面向極端精度制造的課程多元化教學改革與實踐

［摘 要］ 面向極端精度制造技術快速發展的現狀，同時為適應機械制造專業在極端精度制造與檢測方面專業技術人才培養的需要，提出了面向極端精度制造的課程教學內容改革，并在教學過程中融合多元化教學方式，采用課堂分組討論的形式，激發學生的興趣，通過小組分工實驗，以合作使命感引導學生切身感受實驗教學內容，培養合作精神與實踐操作能力。此外，加強建設學生成績評定標準，優化課程考核方式，注重過程考核，在教學改革實踐中取得了良好的教學效果。

［關鍵詞］ 極端精度制造；超精密測量技術；教學改革；多元化教學；課程考核方式

［基金項目］ 2023年度燕山大學教學研究與改革項目“面向極端精度制造技術的分子動力學模擬仿真實驗建設與實踐”（2023XJJG063）

［作者簡介］ 張 碩（1992—），男，河北保定人，工學博士，燕山大學機械工程學院講師，主要從事超精密加工與測量技術研究；陳建超（1984—），男，河北唐山人，工學博士，燕山大學機械工程學院副教授，主要從事微納制造及表征研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）19-0053-04 ［收稿日期］ 2023-06-14

引言

精度是制造業的核心基礎，高精度為工業產品制造的高質量、高性能、可交換性和可靠性提供了重要保障。近幾十年，精密與超精密測量技術的進步促進了現代工業的發展，也使得高精度制造技術領域取得了顯著成果，其中形狀精度接近納米級，表面粗糙度接近原子級，徹底邁入了極端精度制造時代［1-3］。為使學生具備更廣泛、更前沿的專業知識，專業開設了先進制造技術系列課程作為新工科課程層面建設的重要一環。其中，“超精密測量技術”是燕山大學機械工程學院面向機械設計制造及其自動化本科專業機制方向大四學生設置的一門重要選修課，課程基于先修的“互換性與技術測量”和“測試技術”兩門學位課程，注重將前沿科學技術融入教學內容，培養學生了解和掌握超精密測量技術的基礎理論、基本方法和檢測儀器，初步具備根據不同工程應用背景，選擇合適測量儀器、制定合理測量方法的能力，以解決極端精度制造技術中面臨的超精密測量問題，為學生今后從事超精密加工與測量技術的相關研究奠定必要的理論基礎與技術能力。

由于“超精密測量技術”課程內容涉及較多深刻晦澀的物理學原理和數學知識，很多學生存在懼怕心理和惰性心理，學習主動性不高，傳統的“老師臺上講、學生臺下聽”的教學模式難以取得較好的教學效果，課堂活躍度較低，期末考試卷面成績不理想［4-5］。為提升該課程的教學質量，教研組對照“金課”標準［6-7］，圍繞課程教學目標，在教學內容、教學方法和考核評價等方面開展了教學創新改革嘗試。

一、“超精密測量技術”課程教學內容設計與創新

“超精密測量技術”課程的定位是機械制造專業的重要選修課程，著重將前沿的超精密測量理論、技術與儀器引入課堂內容，課程教學內容設計包括理論知識講授和虛擬仿真實驗兩大部分。針對極端精度制造技術面臨的超精密測量問題，教研組在理論知識講授部分安排了如下4大塊教學內容：超精密測量概念與發展、典型幾何尺寸的超精密測量、超精密加工表面參數的測量和納米測量技術。教學內容中的虛擬仿真實驗分為兩部分：第一部分是基于原子力顯微鏡AFM的微納刻劃與溝槽檢測實驗，此實驗通過國家虛擬仿真實驗教學課程共享平臺iLAB實驗空間進行，該仿真實驗平臺由燕山大學機械工程學院于2021年建設并在線上啟動運行，可用于開展基于AFM的儀器設備硬件搭建與調試，主要面向超精密表面形貌測量與表征、微納米結構刻劃加工與檢測的虛擬仿真實驗；第二部分是納米硬度測量技術的分子動力學（Molecular Dynamic， MD）仿真模擬實驗，該實驗模塊采用開源軟件——大規模原子分子并行模擬器（Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator， LAMMPS）［8］，對銅等金屬材料的納米壓痕過程進行仿真模擬，指導學生掌握分子動力學仿真的基本數據處理方法，通過提取應力-應變參數，計算材料納米尺度下的彈性模量和硬度等力學性能，實現極端精度制造技術中涉及的納米力學性能的測量。

目前在普通本科機械制造專業所開設的專業課程中，多以經典力學、宏觀統計分析和工程經驗為特征的“現代制造技術”課程為主，缺乏極端精度制造技術等基于多學科綜合交叉融合的新一代先進制造技術基礎課程。而本課程教學內容的設計打破了傳統機械制造專業課程設置的局限，引入了處于世界科技發展前沿的超精密測量基礎理論、基本方法和檢測儀器等內容，填補了有關極端精度制造技術的課程空白。

