內容陳舊，難以與學科最新進展前沿結合問題，提出科研式實踐課程的創新。結合指導教師自身科研課題，設立研究型實踐課題取代基礎型實踐，取得良好效果。本文介紹了《工程設計》實踐課程改革相關內容和取得成果。

關鍵詞：實踐教學；教學改革；科研實踐

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）16-0076-02

天津大學精密儀器與光電子工程學院辦學歷史久，具有一流的學科和學術地位。學院擁有測試計量技術及儀器、光學工程、物理電子學、精密儀器及機械、生物醫學工程、光電子技術6個博士點和6個碩士點；儀器科學與技術、光學工程2個一級學科國家重點學科和生物醫學工程天津市重點學科；儀器科學與技術、光學工程、生物醫學工程3個博士后流動站；5個國家“長江計劃”特聘教授設崗學科；精密測試技術及儀器國家重點實驗室，光電信息技術科學教育部重點實驗室等。2008年，學校將天津大學精密儀器與光電子工程學院設立為“綜合改革試驗區”，2011年底，天津大學精密儀器與光電子工程學院被確定為國家教育體制改革試點學院。在試點學院改革中，創新人才培養模式是試點學院改革重要抓手。天津大學作為以理工科為主要特色的研究型大學，承擔著為國家造就工程領軍人才的戰略任務。設立“工程科學實驗班”則著眼于這一關鍵需求并作為試點學院改革的具體落實措施。“工程科學實驗班”定位為培養“未來的錢學森”，造就能解決人類面臨重大問題和國家重大戰略需求的未來工程領軍人才[2]。這個班面向儀器科學、光學工程、生物醫學工程等領域，培養“具有深厚數理基礎和人文素養，善于從工程中發現科學問題，并能運用科學原理解決工程問題的，具備跨學科知識背景、全球視野、創新能力的高素質拔尖人才”。2013年9月，第一屆“工程科學實驗班”正式開始運行。該班培養兩類人才，第一類是具有創新潛質的學術精英，與國際一流大學合作，培養具有扎實的數理基礎、一流的人文素養、批判的探索精神、超前的創新思維和跨文化國際交流能力的未來學術精英，為國內外攻讀學術性碩士生或博士生做準備。第二類人才是具有總工程師潛質的工程精英，與一流企業合作，培養具有復雜系統工程領軍能力、出色的溝通協調能力和團隊協作精神、優秀工程實踐能力和跨文化國際交流能力的未來工程精英。為攻讀應用型碩士和工程博士做準備。

一、現有《工程設計》內容存在問題

現有《工程設計》的實踐課程內容為學生根據自身的基礎和不同發展需求，可參與基礎型或應用型實踐，兩類實踐均兼備專業特色和可操作性，但課題難度和需要付出的時間精力不同。全班按70%到80%進行基礎型實踐，其余進行應用型實踐，學分1.5，在1周半時間完成。基礎型實踐為設計光電圖像采集系統，從光學設計、零件加工、到機械設計、裝配檢測，學生在教師的指導下分步驟實踐專業主要工程應用技術。每個學生在老師的指引下完成光電圖像采集的電路、光學、光機系統設計。主要工作包括：鏡頭光學設計（Code V或ZEMAX）、鏡筒機械設計（Solid Works）、CMOS圖像采集電路設計（Protel）/電路焊接及調試，最終形成完整的圖像采集系統。在應用型實踐中，包含兩個課題：第一是“光電智能巡跡系統”學生以組為單位，分工完成賽車光電智能循跡系統設計。要求小車系統能夠正確循跡，即沿地面設定白色軌跡運行，完成直行、穿越隧道以及轉彎，在運行過程中車身不超越軌跡兩側黃色區域，且不碰撞隧道；能夠根據設置在軌跡旁的標識實現停車；能夠正確測量所經過隧道的長度與數量。第二是“結構光三維成像系統”，具體要求結構設計，采用線結構激光光源，自己選擇掃描方式，根據給定的掃描物體大小和分辨率要求，進行三維傳感器設計，提交設計說明書和機械圖；掃描和圖像采集控制模塊，圖像傳感器（面陣CCD）采用USB接口，步進電機采用單片機控制，設計模塊，實現圖像采集和掃描運動的同步；采用VC或Matlab實現系統標定，完成攝像機的內參數標定和系統的全局標定；光帶中心線提取、選擇一種方法，實現光帶中心的高精度提取；對各模塊進行集成，最終得到被測物體的三維點云模型。

二、《工程設計》課程內容改革探討

在教育部2007年的文件中指出：創造條件，組織學生積極開展社會調查、社會實踐活動，參與科學研究，進行創新性實驗和實踐，提升大學生創新精神和創新能力[4]。科研式實踐教學，通過實際的科研背景與用途等，結合相關的理論知識，通過自己的獨立思考擬出方法及步驟，不只是按照傳統實踐課程的固定環節機械式完成實踐，在科研型實踐中，學生需要自己閱讀大量文獻、利用所學知識和實踐能力創造性解決科研中遇到各種問題，不再有固定模式束縛學生的探索發展。研究型實踐為結合指導教師的自身研究課題所設題目。利用光電信息工程系優勢和前沿研究方向，在光纖傳感、光電圖像、太赫茲技術等方向開設多個課題，具體包括：基于光頻域反射的長距離分布式擾動傳感信號處理研究、基于光頻域反射多參量傳感信號處理研究、基于光頻域反射分布式形狀傳感研究、環形腔器件中的光學調控研究、多通道光纖法珀壓力傳感系統、心血管光學相干層析成像圖像識別與分析研究、偏振敏感掃頻導管內光學相干層析成像方法和系統研究、全介質超表面太赫茲全息設計、偏振成像技術研究等十余個課題。

應用型實踐進一步增加課題數量。增加了“激光筆與PPT投影交互系統”這一課題，要求包括使用長寬比為4∶3的具有VGA接口的教室用投影屏幕，使用長寬比為4∶3的具有VGA接口的教室用投影屏幕。

三、《工程設計》課程內容改革效果

根據上述《工程設計》改革思路，在2013級、2014級和2015級“工程科學實驗班”進行《工程設計》實踐課程改革。同學們反映良好，在選擇研究型和應用型實踐課題比例各占50%。特別是在研究型實踐中，實驗班學生們得到了傳統課堂教學難以得到實踐經驗.

四、結語

《工程設計》是一門重要實踐課程，是培養學生實踐能力和實驗技能，進行創造性思維訓練的重要途徑。本文針對工程科學實驗班《工程設計》實踐課程環節固定，學生創造性體現不高，課題選擇較少，實踐內容陳舊，難以與學科最新進展前沿結合問題，提出科研式實踐課程的創新，結合指導教師自身科研課題，設立研究型實踐課題取代基礎型實踐，取得良好效果。

參考文獻：

[1]李家俊.找準抓手 扎實推進試點學院綜合改革[J].中國高等教育，2013，（19）：12-15.

[2]王海龍，楊秋波，曾周末.高校二級學院綜合改革的實施路徑[J].中國高等教育，2014，（z3）：38-40.