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摘 要：依据测控技术与仪器专业对本科应用型人才的培养目标，在精密仪器设计课程中对教学环节和学生培养展开由理论到实践应用并鼓励创新的多层次教学模式的探索，将该教学模式通过基础理论教学、课堂案例讲学、课后前沿技术探索和课程设计四个层次来实现，促进强理论、重实践、勤思考的应用型人才培养目标的达成。
关键词：精密仪器设计 教学研究 多层次 应用型人才
中图分类号：G6 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）11（c）-0215-02
现代精密测量技术是一门集光学、电子、机械、材料、计算机为一体的综合性交叉学科。随着科技的进步，特别是微电子技术、宇航工业、材料科学、生物工程等领域的发展，为精密仪器提供了广泛的研究和应用领域[1]。精密仪器设计课程是测控技术与仪器专业必修核心课程。该课程一方面通过向学生讲授现代精密仪器设计基础理论与方法，精密仪器当代发展水平和研究成果，使学生充分了解和掌握精密仪器的学术动态和最新成就。另一方面通过精密仪器设计课程设计对学生在设计环节的实际训练，加深学生对课程基础知识的理解和运用，使学生掌握光、机、电、计算机技术相结合的精密仪器总体设计基础理论知识，学会如何从设计任务出发进行总体设计的方法，并具有一定的精度设计能力。为仪器仪表行业培养具有坚实的理论基础、较强的独立工作能力、勇于探索、富于创新的仪器专业人才。
1 测控技术与仪器专业本科生培养目标
我校测控专业对本科生的培养目标为培养学生系统掌握传感、检测、分析与控制等相关的信息获取、处理与利用的基础知识、基本理论与基本技能，具有测控系统与仪器设计和实践应用能力，具有创新意识、自主学习能力，具有国际视野和团队协作精神，能够在国民经济相关领域从事测控仪器与系统相关的科学研究、技术开发与工程应用等工作的专门人才。精密仪器系统作为信息测量、分析处理与信息利用的综合性光机电算系统，其设计体现了该培养目标的实施过程。
2 精密仪器设计课程的特点
与传统的仪器设计不同，进入信息化时代的现代精密仪器具有信息化、智能化、集成化的发展趋势，因此精密仪器设计课程教学围绕精度理论这一核心技术指标，在总体设计的全局方向性指导下，对精密仪器系统的各个组成部分进行展开学习，包括实现精密仪器高精度的基础——精密机械系统；实现亚微米、纳米级精度的关键技术——微位移技术；保障仪器高精度的定位与测量系统；精密仪器的基准——瞄准与对准系统；现代精密仪器的重要组成部分——光学系统以及实现仪器自动化不可缺少的自动调焦技术和微纳制造前沿——微机电系统等。在教学中所面临的主要问题有：
（1）该课程作为专业核心选修课，综合了本科前阶段所学的机械、电子、光学、计算机等各门课程内容的深入学习和应用，覆盖面广，涵盖知识全面，因此对学生专业基础的要求较高。学生学习基础不同，如何做到坚持面向全体，坚持因材施教，共同完成培养目标，是值得思考的问题。
（2）现代精密仪器系统是达到微纳精度指标的功能性系统，是信息时代和各学科新技术发展对传统量测仪器推动的产物。因此在其设计过程中不仅要教会学生掌握通用的科学设计方法，而且要为学生创造学习渠道，运用前沿、热门技术完成仪器设计并正确估算和分析仪器的精度。
因此，在该课程的教学过程中设计由基础理论到实践应用并鼓励创新的多层次教学模式，该模式将教学过程分为课堂基础理论讲授、课堂案例讲学、课后前沿技术探索以及课程设计四个层次，每个阶段完成相应的教学目标[2]。下面分别介绍各部分的实施。
