《微機電系統與微細制造》精品課程建設思考

房曉龍 李寒松

【摘要】為主動服務戰略新興產業轉型升級、電子產業自主可控迫切需求，結合新工科高等工程教育新理念、微機電系統與微細制造技術發展趨勢、后疫情時代混合教學需求，思考通過豐富教學內涵、改革教學模式、強化實踐操作、改進評價機制、虛擬仿真實驗等，培養學生的綜合工程素養和創新實踐能力。

【關鍵詞】新工科? 微機電系統? 微細制造? 混合教學? 實踐? 評價機制

【基金項目】南京航空航天大學研究生國際化精品課程建設項目（2019YGJKC04）。

【中圖分類號】G64 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2021）04-0148-03

微機電系統與微細制造是一門涉及微電子學、信息學、材料、能源、制造、測試以及納米技術等多個學科的交叉學科，其技術體系紛繁復雜，且新技術方法層出不窮。以微細特種加工技術為代表的制造方法，在光、電、信息、芯片制造中正逐步承擔更多的加工任務，產業自主可控、需求升級和新技術發展對機械工程專業學生培養提出了新的要求。“新工科”高等工程教育要求一線教師主動求變，接受新理念、采用新方法、體現新時代特征，培養國際化復合型工科人才。

一、國內外現狀

以作者在美國伊利諾伊大學香檳分校機械系（該校機械工程本科專業2019年US News排名第6）訪學調研情況為例：該校機械系本科生畢業需完成通識教育、基礎課、專業課、課程設計等四類128個學分學習。其中，需要選修兩門高階專業課程。微機電系統與微細制造是4學分的高階選修課，教學內容主要是包括光刻、硅加工、增減材工藝、刻蝕、封裝等。課程組織形式包括：27次課堂教學（80分鐘/次）和10次實驗課（2-3小時/次）。課程考核方式包含：2個大作業（占總成績25%）、2次隨堂考試（占總成績40%）、平時作業（占總成績10%）、期末考試（占總成績25%）。美國以及國內高校微機電系統與微細制造課程大多是以介紹半導體光刻工藝技術為主，對其他技術方法的介紹普遍較少。國內大學通過混合式立體化教學、慕課、微課等新的形式在教育教學模式上做了初步嘗試。

南京航空航天大學機電學院依托江蘇省精密與微細制造技術重點實驗室，在金屬材料微器件微細特種加工方面建設有一批特色試驗裝備。但受課時、實驗教學資源等限制，微機電系統與微細制造課程教學目前仍存在幾個突出矛盾：1.課程內容博雜和課堂教學時間偏短的矛盾;2.實驗教學資源有限與實踐能力培養的矛盾;3.傳統教學內容與新技術方法層出不窮的矛盾。因此，開展新工科背景微機電系統與微細制造教育教學改革迫在眉睫。作為技術型專業課，實踐操作能力培養也應該是本課程教育教學的重點任務。

二、基本對策

結合微細加工技術發展趨勢和本校機械工程專業微細制造研究特色，筆者認為開展新工科背景微細加工技術教育教學改革，可以從以下幾個方面進行：

1.以微細特種加工研究特色，豐富教學內容。教學過程充分發揮本校機械工程專業在微細特種加工領域的研究特色，一方面豐富學生的學緣結構、激發學習興趣，另一方面借助硬件條件培養學生的實踐操作能力。教學融入微細特種加工領域成熟、最新研究成果、案例。例如，由金屬梁微結構加工可擴展到微細電解線切割技術在撓性彈性敏感元件加工中的成功應用。

2.借助團隊大作業，將實踐操作貫穿整個課程學習過程。首先，精心設計實踐教學大綱，充分利用科研硬件資源：如增加顯微鏡操作、微器件檢測等現場教學內容，提高學生對微機電系統與微細制造的直觀認識。通過大作業，對學生分組，以完成加速度傳感器、微流道器件制作為目標，根據課堂教學進度分解工藝流程，學生在不同階段依次完成器件的設計、模板制作、加工、封裝等實踐操作，最后進行成果展示推介。

3.學生中心化，鼓勵自主學習。學生既是課程的學習者，也是課程發展的參與人員，應鼓勵學生組織自己的課堂、展示自我風采。微機電系統與微細制造技術體系紛繁復雜，而課堂教學內容有限。鼓勵引導學生以小作業形式進行課外自主學習，歸類整理近年來最新研究成果，挑選優秀內容公開分享。碎片知識可作為其他學生學習的有益補充。此外，可通過微信程序補充自學內容，并進行線上考查。

4.改進評價機制。在課程的各個階段，做好記錄;綜合個人大作業、團隊大作業、微信平臺自主學習、考試等全面考查學生的創新能力、實踐能力、協作能力。

三、線上線下混合教學課程建設

因突發新冠肺炎疫情，全國所有高校的2020年春季學期教學計劃安排均面臨了極大困難與挑戰。在“互聯網+富媒體”背景下，開展后疫情時代混合式教學模式創新與實踐，應成為未來教育的“新常態”，進行線上線下混合式教學模式和策略“再設計”。運用開發智慧教學工具，建設豐富線上教學資源，為學生創設積極的學習體驗，鼓勵學生主動學習，構建自己對知識的理解運用。

線上線下混合教學在教學過程設計、教學方法選擇等方面與傳統課堂教學有很大差異。教師不僅要設計全新的教學過程，建立新形態下的教學資源，采用全新的教學方法，還要熟悉相關的線上平臺，掌握多種形式的線上智慧教學工具。具體來說，作者認為應從以下幾方面展開：

