“精密測控系統”科創互動式課程教學改革與實踐

徐曉強，吳 悠，何知義，劉芝平，呂 鐸

（長沙理工大學汽車與機械工程學院 湖南 長沙 410115）

“精密測控系統”是一門以測量和控制系統為對象，全面闡述計算機測控系統整機原理和總體設計的專業課。大四學生為本課程的授課對象，其面臨的非學習因素激增，如考研、實習和找工作，部分學生學習熱情下降，由于還面臨畢業這一人生轉折，部分同學甚至會出現對未來的迷茫，這對于專業課教學非常不利。因此，針對大四學生的特點，如何通過教學內容和方法的調整激發學生的學習興趣成為迫切需要解決的問題。同時，大四學生較其他年級本科生也有其獨特優勢：專業知識體系構建已較完備，有一定的實踐經驗，同時具有充足的學習時間[1]。對于即將步入工作崗位或者研究生生活的學生，他們最感興趣的教學內容往往是學科方向的實際應用和前沿方向。因此，專業課一方面應和應用實踐緊密結合，另一方面也應緊跟本學科的發展前沿，盡可能地創造條件讓學生接觸到應用和科研第一線，培養學生的實踐能力和創新能力。

開展“精密測控系統”科創互動式課程教學改革與實踐，有利于啟發學生將課堂所學習的專業理論知識與科技創新融會貫通，激發學生的學習意愿，培養學生的創新思維，強化學生的實踐技能，全面提高學生在系統設計和解決復雜工程問題上的能力。

1 國內外研究現狀分析

習近平總書記2021 年在清華大學考察時指出：“中國要建設具有中國特色的世界一流大學，提高高校科技創新能力”，人才培養和創新能力的提升是建設一流大學的關鍵[2]。高校需要在立德樹人的基礎上，進一步提升科技創新能力，打造良好的創新氛圍，促進科技創新發展[3]。一流大學是指主要學科擁有學術大師，能夠規模化培養世界一流具備創造性基礎理論人才的大學，將培養學生的創新能力放在首位，以創新引領學習[4]，英美國家的頂尖研究型大學通常被認為是全球其他大學所學習和效仿的范本。波士頓學院Altbach[5]認為，世界一流大學應該具備卓越的科學研究能力，崇尚學術自治和自由，注重促進智力發展。廈門大學陳國福[6]指出，世界一流大學是指擁有一批大師級人物，能夠培養創新型科研人才，并產出服務于社會需求的原創性科研成果的頂尖級研究型大學。創新是推動一個民族向前發展的重要動力，是推動一個國家繁榮進步的不竭源泉，擁有創新能力的人才是國家核心競爭力的重要標志。培養大學生的科技創新能力不僅有助于大學生自身的成長和拓展，同時也是高校肩負的社會責任與歷史使命。因此，在各大高校積極推進“雙一流”建設，向創新型高水平大學邁進之際，本科專業課也應植入科技創新的基因，提升學生創新能力，為培養創新型人才做出貢獻。

與低年級本科生相比，大四學生的專業知識體系構建已較完備，更容易結合所學所思孕育出創新想法，創新方案中的原型設計和研討是非常重要的環節。隨著“互聯網+教育”的發展，不僅出現了一批慕課平臺，同時也催生了大量諸如TinkerCAD、Kaggle、飛槳AI Studio 這樣的在線科創平臺，在線科創平臺賦予了學生前所未有的在線仿真機會，電子設計、3D 建模、人工智能、大數據分析等技術應用都變得觸手可及，網絡形式的作品不僅可以便捷地分享給老師同學開展研討，甚至可以吸引全世界參與者的關注、評論和轉發。電子科技大學[7]將TinkerCAD 用于電子創新設計實踐，幫助學生快速完成產品原型設計，有效提高了教學效率和效果。墨爾本大學[8]將Kaggle 用于機器學習教學，平臺的社交屬性和游戲性設計成功地吸引了學生，在完成高挑戰度任務的過程中深化對理論的理解，學生在階梯型的挑戰過程中能保持持久的興趣和熱情。吉林大學[9]基于飛槳AI Studio 設計了項目式綜合性實踐教學方案，通過網絡教學對課堂教學進行了有效補充，實現了實踐到創新的進階提高，提高了教學質量。因此，借力在線科創平臺，幫助學生快速實現創新原型設計與研討分享，是實現專業課創新能力培養的有效路徑。