3 多层次的《精密仪器设计》教学模式
3.1 基础理论教学
精密仪器设计主要讲授精密仪器的总体设计、仪器的精度理论和对其他光、机、电、算课程相关知识与技术的运用，所涉及到的知识面广、内容多。而学生对各门相关课程的掌握程度不同，理论水平参差不齐，在此类综合性课程的学习中学生差异尤为凸显。因此精密仪器设计课程的基础理论教学，乃至后续的实践教学中应注意總体培养目标的达成，在面向全体学生提高学习兴趣和主动参与度，掌握精密仪器设计基本方法的基础上为学生提供更多的学习途径扩展专业视野，接触行业前沿并主动钻研技术要点。
针对课程的基本概念和理论性内容，采用多媒体课件讲授，特别是一些通过图形说明的原理性内容，其形象、直观、生动的特性可以帮助学生快速理解和掌握，例如精密机械与仪器的各种基本设计原则，仅靠文字描述学生很难理解与记忆，通过多媒体课件将文字进行图形举例，能够快速地抓住学生注意力，克服畏难情绪，保持对课程的学习热情[3]。针对基础薄弱的学生，教师通过讲解、提问的辅导式教学方法激发学生的学习积极性，扎实掌握精密仪器设计的基本理论与方法，顺利达成课程学习目标。针对综合能力较强的学生，采用启发式提问和任务布置的指导式教学方法，培养学生独立思考问题，提出问题并解决问题的能力。
3.2 课堂案例讲学
精密仪器设计课程中所涉及到的基础理论知识丰富，原理性内容过深过细，新技术信息含量偏少，另一方面该门课程的课程目标为培养学生设计一种精密仪器，培养学生分析和解决问题的能力，掌握精密仪器的设计方法和过程。围绕应用型人才的培养目标，课堂教学中融合案例教学方法，将精密仪器系统各子系统的典型应用案例与各个基础理论知识点结合讲解，特别是结合科技发展新动态，将前沿的科研成果融入课堂教学，有助于学生夯实基础理论，促进学生专业视野的扩展。比如在微位移技术章节的教学环节中，不仅在微位移机构、微动工作台驱动器件原理、微动工作台的设计和特性分析等各个环节融入大量实例，并且结合相关技术科研成果，以微桌面工厂中的微位移技术作为前沿拓展，从原理到应用向学生讲解压电陶瓷驱动器驱动微位移机构完成微米级零件装配系统的设计，大大地激发了不同基础学生的学习兴趣，增强了学生的学习兴趣和专业认知，强化了对精密仪器设计相关理论的学习和把握。 3.3 课后前沿技术探索
精密仪器设计课程作为一门综合性课程，仅仅依靠课堂授课的40学时让学生透彻掌握并灵活运用仪器设计方法是远远不够的，且随着科技发展的日新月异，精密仪器设计教学内容更新很快，教师在课堂讲授的前沿技术内容有限，学生被动接收新知识，缺乏主动参与。因此为拓宽学生学习领域和专业视野，充分了解本专业及本课程的研究前沿，教师以本课程相关新技术、新系统为命题向学生布置课后作业，深入了解新技术、新系统原理、关键技术和应用，并通过PPT演示材料的形式在课程设计过程中抽取4个学时进行部分材料的报告交流，能够普遍性地培养学生的信息素养和对科技前沿信息的主动获取、处理信息与交流信息的专业综合素质。对于积极探索能力较强的学生，本环节还有助于挖掘学生的专业兴趣，并培养其发现问题和主动思考问题的能力，为大学生创新创业训练、毕业设计等下一阶段的教学环节积累基本的综合研究素养。
3.4 课程设计
