課程思政與新工科導向的“測控儀器設計”教學改革

［摘 要］ 在新一代信息技術和人工智能推動全球新一輪科技革命的浪潮下，儀器科學與技術作為支撐智能信息新技術應用發展的重要支柱，成為世界強國布局的科技制高點。在這一大背景下，為培養新時代創新型儀器人才，服務國家高精尖產業發展，將課程思政與新工科理念融入測控技術與儀器課程教學活動中。通過重新設計課程教學目標、重構教學內容、創新教學方法，實現了思政元素、儀器前沿技術與專業知識的有機結合，取得了良好的教學效果。研究成果對激發學生自由探索、主動思考、敢于創新的思維活力，喚醒學生儀器報國的使命意識和責任感具有積極作用，可為其他工學類專業課程改革提供借鑒和參考。

［關鍵詞］ 新科技革命；課程思政；新工科；儀器設計；教學改革

［基金項目］ 2021年度北京信息科技大學高教研究項目資助“工科課程思政教育研究——以‘測控儀器與設計’課程為例”（2021GJYB19）；2022年度北京信息科技大學研究生課程建設項目“‘智能感知與自主系統’課程立體化建設”（5027011070）

［作者簡介］ 孫廣開（1984—），男，河北永清人，博士，北京信息科技大學儀器科學與光電工程學院副教授（通信作者），主要從事儀器科學與技術學科研究；牛海莎（1984—），女，河北石家莊人，博士，北京信息科技大學儀器科學與光電工程學院副教授，主要從事儀器科學與技術學科研究；吳思進（1979—），男，浙江樂清人，博士，北京信息科技大學儀器科學與光電工程學院副教授，主要從事儀器科學與技術學科研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）23-0057-04 ［收稿日期］ 2023-08-16

引言

當今，新一代信息技術和人工智能等新興技術正推動全球新一輪科技革命飛速發展，世界各主要大國發力向科技前沿沖刺，這必將重塑世界科技競爭格局。面對這一重大科技變革，“儀器”作為支撐新信息技術與人工智能產業發展的支柱之一，成為各國重點布局的科技制高點，是保障國家在本輪科技競爭和產業變革中占據主動的一塊基石。習近平總書記在主持召開中央財經委員會第二次會議時強調，關鍵核心技術是國之重器，必須切實提高我國關鍵核心技術創新能力，培育一批尖端科學儀器制造企業［1］。為實現這一目標，我國亟須培養一大批高精尖儀器人才。

“測控儀器設計”課程是測控技術及儀器專業的核心課程，講授綜合運用儀器、機械、光學、電學、控制、計算機等多學科知識來設計各類測控儀器的系統性工程，是培養儀器類專業本科生的總體性系統化思維與儀器創新設計能力的重要基礎課程，對培養高精尖儀器人才具有重要作用和意義。

新時代，面向培養高精尖儀器人才的國家需求，“測控儀器設計”課程建設面臨著一系列新挑戰、新要求，關鍵核心問題是如何將課程思政、新工科理念和前沿技術與測控儀器專業知識有機結合起來，培養兼具愛國情懷、國際視野、創新精神、科學素養和專業知識的高素質復合型儀器人才。本文總結了北京信息科技大學“測控儀器設計”教學團隊在課程改革中課程思政與新工科前沿的融入以及在教學目標、內容與方法等方面的思路、措施和成效，以期為儀器類課程的教學改革提供借鑒和參考。

一、課程教學面臨的主要問題

根據教學團隊近五年講授“測控儀器設計”課程的實踐經驗，反思新時代國家高精尖儀器人才培養的新需求，“測控儀器設計”課程教學面臨若干問題和挑戰，主要包括：如何培養學生對測控儀器設計開發的興趣和熱愛，強化學生儀器報國的使命意識，塑造學生勇于從事尖端儀器創新研發的擔當精神，是“測控儀器設計”課程教學面臨的關鍵問題，也是難點和挑戰之一；如何將前沿技術有機地融入“測控儀器設計”教學，激活學生的創新思維，讓學生能夠自主地學習前沿技術知識，主動思考利用這些前沿技術提高儀器精度和效率的方法，是本課程的另一個關鍵問題和挑戰；如何重構教學內容，將思政教育和前沿技術知識有機融入課程教學，同時創新教學方法，塑造學生儀器報國的使命意識和擔當精神，培養學生自主學習、主動思考創新、持續自我提升的高階能力，是本課程的長期目標，也是最大的難點和挑戰。

二、課程思政與新工科前沿的融入

“測控儀器設計”課程教學團隊針對當前課程教學面臨的主要問題與挑戰進行了一系列探索和實踐，重構了課程教學目標、教學內容和教學方法，將課程思政和新工科前沿有機融入課程教學全過程。

