精密机械与仪器设计课程教学研究

导语：精密机械与仪器设计课程教学研究一文来源于网友上传，不代表本站观点，若需要原创文章可咨询客服老师，欢迎参考。

新工科建设是新科技革命和产业变革形势下推动高校工程教育改革，培养创新型、复合型工程科技人才，支撑我国高等教育强国目标的必然要求。新工科教育的要求体现在新理念、新结构、新模式、新质量和新体系五个方面[1]。这些要求不仅涵盖对传统工科专业进行改革后的新模式建设，也包括全新工科专业的开设。新工科同时也提倡开展多学科的交叉与融合，培养综合性“双创”人才[2]。开展新工科教育，需要从多方面深入地推进教学改革来提升教学效果和学习效率，已成为高等工科教育内涵发展的核心任务。精密机械与仪器设计是面向测控技术与仪器专业开设的专业基础课，主要内容包含工程材料、精密机械设计、误差理论、仪器设计原则和方法等。课程教学目标包括：（1）掌握常见机构的基本特性和设计方法，具有精密仪器机构设计的基本理论知识，培养分析和解决问题的能力；（2）运用所学的设计方法和理论解决精密机械与仪器设计的实际应用问题，制订技术路线和实施方案，培养不同应用领域中检测设备、测试技术和仪器的研发能力；（3）加强科学知识与工程实践结合，提高对精密机械与仪器设计中所涉及的工程问题进行识别和研究的能力，培养工程意识和创新能力。通过课堂讲授、实验、课程设计等环节，让学生学习常见机构的特点和设计方法、零部件的设计计算以及仪器精度设计过程，具备测控仪器结构设计能力，并注重理论知识的应用和解决问题能力的培养。然而学生反馈和教学数据分析表明，现行的教学工作已不能实现课程目标的预期达成度，更无法适应新工科背景下的培养需求，教学改革势在必行。虽有采取网络技术的MOOC翻转课堂和线上线下混合教学模式探索和尝试，但仍需要对课程教学活动作进一步的分析和总结[3-4]。本文对精密机械与仪器设计课程教学中存在的问题进行梳理，分析新工科教育背景下测控仪器专业教学的目标和新要求，探讨新培养模式下专业课程教学改革的新方法和新举措。

一、课程教学存在的问题

精密机械与仪器设计课程是在讲述精密机构和仪器精度理论的基础上，培养学生的工程意识和创新设计能力。在课程教学和实践环节上仍存在许多问题和不足，如课程内容散乱、缺乏知识主线、教学授课多、实践操作少、考核方式单一，等等，已不能适应新工科教育的要求，亟需进行梳理和整合。

（一）课程内容广、散、乱

本课程是在整合多门课程内容后形成的专业基础课，包括了工程材料、机械原理、机械设计、误差理论、仪器设计原理以及典型仪器结构等，各部分内容相互联系却又自成体系，成为一个个相对孤立的知识点。由此可见，课程所涉及的知识范围广、知识点散、缺乏有效的关联主线，没有形成一个完整的知识体系。相对松散的知识结构同时对教学过程和教学效果都带来不利影响，不便于系统性地组织和开展教学活动，教学效果更无法有效的保障。学生不能通过关联性的知识推导来加强对理论知识的理解，只能采取被动式跟随学习，缺少主动参与的体验，最终导致学习效果不佳。多次课程考试成绩分析显示，课程目标达成度都低于预期的目标。

（二）讲授多、实践少

在内容多、课时少的实际情况下，课程教学更多地采用课堂讲授方式，实践环节则仅安排了课内实验和课程设计两部分。其中课内实验以认知和验证性实验为主，缺少综合性实验。课程设计一般在课程结束后3周内进行。整个设计过程中，学生不仅要对设计题目详细了解，而且完成相应的设计计算和说明书撰写，存在时间短、任务重等问题，导致整个设计过程都在疲于完成各类近乎程序化的任务。设计作业多以生搬硬套设计手册和课堂知识为主，缺乏对设计题目的深入思考和更具有创造性方案的尝试，无法有效支撑学生解决复杂工程问题能力与非技术性能力的培养。

（三）考核方式单一

现有的考核方式仍基本沿用了期末考试的方式进行学业成绩评定。这种以试卷为主的考核方式，形式单一，评价效果差，已不能全面地反映课程教学目标的达成度。试卷只能体现出学生对所学知识的背诵能力，通过死记硬背、考前突击的方式通过考试，并不能反映对整个课程知识体系的理解贯通和综合应用能力，也与课程教学目标相差甚远。另一方面，本课程涉及的知识内容较多，试题形式和难易程度把握困难，无法做到全面检验学生的学习效果。课程组虽然已通过减少单纯知识记忆型题目，增加综合性应用题型比例的方式对试题形式进行改进，但仍无法达到预期的考核目标。