精密仪器设计课程设计作为一门独立的实践课程在精密仪器设计的课堂授课全部结束后进行。这一阶段的主要目标是进行设计环节的实际训练，加深学生对课程基础知识和基本理论的理解进而掌握，培养学生综合运用所学知识的能力，使其在理论、分析、设计、计算等方面的能力得到初步训练，从而培养学生工程意识，促进学生养成严谨求是的科学态度。课程设计课题的选用以本科生培养目标为指导，为保障全部学生对课程设计的完成度，课题的选取具有普遍性和实践性，一方面契合课程的理论教学内容，将所学各章节知识点在设计中全面应用，另一方面符合专业的应用背景和生产实际。课程设计采用分组开展的形式，基础薄弱的学生可根据命题通过讨论交流的形式向组内成员学习，基础好的学生发挥主观能动性，在命题系统设计的各个环节进行更加深入透彻的分析，并通过第三环节的训练提升学生在该环节的设计水平，最终独立形成课程设计报告，任课教师根据学生的课程设计报告材料和口述设计思路以及设计过程情况进行评分。该环节进一步督促了学生对该课程的主动参与度，巩固理论学习的同时对生产实际和工程应用进行了有效的衔接。
经过一系列由理论学习、课外探索到实践应用设计的多层次学习过程，增强了本科生对本门课程的学习兴趣，调动了学生的学习积极性，并全方位地培养了学生的专业素质，特别是有学生主動参与的教学环节，在精密仪器研究前沿的探索和总结过程中，还锻炼了学生撰写PPT演示材料的能力和开展科技报告的能力，课程设计报告的撰写提升了学生对科学研究材料的书写能力，在小组成员共同完成课程设计的过程中培养了学生的团队协作能力，这些都是综合型人才应该具备的基本要素，也是后续课程、毕业设计乃至未来工作、深造所必须具备的素养。在进一步的教学改革和研究中，以培养更具创新能力的综合型人才为目标，继续在该门课程中对学生实践手段多样性的开发和学生创新能力培养方面进行探索，提升《精密仪器设计》课程的教学质量和教学水平。
参考文献
[1] 李庆祥，王东升，李玉和.现代精密仪器设计[M].北京：清华大学出版社，2009.
[2] 周伟明，韩晋辉.精密仪器分析“点线面”教学探索[J].广州化工，2010，38（6）：281-282.
[3] 吴玲玲，陈靖.精密仪器设计课程教学中多媒体的合理运用[J].中西部科技，2010，9（33）：91-92.
关键词：精密仪器设计 教学研究 多层次 应用型人才
中图分类号：G6 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）11（c）-0215-02
现代精密测量技术是一门集光学、电子、机械、材料、计算机为一体的综合性交叉学科。随着科技的进步，特别是微电子技术、宇航工业、材料科学、生物工程等领域的发展，为精密仪器提供了广泛的研究和应用领域[1]。精密仪器设计课程是测控技术与仪器专业必修核心课程。该课程一方面通过向学生讲授现代精密仪器设计基础理论与方法，精密仪器当代发展水平和研究成果，使学生充分了解和掌握精密仪器的学术动态和最新成就。另一方面通过精密仪器设计课程设计对学生在设计环节的实际训练，加深学生对课程基础知识的理解和运用，使学生掌握光、机、电、计算机技术相结合的精密仪器总体设计基础理论知识，学会如何从设计任务出发进行总体设计的方法，并具有一定的精度设计能力。为仪器仪表行业培养具有坚实的理论基础、较强的独立工作能力、勇于探索、富于创新的仪器专业人才。
1 测控技术与仪器专业本科生培养目标
我校测控专业对本科生的培养目标为培养学生系统掌握传感、检测、分析与控制等相关的信息获取、处理与利用的基础知识、基本理论与基本技能，具有测控系统与仪器设计和实践应用能力，具有创新意识、自主学习能力，具有国际视野和团队协作精神，能够在国民经济相关领域从事测控仪器与系统相关的科学研究、技术开发与工程应用等工作的专门人才。精密仪器系统作为信息测量、分析处理与信息利用的综合性光机电算系统，其设计体现了该培养目标的实施过程。
