天津大学工程科学实验班《工程设计》实践教学改革探讨

丁振扬 田庆国 汪毅 张学迁 胡浩丰 刘铁根

摘要：天津大学为着眼于国家造就工程领军人才的战略需求，设立“工程科学实验班”。本文针对工程科学实验班《工程设计》实践课程环节固定，学生创造性体现不高，课题选择较少，实践内容陈旧，难以与学科最新进展前沿结合问题，提出科研式实践课程的创新。结合指导教师自身科研课题，设立研究型实践课题取代基础型实践，取得良好效果。本文介绍了《工程设计》实践课程改革相关内容和取得成果。

关键词：实践教学；教学改革；科研实践

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）16-0076-02

天津大学精密仪器与光电子工程学院办学历史久，具有一流的学科和学术地位。学院拥有测试计量技术及仪器、光学工程、物理电子学、精密仪器及机械、生物医学工程、光电子技术6个博士点和6个硕士点；仪器科学与技术、光学工程2个一级学科国家重点学科和生物医学工程天津市重点学科；仪器科学与技术、光学工程、生物医学工程3个博士后流动站；5个国家“长江计划”特聘教授设岗学科；精密测试技术及仪器国家重点实验室，光电信息技术科学教育部重点实验室等。2008年，学校将天津大学精密仪器与光电子工程学院设立为“综合改革试验区”，2011年底，天津大学精密仪器与光电子工程学院被确定为国家教育体制改革试点学院。在试点学院改革中，创新人才培养模式是试点学院改革重要抓手。天津大学作为以理工科为主要特色的研究型大学，承担着为国家造就工程领军人才的战略任务。设立“工程科学实验班”则着眼于这一关键需求并作为试点学院改革的具体落实措施。“工程科学实验班”定位为培养“未来的钱学森”，造就能解决人类面临重大问题和国家重大战略需求的未来工程领军人才[2]。这个班面向仪器科学、光学工程、生物医学工程等领域，培养“具有深厚数理基础和人文素养，善于从工程中发现科学问题，并能运用科学原理解决工程问题的，具备跨学科知识背景、全球视野、创新能力的高素质拔尖人才”。2013年9月，第一届“工程科学实验班”正式开始运行。该班培养两类人才，第一类是具有创新潜质的学术精英，与国际一流大学合作，培养具有扎实的数理基础、一流的人文素养、批判的探索精神、超前的创新思维和跨文化国际交流能力的未来学术精英，为国内外攻读学术性硕士生或博士生做准备。第二类人才是具有总工程师潜质的工程精英，与一流企业合作，培养具有复杂系统工程领军能力、出色的沟通协调能力和团队协作精神、优秀工程实践能力和跨文化国际交流能力的未来工程精英。为攻读应用型硕士和工程博士做准备。

一、现有《工程设计》内容存在问题

现有《工程设计》的实践课程内容为学生根据自身的基础和不同发展需求，可参与基础型或应用型实践，两类实践均兼备专业特色和可操作性，但课题难度和需要付出的时间精力不同。全班按70%到80%进行基础型实践，其余进行应用型实践，学分1.5，在1周半时间完成。基础型实践为设计光电图像采集系统，从光学设计、零件加工、到机械设计、装配检测，学生在教师的指导下分步骤实践专业主要工程应用技术。每个学生在老师的指引下完成光电图像采集的电路、光学、光机系统设计。主要工作包括：镜头光学设计（Code V或ZEMAX）、镜筒机械设计（Solid Works）、CMOS图像采集电路设计（Protel）/电路焊接及调试，最终形成完整的图像采集系统。在应用型实践中，包含两个课题：第一是“光电智能巡迹系统”学生以组为单位，分工完成赛车光电智能循迹系统设计。要求小车系统能够正确循迹，即沿地面设定白色轨迹运行，完成直行、穿越隧道以及转弯，在运行过程中车身不超越轨迹两侧黄色区域，且不碰撞隧道；能够根据设置在轨迹旁的标识实现停车；能够正确测量所经过隧道的长度与数量。第二是“结构光三维成像系统”，具体要求结构设计，采用线结构激光光源，自己选择扫描方式，根据给定的扫描物体大小和分辨率要求，进行三维传感器设计，提交设计说明书和机械图；扫描和图像采集控制模块，图像传感器（面阵CCD）采用USB接口，步进电机采用单片机控制，设计模块，实现图像采集和扫描运动的同步；采用VC或Matlab实现系统标定，完成摄像机的内参数标定和系统的全局标定；光带中心线提取、选择一种方法，实现光带中心的高精度提取；对各模块进行集成，最终得到被测物体的三维点云模型。

二、《工程设计》课程内容改革探讨

在教育部2007年的文件中指出：创造条件，组织学生积极开展社会调查、社会实践活动，参与科学研究，进行创新性实验和实践，提升大学生创新精神和创新能力[4]。科研式实践教学，通过实际的科研背景与用途等，结合相关的理论知识，通过自己的独立思考拟出方法及步骤，不只是按照传统实践课程的固定环节机械式完成实践，在科研型实践中，学生需要自己阅读大量文献、利用所学知识和实践能力创造性解决科研中遇到各种问题，不再有固定模式束缚学生的探索发展。研究型实践为结合指导教师的自身研究课题所设题目。利用光电信息工程系优势和前沿研究方向，在光纤传感、光电图像、太赫兹技术等方向开设多个课题，具体包括：基于光频域反射的长距离分布式扰动传感信号处理研究、基于光频域反射多参量传感信号处理研究、基于光频域反射分布式形状传感研究、环形腔器件中的光学调控研究、多通道光纤法珀压力传感系统、心血管光学相干层析成像图像识别与分析研究、偏振敏感扫频导管内光学相干层析成像方法和系统研究、全介质超表面太赫兹全息设计、偏振成像技术研究等十余个课题。

应用型实践进一步增加课题数量。增加了“激光笔与PPT投影交互系统”这一课题，要求包括使用长宽比为4∶3的具有VGA接口的教室用投影屏幕，使用长宽比为4∶3的具有VGA接口的教室用投影屏幕。

三、《工程设计》课程内容改革效果

根据上述《工程设计》改革思路，在2013级、2014级和2015级“工程科学实验班”进行《工程设计》实践课程改革。同学们反映良好，在选择研究型和应用型实践课题比例各占50%。特别是在研究型实践中，实验班学生们得到了传统课堂教学难以得到实践经验.

四、结语

《工程设计》是一门重要实践课程，是培养学生实践能力和实验技能，进行创造性思维训练的重要途径。本文针对工程科学实验班《工程设计》实践课程环节固定，学生创造性体现不高，课题选择较少，实践内容陈旧，难以与学科最新进展前沿结合问题，提出科研式实践课程的创新，结合指導教师自身科研课题，设立研究型实践课题取代基础型实践，取得良好效果。

参考文献：

[1]李家俊.找准抓手 扎实推进试点学院综合改革[J].中国高等教育，2013，（19）：12-15.

[2]王海龙，杨秋波，曾周末.高校二级学院综合改革的实施路径[J].中国高等教育，2014，（z3）：38-40.