二、融合多種教學方式的課程多元化教學建設

為提高教學質量、調動學生的學習積極性和自覺性，提出融合多種教學方式的課程多元化教學建設思路，如圖1所示，主要包括融入啟發式教學的理論知識課堂、學生自主引導的課堂專題討論課和小組分工模式的仿真模擬實驗課三部分內容。下面將對這三部分內容及相應實施措施進行詳細介紹。

（一）融入啟發式教學的理論知識課堂

為了最大限度地調動學生學習的積極性和自覺性，讓學生能夠自發、主動地探求知識，并使理論課堂處于師生協同活動、相互促進的狀態，教研組在“超精密測量技術”課程教學中融入啟發式教學［9-10］。采用板書、多媒體幻燈片與線上學習教學視頻相結合的模式，使學生能夠更豐富、直觀地學習教學內容。此外，引入案例教學和現場教學方法，讓學生對理論知識的應用場景掌握得更深刻、更具體。在教學過程中，第一步是“設疑引學”，激發學生的學習興趣，以引導學生自主學習；第二步是“辨疑解難”，這是教學的中心環節，切忌和盤托出教學內容，要讓學生自己學，但要在難點部分給予適當地點撥與引導，有的放矢地鼓勵學生討論、質疑和辨疑，使學生獲得知識的過程自主化和動態化；第三步是“釋疑反饋”，通過課堂提問和課后作業的形式反饋檢查教學效果，深化教學內容，同時使學生二次夯實獲得的知識并查漏補缺。

（二）學生自主引導的課堂專題討論課

為了改變“老師臺上講、學生臺下聽”的傳統教學模式，安排4學時進行學生自主引導的課堂專題討論課活動，讓學生充分參與到教學活動中。討論課在理論知識教學完成后進行，目的是使學生在自我學習和相互討論中鞏固和深化對超精密測量技術主要方法和基本原理的理解，提高學生跟蹤機械測量領域最新進展的能力。為了保證討論課的教學質量，選題范圍在第1次理論課堂上就公布下去，要求學生在課程進程中期前，以小組形式（4～6人自由結組）自擬題目并向教師報備，題目遵循先報先得的原則，避免重復。在確定小組題目后，組內課下討論匯報內容，該部分由各小組內部自由組織進行，形成最終的匯報材料。在討論課上，由組長代表小組上臺匯報展示PPT，每組匯報后，其他小組成員共同討論其匯報內容，并請該組全部組員上臺，針對臺下各組學生討論提出的問題進行回復，組內的每位組員都必須參與此問題討論環節，以保證所有學生專題討論課的參與度。

（三）小組分工模式的仿真模擬實驗課

小組分工模式的仿真模擬實驗課主要體現在納米硬度測量技術的分子動力學仿真模擬實驗課上，該實驗模塊采用開源軟件LAMMPS大規模原子分子并行模擬器，主要涉及模型建立、代碼調試和數據后處理三大主要過程。實驗分小組進行，每組4～6人自由結組，組內成員按照模型建立、代碼調試和數據后處理進行分工，且完成前一工序的小組成員須負責下一工序的對接工作。組與組之間可互幫互助，共同討論建立模型的經驗和LAMMPS命令的應用技巧及仿真數據的后處理分析等工作。最終，每個小組須提交一份實驗報告和程序代碼附件，報告中須注明組內的分工安排和組員貢獻。小組實驗報告的成績依據三部分內容（模型建立、代碼調試和數據后處理）的完成度進行打分，若實驗報告中三部分內容有缺項，則報告成績為不及格，每位組員的實驗成績與該小組提交的實驗報告成績息息相關。如此，通過小組分工實驗，以合作使命感引導學生切身感受實驗教學內容，尤其是按工序分工的分配機制，以及工序之間的對接工作，可以使學生更好地感受合作的使命感。

實踐證明，融合多種教學方式的課程多元化教學建設思路在“超精密測量技術”課程改革上取得初步成效：（1）融入啟發式教學使學生學習的積極性被充分調動，面對晦澀難懂的理論知識的心態從懼怕轉為主動探求，期末考試試卷平均成績有顯著提高；（2）進行學生自主引導的課堂專題討論課活動，使得理論課堂不再“沉悶”，轉變為師生協同活動、互促互進的積極課堂狀態；（3）采用小組分工模式的仿真模擬實驗課使得學生在合作使命感的引導下深切感受實驗教學內容，對實驗內容的理解和完成度有了明顯提升，這些在學生提交的實驗報告和程序代碼附件里可以明顯體現出來。