1.建立線上教學資源。收集微機電系統領域的新進展、應用案例、視頻資源、習題庫等，再根據實際情況分章節制作線上學習任務清單、微視頻、教學教案。

2.課前線上預習：針對課前線上預習的目的和特點，制作圖、文、聲、影并茂的線上預習教學資源，通過加工技術原理動畫、技術產生和發展故事、經典案例等方面，讓學生對加工方法建立起基本概念，激發學生思考該加工方法的適用場合。在預習結束后設置師生互動的開放性習題，便于老師知曉學生對線上預習資源的興趣點，掌握學生感興趣的案例，對后續課堂教學起指導作用，也為進一步更新和優化線上預習資源奠定基礎。

3.課堂混合教學。根據其他課程教學經驗，擬采用超星學習通、雨課堂等智慧教學平臺作為混合教學工具。課前，學生通過精品課程平臺、電子書預習，完成學習任務;課堂教學時，借助雨課堂記錄課堂情況（簽到、測試、成績統計），借助彈幕、搶答等互動方式提高課堂活躍度;課后，學生可以通過雨課堂回放功能溫習。

4.線上線下混合實驗：探索線上線下結合的個性化、智能化、泛在化實驗教學新模式。制作各種微細制造方法的演示試驗視頻，用于線上學習;制作南航特色微細加工方法的演示視頻，用于課堂串講;在實驗室現場演示、展示豐富的加工樣件，并進行講解剖析;籌劃開發特色加工案例虛擬仿真實驗平臺。

5.考核方式改進。特別需要指出的是，應提高平時成績在總成績中的比重，可通過雨課堂來記錄隨堂測驗成績作為平時成績，來衡量學生的課堂表現，激發學生的學習主動性和積極性。課堂測驗題目多選擇重要知識點或難點，再通過習題講解、教學討論起到鞏固強調作用。擬采用的各環節考核比例如下：線上學習表現（學時、測試）：15%;課堂學習表現（課堂表現、測試）：30%;分組實例互動：15%;考試（卷面成績）：30%;實驗報告：10%。

四、虛擬仿真混合實驗建設

虛擬仿真實驗能夠有效解決微機電系統與微細制造實踐教學過程中出現的經費有限、實驗資源有限等問題。例如，建設超凈間、購買光刻機、實驗室運行維護需要大量經費;光刻膠、掩膜板制備等屬耗材費用高、操作存在一定危險性的實驗操作;化學試劑使用不當存在毒氣泄露的可能;完整器件制作存在工藝的全過程實踐等問題，虛擬仿真教學完全可以輕而易舉的加以解決。

對學生來說，可以提前安排預習認知時間，制定學習目標和學習規劃，深入認識并借助虛擬仿真教學軟硬件平臺，提升自身實踐與創新能力。虛擬仿真實驗學習隨意性增加，可能達不到預期的教學效果。對教師而言，需要適應新的教學方式，設計虛擬仿真教學過程，成為虛擬仿真教學過程的監督者和引導者。通過虛擬仿真教學方法，實現教師與學生的充分互動、深度融合，可取得理想的教學效果。具體做法如下：

1.線上實驗課程。基本操作型實驗教學全部由虛擬仿真實驗教學項目組成，涵蓋光刻、硅加工、增減材工藝、刻蝕、封裝等工藝流程的教學視頻、操作平臺。

2.線上線下混合式實驗課程。由現場演示實驗和虛擬仿真實驗教學項目組成，在演示實驗的選擇方面，應保留內容優質、綜合性強、體現南航研究特色的實體實驗教學項目。通過優化實體實驗項目的內容，減少實體實驗項目的學時，為引入先進的虛擬仿真實驗項目騰出空間。

五、預期效果

通過線上線下混合教學，預期能達到以下效果：

1.課前、課中、課后定位明確，功能規劃合理。明確劃分了課前、課中、課后的功能，從課前預習的“初見”，到課堂學習的“相識”，到課后復習和互動中的“相知”，充分發揮出線上線下混合式教學模式的優勢，實現優勢互補，便于充分激發學生的主觀能動性，使學生從被動聽課向主動參與轉變。

2.系統構建線上線下教學資源，教學資源豐富。在充分收集網絡資源的基礎上，對資源進行系統整理和重建，采用配音PPT、短視頻、短動畫等多種表現形式，對相關知識點進行圖、文、聲、影并茂的介紹和展示，充分調動起學生的興趣，提升線上線下教學效果。

3.加強線上線下互動，激勵學生解決實際問題。通過設計分組大作業、小作業，讓學生在規定的加工目標下分組查閱資料，研討加工方案，并對加工方案進行可行性分析，使學生親身參與“工藝攻關”，實現知識點掌握程度從“知曉”到“會用”的跨越。

最終，通過線上教學平臺、教學資源建設，線上線上混合課堂教學、實驗教學形成具有專業特色的課堂教學、實踐教學、現場教學、實踐教學內容;形成個人、團隊大作業相結合的自主學習、團隊學習模式;形成學習全過程綜合素養評價體系。本課程的成功嘗試與總結提高，對于其他技術型專業課程有借鑒作用，有助于解決其他課程存在的類似困境。

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作者簡介：

房曉龍（1987-），男，漢族，江蘇如皋人，副教授，博士，研究方向：精密微細特種加工技術。