跟“精密測控系統”一樣，很多專業課的實踐環節主要靠幾次實驗課完成，但實驗課時十分有限，同時由于實驗條件的限制，學生的實踐經驗主要來自加工成箱的定制實驗，自由度被限制，不利于創新能力和實踐能力的培養。工業軟件的快速發展和成熟給學生實踐帶了極大的便利：北京航空航天大學[10]將工業軟件LiToSim 有限元軟件作為可視化工具服務于機械設計課程教學，定性展示關鍵零件在工作時的受力情況，并對其可能的失效模式進行分析，將其作為學生實踐研習的分析工具。東莞理工學院[11]將西門子工業軟件TIA 和PLCSIM 用于“PLC 原理及應用”的線上實驗教學實踐，提高了學生學習的自主性，取得了良好的教學效果。王海燕[12]將工業軟件Proteus 和Keil 軟件聯合使用進行單片機的課堂教學，大量的實踐實例得以通過動畫仿真演示，節約了硬件資源，而且提高了教學效率和質量。工業軟件的熟練掌握是新時代下學生進行科創活動的重要條件，例如，機械的設計加工離不開CAD/CAM軟件，有限元分析離不開CAE 軟件，計算機測控系統開發則離不開芯片開發調試軟件。CDIO 教育理念是近年來全球工程教育改革的最新成果，它包含構思（Conceive）、設計（Design）、實施（Implement）和運行（Operate）四個方面，是一種綜合性的教學模式。該理念強調工程教育應當注重實踐，以科技為基礎，并將教育過程融入產品/系統的全生命周期中。CDIO 工程教育模式的一個顯著特征就是實現了高校教育與工程實踐關系的重構——在繼續加強基礎理論學習的基礎上向關注生產實踐回歸[13]。因此，為實現學生創新實踐能力的提升，專業課應合理設置CDIO 課程實踐環節，培養學生運用現代工業軟件解決實際工程問題的能力。

針對目前“精密測控系統”課程教學對學生科創能力培養的不足，本教學改革旨在滿足新時代高校人才科技創新所需的能力要求，聚焦工科院校機械類專業課，從“精密測控系統”課程內容、在線科創平臺建設和工業軟件綜合運用開展課程改革和實踐，旨在建設能夠支撐本碩銜接、面向產業應用需求的專業課程教學體系。教改研究將為大力推進創新教育，積極構建協同創新育人體系提供一定的參考，具有重要的理論意義和現實價值。

2 教學改革實施方案

“精密測控系統”科創互動式課程教學改革與實踐，將以“科創互動”為主線進行三方面的改革和實踐，啟發學生將課堂所學習的專業理論知識與科技創新融會貫通，激發學生的學習意愿，培養學生的創新思維，強化學生的實踐技能，全面提高學生在系統設計和解決復雜工程問題上的能力，總體實施方案如圖1（p128）所示。

圖1 課程教學改革與實踐總體實施方案

2.1 課程內容與時俱進，調動學生的學習積極性

進行課程內容改革，將課程中與前序課程“機電微控制器技術”和“測試技術”中較重復的內容進行剔除，壓縮“測控通道及其接口設計”章節內容，聚焦整機原理與設計，突出課程特色，并添加“精密測控系統”涉及的科技前沿發展和工業應用內容，如閉環伺服系統設計、網絡化測控、激光干涉測量技術等，使課程內容與時俱進，緊扣前沿發展，提升課程對學生的吸引力。