2 精密仪器设计课程的特点
与传统的仪器设计不同，进入信息化时代的现代精密仪器具有信息化、智能化、集成化的发展趋势，因此精密仪器设计课程教学围绕精度理论这一核心技术指标，在总体设计的全局方向性指导下，对精密仪器系统的各个组成部分进行展开学习，包括实现精密仪器高精度的基础——精密机械系统；实现亚微米、纳米级精度的关键技术——微位移技术；保障仪器高精度的定位与测量系统；精密仪器的基准——瞄准与对准系统；现代精密仪器的重要组成部分——光学系统以及实现仪器自动化不可缺少的自动调焦技术和微纳制造前沿——微机电系统等。在教学中所面临的主要问题有：
（1）该课程作为专业核心选修课，综合了本科前阶段所学的机械、电子、光学、计算机等各门课程内容的深入学习和应用，覆盖面广，涵盖知识全面，因此对学生专业基础的要求较高。学生学习基础不同，如何做到坚持面向全体，坚持因材施教，共同完成培养目标，是值得思考的问题。
（2）现代精密仪器系统是达到微纳精度指标的功能性系统，是信息时代和各学科新技术发展对传统量测仪器推动的产物。因此在其设计过程中不仅要教会学生掌握通用的科学设计方法，而且要为学生创造学习渠道，运用前沿、热门技术完成仪器设计并正确估算和分析仪器的精度。
因此，在该课程的教学过程中设计由基础理论到实践应用并鼓励创新的多层次教学模式，该模式将教学过程分为课堂基础理论讲授、课堂案例讲学、课后前沿技术探索以及课程设计四个层次，每个阶段完成相应的教学目标[2]。下面分别介绍各部分的实施。
3 多层次的《精密仪器设计》教学模式
3.1 基础理论教学
精密仪器设计主要讲授精密仪器的总体设计、仪器的精度理论和对其他光、机、电、算课程相关知识与技术的运用，所涉及到的知识面广、内容多。而学生对各门相关课程的掌握程度不同，理论水平参差不齐，在此类综合性课程的学习中学生差异尤为凸显。因此精密仪器设计课程的基础理论教学，乃至后续的实践教学中应注意總体培养目标的达成，在面向全体学生提高学习兴趣和主动参与度，掌握精密仪器设计基本方法的基础上为学生提供更多的学习途径扩展专业视野，接触行业前沿并主动钻研技术要点。
针对课程的基本概念和理论性内容，采用多媒体课件讲授，特别是一些通过图形说明的原理性内容，其形象、直观、生动的特性可以帮助学生快速理解和掌握，例如精密机械与仪器的各种基本设计原则，仅靠文字描述学生很难理解与记忆，通过多媒体课件将文字进行图形举例，能够快速地抓住学生注意力，克服畏难情绪，保持对课程的学习热情[3]。针对基础薄弱的学生，教师通过讲解、提问的辅导式教学方法激发学生的学习积极性，扎实掌握精密仪器设计的基本理论与方法，顺利达成课程学习目标。针对综合能力较强的学生，采用启发式提问和任务布置的指导式教学方法，培养学生独立思考问题，提出问题并解决问题的能力。
3.2 课堂案例讲学
精密仪器设计课程中所涉及到的基础理论知识丰富，原理性内容过深过细，新技术信息含量偏少，另一方面该门课程的课程目标为培养学生设计一种精密仪器，培养学生分析和解决问题的能力，掌握精密仪器的设计方法和过程。围绕应用型人才的培养目标，课堂教学中融合案例教学方法，将精密仪器系统各子系统的典型应用案例与各个基础理论知识点结合讲解，特别是结合科技发展新动态，将前沿的科研成果融入课堂教学，有助于学生夯实基础理论，促进学生专业视野的扩展。比如在微位移技术章节的教学环节中，不仅在微位移机构、微动工作台驱动器件原理、微动工作台的设计和特性分析等各个环节融入大量实例，并且结合相关技术科研成果，以微桌面工厂中的微位移技术作为前沿拓展，从原理到应用向学生讲解压电陶瓷驱动器驱动微位移机构完成微米级零件装配系统的设计，大大地激发了不同基础学生的学习兴趣，增强了学生的学习兴趣和专业认知，强化了对精密仪器设计相关理论的学习和把握。 3.3 课后前沿技术探索