三、課程考核方式與成績評定方法優化

結合課程多元化教學方式特色，對本門課程的考核方式進行了改革，相應增加了過程性考核的占比。首先出勤率是獲得最終成績的基礎門檻，但不影響最終成績的高低，即只有缺勤數小于等于2次的學生才能獲得最終成績?？偝煽兊慕M成包括三部分：期末考試卷面成績、討論課成績和實驗課成績。（1）期末考試采用筆試的形式，閉卷作答，主要考查學生綜合運用學習的知識解決超精密測量工程技術問題的能力?？荚嚦煽冋甲罱K成績的70%，即卷面總分為100分，權重系數為0.7。若卷面得分低于60分，即便學生總成績高于60分，仍為不及格。（2）討論課成績占最終成績的20%，主要考查學生在學習過程中是否具備通過書籍、期刊和網絡等手段收集超精密測量指定領域最新信息的能力，以及PPT制作與匯報能力，成績總分為100分，權重系數為0.2。在最后提交的PPT中，應注明組長和組員的分工及貢獻。組長排第一位，組員的順序按其貢獻值排序，組內排序采用小組民主評議的方式確定。討論課成績打分時，教師應在組與組之間排序，由高到低先給一個基礎分。而具體到某組內成員的分數，應在該組基礎分的基礎上，充分參考組內成員的自評排序進行相應分數的加減操作。（3）實驗課成績占最終成績的10%，主要考查學生面對超精密測量問題時的實際動手能力及團隊合作能力，成績總分為100分，權重系數為0.1，最終須提交實驗報告和程序代碼附件。實驗課共計兩個實驗，每個實驗各占50分。第一個實驗為基于原子力顯微鏡AFM的微納刻劃與溝槽檢測實驗，此實驗通過iLAB實驗空間進行，該仿真實驗平臺最后會根據每名學生的在線操作自動生成實驗報告和成績；第二個實驗為納米硬度測量技術的分子動力學仿真模擬實驗，該實驗分組進行，最終須提交實驗報告（報告中注明組長、組員及分工情況和組內排序）和程序代碼附件，此實驗成績的打分規則參照討論課的打分規則進行。

結語

本文面向極端精度制造技術的高速發展，對“超精密測量技術”課程進行了多元化教學改革與實踐研究。對教學內容進行了優化設計與創新，嘗試了融合多種教學方式的課程多元化教學建設思路，包括融入啟發式教學的理論知識課堂、學生自主引導的課堂專題討論課和小組分工模式的仿真模擬實驗課。結合“超精密測量技術”課程多元化教學方式的特色，對考核方式進行了改革，相應增加了過程考核的占比，卷面成績不再是唯一分數，總成績體現了學生教學參與程度的合理性及團隊協作貢獻的公平性。本文基于我國目前極端精度制造技術高端人才需求迫切的現狀，進行了“超精密測量技術”課程建設與改革的研究，為建立基于多學科綜合交叉融合的新一代制造技術課程體系貢獻微薄之力，填補極端精度制造技術方面的課程空白。

參考文獻

［1］譚久彬.超精密測量技術與儀器是高端制造發展的前提與基礎［J］.激光與光電子學進展，2023（3）：11-12.

［2］周亮，王振環，孫東辰，等.現代精密測量技術現狀及發展［J］.儀器儀表學報，2017（8）：1869-1878.

［3］譚久彬，劉世元，趙維謙，等.“超精密測量技術”專題前言［J］.激光與光電子學進展，2023，60（3）：4+3.

［4］余卿，崔長彩，張認成，等.與時俱進探討“精密測量技術”教學內容與教學方法的改革［J］.教育教學論壇，2016（13）：146-147.

［5］舒薇，周靜韻，徐漢虹.激光共聚焦顯微技術多元化教學實踐探討［J］.教育教學論壇，2022（52）：130-133.

［6］游磊，沈小雨.新工科背景下高校數學金課建設標準研究［J］.湖北開放職業學院學報，2023（8）：188-190.

［7］邊輝，姚建濤，唐艷華.新工科背景下機械電子工程專業“超級金課”課程群建設［J］.科教導刊，2020（33）：43-45.

［8］PLIMPTON S J. Fast parallel algorithms for Short-Range Molecular Dynamics［J］.Journal of computational physics， 1995（1）：1-19.

［9］劉秒.高校思政課灌輸—啟發式教學研究：以“思想道德與法治”課為例［D］.杭州：浙江理工大學，2022.

［10］譚路，肖晗，呂曉軍，等.“水面船舶原理與結構”啟發式教學課程思政探索［J］.教育教學論壇，2022（31）：73-76.

Extreme-precision Manufacturing Oriented Teaching Reform and Practice： Taking the Course of Ultra-precision Measurement Technology as an Example

ZHANG Shuo， CHEN Jian-chao

（School of Mechanical Engineering， Yanshan University， Qinhuangdao， Hebei 066004， China）

Abstract： Facing the rapid development of extreme-precision manufacturing technology， and to meet the needs of professional and technical personnel in extreme-precision manufacturing and measurement for mechanical engineering， the teaching content of the course for extreme-precision manufacturing is updated， and diversified teaching methods are integrated into the teaching process. The form of group discussion in classroom is adopted to stimulate students’ interest. Through the group experiments， students are guided to deeply feel the experimental teaching content and develop the spirit of cooperation and practical operation ability. Moreover， the construction of student performance evaluation standards has been strengthened， and the method of course assessment has been optimized. Good teaching quality has been achieved in the practice of teaching reform.

Key words： extreme-precision manufacturing; Ultra-precision Measurement Technology; updating of teaching content; diversified teaching; method of course assessment