另外，從內容相關的原理、驗證、應用和人物事跡多個維度深入挖掘“精密測控系統”的思政要素，將知識傳授與價值觀建設緊密結合，在知識傳授中完成價值觀的同頻共振。表1 為部分“精密測控系統”在申請人教學反思過程中形成的思政案例。

表1 “精密測控系統”思政案例

2.2 課程在線科創平臺建設，培養學生的創新能力

建設基于TinkerCAD課程在線科創平臺，平臺支持跨平臺網頁瀏覽器訪問，設計模塊包括各類常用芯片、傳感器和執行器，用戶可以直接搭建電路并對芯片編程，通過仿真運行實現創意設計，所有的設計都被存檔于云端，這使得師生之間可以便捷地共享作品。圍繞測控系統中芯片、傳感器和執行器的應用建設一批高質量的案例，用于課程的示教，帶領學生嘗試不同的解決方案，分析方案的可行性和對系統性能的影響。通過任務驅動和線上研討的方式，讓學生在平臺完成和提交測控系統的原型設計，教師則可以訪問學生的全部設計并輔助修改，將優秀案例進行分享與開展研討。另外，教師可結合自身在測試領域的科研課題開設專題講座，邀請測控領域的學者進行科普講座，介紹精密測控系統的前沿發展技術，教導學生如何在測控領域開展科研工作，通過實際案例啟發學生如何發現問題、分析問題、解決問題，助力本碩銜接。

2.3 現代工業軟件助力學生創新實踐能力的提升

教師基于現代工業軟件構建“精密測控系統”課程的CDIO 綜合實踐方案，分小組布置CDIO 三級項目任務，項目內容聯系生產生活實際，同時對新穎性和復雜度提出要求，小組開展調研并討論確定選題，往屆選題有：水位檢測控制系統、智能窗簾控制系統、溫控散熱風扇、機床高溫遙控保護系統、溫濕度檢測與施水系統、智能電子密碼鎖、煙霧報警器等。小組成員分工協作，共同完成原理圖設計、元器件選型、接口電路設計、代碼開發和系統調試，使用Proteus 和Keil 等工業軟件完成對測控系統設計的原型開發和仿真測試，提供條件讓學生完成實物系統搭建并在課堂進行匯報展示，匯報后設有互動提問環節，項目的評分結果由學生互評確定。工業軟件廣泛應用于各個產業，畢業生對工業軟件的開發能力、集成能力和應用水平是其在用人市場的重要競爭力，通過“CDIO 理念+工業軟件”提升學生的測控系統綜合設計與開發水平，助力學生提升實踐能力。

3 結語

大四學生面臨的非學習因素激增，學生學習熱情下降，還面臨畢業這一人生轉折，部分同學甚至會出現對未來的迷茫，對于專業課教學非常不利。對于即將步入工作崗位或者研究生生活的學生來說，他們最感興趣的教學內容往往是學科方向的工業應用和前沿研究方向。因此，專業課開展科創互動式課程教學改革與實踐，一方面需要通過教學內容改革調動學生的學習積極性，另一方面課程教學與應用實踐結合緊密，緊跟本學科的發展前沿，讓學生接觸到應用和科研第一線，充分培養了學生的創新實踐能力。

在我國大力發展新工科的背景下，科技創新能力培養成為工科院校機械類專業課專業人才培養的重要目標，本文以大四專業課“精密測控系統”科創互動式課程教學改革與實踐為例，介紹了三方面的教改舉措：①課程內容與時俱進，融入課程思政要素，調動學生的學習積極性；②課程在線科創平臺建設，構建課程的創意分享空間，培養學生的創新能力；③“CDIO 理念+工業軟件”團隊協作完成CDIO 三級任務助力學生創新實踐能力提升。本教學旨在建設能夠支撐本碩銜接、面向產業應用需求的專業課程教學體系，為推進創新教育，積極構建協同創新育人體系提供了一定參考。