精密仪器设计课程作为一门综合性课程，仅仅依靠课堂授课的40学时让学生透彻掌握并灵活运用仪器设计方法是远远不够的，且随着科技发展的日新月异，精密仪器设计教学内容更新很快，教师在课堂讲授的前沿技术内容有限，学生被动接收新知识，缺乏主动参与。因此为拓宽学生学习领域和专业视野，充分了解本专业及本课程的研究前沿，教师以本课程相关新技术、新系统为命题向学生布置课后作业，深入了解新技术、新系统原理、关键技术和应用，并通过PPT演示材料的形式在课程设计过程中抽取4个学时进行部分材料的报告交流，能够普遍性地培养学生的信息素养和对科技前沿信息的主动获取、处理信息与交流信息的专业综合素质。对于积极探索能力较强的学生，本环节还有助于挖掘学生的专业兴趣，并培养其发现问题和主动思考问题的能力，为大学生创新创业训练、毕业设计等下一阶段的教学环节积累基本的综合研究素养。
3.4 课程设计
精密仪器设计课程设计作为一门独立的实践课程在精密仪器设计的课堂授课全部结束后进行。这一阶段的主要目标是进行设计环节的实际训练，加深学生对课程基础知识和基本理论的理解进而掌握，培养学生综合运用所学知识的能力，使其在理论、分析、设计、计算等方面的能力得到初步训练，从而培养学生工程意识，促进学生养成严谨求是的科学态度。课程设计课题的选用以本科生培养目标为指导，为保障全部学生对课程设计的完成度，课题的选取具有普遍性和实践性，一方面契合课程的理论教学内容，将所学各章节知识点在设计中全面应用，另一方面符合专业的应用背景和生产实际。课程设计采用分组开展的形式，基础薄弱的学生可根据命题通过讨论交流的形式向组内成员学习，基础好的学生发挥主观能动性，在命题系统设计的各个环节进行更加深入透彻的分析，并通过第三环节的训练提升学生在该环节的设计水平，最终独立形成课程设计报告，任课教师根据学生的课程设计报告材料和口述设计思路以及设计过程情况进行评分。该环节进一步督促了学生对该课程的主动参与度，巩固理论学习的同时对生产实际和工程应用进行了有效的衔接。
经过一系列由理论学习、课外探索到实践应用设计的多层次学习过程，增强了本科生对本门课程的学习兴趣，调动了学生的学习积极性，并全方位地培养了学生的专业素质，特别是有学生主動参与的教学环节，在精密仪器研究前沿的探索和总结过程中，还锻炼了学生撰写PPT演示材料的能力和开展科技报告的能力，课程设计报告的撰写提升了学生对科学研究材料的书写能力，在小组成员共同完成课程设计的过程中培养了学生的团队协作能力，这些都是综合型人才应该具备的基本要素，也是后续课程、毕业设计乃至未来工作、深造所必须具备的素养。在进一步的教学改革和研究中，以培养更具创新能力的综合型人才为目标，继续在该门课程中对学生实践手段多样性的开发和学生创新能力培养方面进行探索，提升《精密仪器设计》课程的教学质量和教学水平。
参考文献
[1] 李庆祥，王东升，李玉和.现代精密仪器设计[M].北京：清华大学出版社，2009.
[2] 周伟明，韩晋辉.精密仪器分析“点线面”教学探索[J].广州化工，2010，38（6）：281-282.
[3] 吴玲玲，陈靖.精密仪器设计课程教学中多媒体的合理运用[J].中西部科技，2010，9（33）：91-92.