（一）課程教學目標設計

為使學生在建立測控儀器設計專業知識框架的同時培養其愛國主義情懷、擔當精神和適應前沿發展的創新思維，教學團隊對課程教學目標進行了重新設計，將“喚醒學生儀器報國的使命意識和擔當精神”“塑造學生適應前沿、自主學習、創新創造的高階思維”“綜合運用多學科知識設計測控儀器的專業能力”作為課程教學的三大核心目標［2-3］。

（二）課程教學內容重構

課程改革的核心是教學內容的改革。根據重新設計的課程教學目標，教學團隊對課程教學內容進行了重新設計，具體包括以下幾方面。

1.在《緒論》章節，重構了測控儀器發展史、現在和未來趨勢、國家的緊迫需求三個專業知識點。在測控儀器發展史知識點講授中，融入中國測控儀器溯源及發展與興盛的思政內容，樹立學生的文化自信；在測控儀器的現在與未來知識點中，重點講授前沿技術發展趨勢、當前的機遇與挑戰，引發學生辯證思考，培養學生的科學邏輯與創新思維；在國家的緊迫需求知識點講授中，從國家發展新信息技術與人工智能等高精尖產業對測控儀器的迫切需求出發，以兩彈一星元勛科技報國為例，喚醒學生儀器報國的使命意識和擔當精神。

2.在《儀器精度理論》章節，新增了我國超精密測量儀器面臨的挑戰、超精密測量儀器創新突破方向兩個知識點。在超精密測量儀器面臨的挑戰知識點中，重點講授國家計量測試體系不完整的整體性問題、專用測量手段嚴重缺失的碎片化問題、測量對質量支撐作用認識不足的精益化問題三大挑戰，并以3 nm光刻機、航空發動機、激光核聚變裝置、引力波探測裝置等國家急需的尖端裝備為例，融入儀器報國、精益求精、一絲不茍、技術扎實、工序嚴苛的思政元素，讓學生樹立從事精密儀器研發、服務國家急需的報國精神。在超精密測量儀器創新突破方向知識點中，從突破超精密測量儀器共性核心技術等方面，講授我國超精密測量儀器的創新發展方向，激發學生儀器報國的責任感和內生動力。

3.在《儀器總體設計》章節，將生態環保理念融入儀器總體設計，新增了節約原則、安全無害原則、可回收利用原則等儀器設計原則；在《精密機械系統設計》章節，將德國制造的工匠精神融入導軌、主軸、伺服系統等關鍵部件設計，講授精益求精、扎實技能、嚴苛工序在精密機械設計中的關鍵作用，培養學生的工匠精神；在《光電系統設計》章節，新增了激光頻率梳絕對距離測量、3D激光光柵位移測量、甚多軸動態激光干涉測量三個核心技術知識點；在《電路與軟件系統設計》章節，重構了電路安全、故障診斷和軟件可靠性、可擴展性、易維護性設計等知識點，培養學生的工程責任意識和以人為本、和諧發展、追求卓越的價值理念。

4.在《測控儀器設計實例》章節，重構了教學案例內容，包括亞納米級精度光纖應變在軌測量系統、大型關節機器人激光掃描成像系統兩個案例。設計的新案例主要面向國家高分辨率遙感衛星和第五代戰斗機關鍵部件精密測量需求，講授如何探索測量新原理，將智能計算與光電測量新原理相結合，完成精密測量系統總體設計、子系統設計、系統集成構建、測試與維護的思路和方法，培養學生利用前沿技術提升儀器核心指標的創新思維。

5.在《測控儀器設計實踐》章節，設置了包括激光頻率梳絕對距離測量等在內的5項國家急需的超精密測量儀器共性核心技術。從打破國外封鎖、核心技術自主可控角度引導學生開展精密儀器設計實踐。首先，學生自由組建儀器設計小組，從5項共性核心技術中自主選題，協作分工，主動查閱文獻資料，綜合運用精度理論、總體設計、機械、光電、電路和軟件等專業知識，完成1項超精密測量儀器的設計方案，以儀器報國為導向培養學生自主學習、主動思考創新、團隊協同合作的高階能力。然后，通過教師與學生、各設計小組之間的互動研討環節，培養學生的科學辯證思維，引導學生形成終生持續學習、不斷自我提升的內在品格。

（三）課程教學方法創新

在重構了課程教學目標與內容的基礎上，教學團隊基于成果導向教育理念（Outcome-Based Education， OBE），以學生為中心，對課程教學方法進行了創新設計，形成了以“需求牽引+問題導向”“案例主導+教學相長”“線下為主+線上強化”“課堂研學+課外創新”為特征的“四位一體”教學方法，主要包括以下幾方面。

1.根據課程教學目標，從培養學生綜合運用多學科知識設計測控儀器的專業能力，喚醒學生儀器報國的使命意識和擔當精神，塑造學生自主學習、創新創造的高階思維等方面開展教學設計。

2.以大型超聲掃描成像系統等案例為主導，運用案例教學法將思政教育、儀器前沿技術與課程專業知識有機融合，形成以若干個鮮活案例為主體的課堂教學設計。在課堂教學中，培養學生自主學習、積極交流討論、善于發現問題、敢于創新創造的高階思維能力。