二、课程教学改革对策

精密机械与仪器设计知识内容广、体系大，涉及的学科门类多，需要将不同学科的知识点融合起来才能真正掌握精密仪器设计的理论知识和内涵要求。为达到新工科教育培养创新型、复合型技术人才的要求，需要从课程内容、教学方式、考核方式、实践环节和课程思政等方面进行全面设计，改善课堂教学以提高学习效率。

（一）重组课程内容，构建系统性知识体系

本课程内容是由多门课程整合而来，但仅是依照专业培养需求对不同课程内容进行相应的缩减调整后形成的专业课程。虽然能满足专业培养的知识需求，但各部分内容只是简单地组合在一起，缺少系统性知识主线关联，而没有形成完整的知识体系。因此在课程内容重组时选择“误差和精度设计”为主线对各章节进行整合。在连杆、凸轮、齿轮、螺旋机构等章节，除了基本的传动特点和应用场景外，不再强调受力、强度、效率等传动方面的计算问题，更多地突出机构传动规律和误差问题，研究提高传动精度的设计方法。误差理论章节则对仪器的误差进行系统性研究，分析各种误差来源、合成以及分配策略，以提高仪器的整体精度。仪器设计理论部分则以精度设计理论对设计过程提供指导，保障整个设计过程顺利进行。课程内容、知识主线、主要知识点如图1所示。课程内容重组可按照不同的知识点属性，将其分为不同的层次分别教学[5]。根据不同的知识属性可将课程知识分为基础理论、综合应用、实践掌握、创新创造四个层次，分别采取不同的策略进行知识整合。对属于必须掌握的基础理论知识，需要进行详细的理论讲解和实证，便于学生准确地掌握。对综合应用知识，则辅以成功应用的工程实例进行说明，保证学生通过思考后能够正确理解和接受。对于需要通过实践才能掌握的知识，则需安排相应的实验环节，让学生在实际操作中对知识点有准确的感受和把握。最后，对于属于创造创新性知识，则需多联系科学发现、科研进展状况，引入不同学科知识和多样化的设计方案，提高学生的学习兴趣，达到促进“双创”能力培养的目标。

（二）改革教学方式，加强综合性实践训练

本课程教学具有很强的实践性和课堂展示性，灌输式教学已无法对全部知识点做出讲解，更不利于学生独立思考和创新能力的培养。改变重讲授、轻实践的教学模式，将具有高实践性的知识改为实验教学。通过教学和实践的不同减增，改变的不仅是知识获取方式，也更符合学生的认知规律。教学方式的改变不仅仅是讲授时间上简单地减少，还应按照不同的知识层次开展教学，改善课堂氛围提高学习效果。对已经详细解释的基础知识，减少讲解鼓励学生自学、自查、自纠，达到掌握的目的。对于综合应用知识，需要通过对应用实例讲解去启发学生进行讨论和探索，提高学习热情和参与度以提高教学效果。实践环节则不仅有实际实验操作，还可以进行虚拟实验，通过观察验证等方式获取知识，同时必须增加综合性实验和课程设计环节，培养学生的多学科交叉能力和复杂工程问题解决能力。对于创造创新性知识，更多地鼓励学生自由探索，充分调动他们的学习兴趣和独立思考精神。

（三）多样化考核方式，注重学习过程评价

课程考核用于检验学生对课程知识的掌握程度和运用能力，评定课程教学目标的达成度。为全面检验课程教学情况提高实践环节权重，这里将学习成绩和课程设计分别考核。学习成绩主要反映对课程知识掌握和综合运用情况，主要构成部分有平时作业、课内实验、综合训练、期末成绩，所占总成绩的比例分别为15%、15%、20%和50%。课程考核方式变化见表1。除了增加课内实验和综合训练环节外，期末试题类型也进行改变。以知识记忆为主的题目只占试题总分的30%~40%，而以考察学生知识运用能力的分析、设计类题目则占比60%~70%，大大提高分析和解决问题能力的考核。最终的评定成绩将用于计算各个课程目标的达成度，并用于对课程整体教学效果的评价。