3.充分運用慕課、學習強國等線上教學資源，引導學生利用課下自由時間，通過網絡平臺自主學習《智能儀器設計》《西南聯大紀錄片》和《中國紅色文化精神》等內容，并在線下課堂教學中就線上學習情況交流互動。通過線下線上相輔相成的混合式教學，全面提升教學效果，達成教學目標。

4.在測控儀器設計實踐教學環節實施項目化教學，讓學生按3～5人規模組建設計小組，從5項超精密測量儀器共性核心技術中自主選題，以創新設計為導向，利用課外時間和網絡平臺資源自由探索，完成1項測控儀器設計方案。

三、教學實踐與效果評價

教學團隊在2022年秋季學期開展了“測控儀器設計”課程教學改革實踐，結果表明：采用顯隱結合的方式將思政元素、國家緊迫需求與學生的職業發展緊密聯系起來，可以引起學生的共鳴和思考。在重構后的教學內容框架體系下，學生對國家迫切需要尖端儀器和專用精密儀器支撐高精尖產業發展的現狀、儀器專業學生的使命與擔當等問題有了認識；案例主導、引導啟發、互動相長、研學創新的教學方法，有利于培養學生自主學習、積極交流、勇于探索、善于發現問題、敢于創新創造的高階思維能力；通過以若干個鮮活案例為主體的課堂教學設計，將思政教育、前沿技術與測控儀器設計專業知識有機結合起來，有助于喚醒學生儀器報國的使命意識和擔當精神，強化學生的責任感和學習動力，更好掌握運用多學科知識完成儀器設計的專業能力。

四、總結與推廣

本文總結了“測控儀器設計”課程融入思政教育與新工科理念以及在創新性建設方面開展的探索和嘗試。主要改革措施與成效包括：（1）在教學目標中融入課程思政與新工科核心理念，將培養學生綜合運用多學科知識設計測控儀器的專業能力，塑造學生適應前沿、自主學習、創新創造的高階思維，喚醒學生儀器報國的使命意識和擔當精神設定為課程教學的三大目標。（2）重構教學內容，將思政元素、儀器前沿技術與專業知識有機結合，構建了課堂教學與項目化實踐新內容，使課程內容具有鮮活性、豐富性和前沿性。（3）創新教學方法，以需求牽引、問題導向為總領，利用線下線上資源，合理運用案例式教學、參與式學習、對分課堂等方式，提升教學效果。

課程教學實踐表明，開展的教學改革取得了良好成效，顯著提升了學生的學習興趣和自主性，激發了學生自由探索、主動思考、敢于創新的思維活力，喚醒了學生投身儀器事業的使命意識和責任感，儀器設計專業知識的傳授更加高效。目前，上述改革措施正推廣至學校電子信息類專業碩士學位點“智能感知與自主系統”研究生課程。相關舉措和經驗可為工學類專業課程改革提供借鑒和參考。

參考文獻

［1］習近平主持召開中央財經委員會第二次會議［EB/OL］.（2018-07-13）［2023-07-02］.https：//www.gov.cn/xinwen/2018-07/13/content_5306291.htm.

［2］周哲海，趙爽，王曉玲，等.基于新工科理念的《物理光學》課程建設［J］.教育教學論壇，2020（15）：89-91.

［3］劉先鋒，李東升，趙春花，等.“土木工程材料”水泥課思政元素挖掘及教學融入［J］.教育教學論壇，2022（11）：165-168.

Teaching Reform of Measurement and Control Instrument Design from the Perspective of New Engineering and Curriculum Ideology and Politics

SUN Guang-kai， NIU Hai-sha， WU Si-jin

（School of Instrument Science and Opto-Electronics Engineering， Beijing Information Science amp; Technology University， Beijing 100192， China）

Abstract： Under the wave of a new round of global scientific and technological revolution promoted by a new generation of information technology and artificial intelligence， instrument science and technology， as an important pillar supporting the application and development of new intelligent information technology， has become the commanding heights of science and technology in the layout of world powers. Under this background， to cultivate innovative instrument talents in the new era and serve the development of high-precision and cutting-edge industries in the country， this paper integrates the concepts of curriculum ideology and politics and new engineering into the teaching activities of “Measurement and Control Instrument Design”， a compulsory course for undergraduate students majoring in measurement and control technology and instruments. By redesigning the teaching objectives of the curriculum， reconstructing the teaching content， and innovating teaching methods， the organic combination of ideological and political education elements， cutting-edge technology and professional knowledge of instruments has been realized， and good teaching results have been achieved. The research results have a positive effect on enhancing students’ interest and autonomy in learning， stimulating students’ vitality of free exploration， active thinking and daring to innovate， and awakening students’ sense of mission and responsibility to serve the country， which can provide reference for the reform of other engineering majors.

Key words： new technological revolution; curriculum ideology and politics; new engineering; instrument design; teaching reform