（四）改革课程设计，突出创新能力培养

为加强课程设计综合实践的学习效果，课程组从设计题目、组织实施、考核方式三方面进行了改革尝试。设计选题上改变了已往采用的大载荷机械传动强调力和强度计算校核，突出仪器专业所需要的轻载机构，更加注重传动精度和结构设计。如选用机械式百分表、压力表、光学比较仪、二维精密平台等，在满足课程目标要求的前提下，鼓励学生进行探索性研究———引入光、电、控制等知识进一步提高机构的精度。课程设计时间由3周延长到15周，改集中进行为分散时段开展，避免因时间仓促而引起的照抄作业、敷衍了事的情形。在课程开始后就布置设计任务，每周安排定期检查设计进度并对所面临的问题进行集体讨论。在时间充裕的基础上，允许自主提出具有实际应用背景的设计题目和尝试更具有创新性的方案，充分调动学生参与课程设计的积极性。在组织方式上鼓励以项目小组方式完成任务，通过组内分工协作逐步培养团队意识和合作精神。考核方式除了提交设计报告、图纸、说明书等相关资料外，特别设置小组答辩环节对整体设计任务完成情况和个人的贡献分别进行评定，杜绝抄袭现象。答辩环节的资料整理和讲述进一步锻炼了学生的独立思考和表达能力。

（五）加强课程思政，坚持“立德树人”根本任务

课程思政是当前高校专业教育改革的新趋势[6-7]。在专业课程教学中对学生进行价值观、职业素养和爱国主义教育是新工科教育培养高素质综合型人才的必然要求。因此需要充分梳理、挖掘课程教学环节中蕴含的思政元素，并转化为教学载体融入专业课程，“润物细无声”，为课程教学引入新内容、新问题、新思考。例如在机构传动教学中引入中国古代机械设计辉煌成就：地动仪、木牛流马等，以及现代国家重大装备包括大飞机、高铁、航空器等，提高对中国文化的自信、自豪和自强的意识。进一步通过机械史与国家历史结合，让学生真实地感知“落后就要挨打”“科学技术是第一生产力”，面对困难需要明白所肩负的责任，并具有勤奋钻研的奋斗精神。在课程设计环节，引入世界工程科技历史上由于细小误差导致的严重后果和灾难事例，教导学生一个工程师所应具有的职业操守：高度的责任感和严谨细致的态度。实验和课程设计中鼓励学生进行团队合作，不仅是培养他们的团队意识和协作能力，更注重通过相互间的交流、沟通、协调过程促进对团体行为做出哲学性的思考，形成正确的判断力和价值观。强化课程思政需要对课程教学活动进行改革，不断挖掘新的思政元素并融入教学，真正做到学习工程科学技术的同时“立德树人”。

三、结束语

新工科教育要求改革高校工程教育，培养适应新形势的工程技术人才。全面深入开展课程教学改革是提高教学效果、推动工程教育内涵发展的必然选择。本文通过对精密机械与仪器设计专业基础课教学中存在的问题进行梳理和总结，从课程内容、教学方法、考核方式、课程设计、课程思政五个方面分别进行探讨，说明了精密机械课程教学改革的要求和方向。课程内容重组将散乱的知识点整合为完整的体系，突出专业特点，适应教学要求。课程教学中需改变重讲授、轻实践的方法，分层次分类别地开展教学活动。考核方式则改变单一考试为多环节考察，分别评价课程教学目标的达成度。课程设计应体现实践环节要求，提升学生参与程度和学习效果。课程思政通过将知识背后的思政元素融入课堂，对提高学习兴趣、培养职业素养和爱国精神都有重要意义。深化教学改革需要按照新工科教育的新理念和新模式展开，全面提升教学效果，培养具有创新意识的综合性工程技术人才。

参考文献

[1]陆国栋，李拓宇.新工科建设与发展的路径思考[J].高等工程教育研究，2017（3）：20-26.

[2]李少年，魏列江，梁金梅，等.测控技术与仪器专业新工科实践教学体系构建探索[J].大学教育，2020（12）：53-55.

[3]许贤泽，徐逢秋，鲁兴.精密机械设计MOOC+翻转课堂教学模式研究[J].大学教学，2020（6）：60-62.

[4]周怡琳，孔志刚，姚燕，等.基于线上教学平台的《精密机械与仪器》混合教学模式的改革探索[J].高教学刊，2020（20）：84-86+89.

[5]李庆玲，李艳.《精密仪器设计》课程教育中的多层次教育探索[J].科技创新导报，2017（33）：215-216.

[6]朱明.面向“中国制造2025”的课程思政教学改革探究[J].科教导刊，2019（27：）77-78.

[7]金晓怡，张航，杭鲁滨.“新工科”背景下《机械设计》课程思政教学建设[J].教育教学论坛，2019（42）：34-35.

作者：王小章 王晶 梁霖 李想 时雪皎 杨萍 赵立波 单位：西安交通大学机械工程学院