“精密测控系统”科创互动式课程教学改革与实践

徐晓强，吴 悠，何知义，刘芝平，吕 铎

（长沙理工大学汽车与机械工程学院 湖南 长沙 410115）

“精密测控系统”是一门以测量和控制系统为对象，全面阐述计算机测控系统整机原理和总体设计的专业课。大四学生为本课程的授课对象，其面临的非学习因素激增，如考研、实习和找工作，部分学生学习热情下降，由于还面临毕业这一人生转折，部分同学甚至会出现对未来的迷茫，这对于专业课教学非常不利。因此，针对大四学生的特点，如何通过教学内容和方法的调整激发学生的学习兴趣成为迫切需要解决的问题。同时，大四学生较其他年级本科生也有其独特优势：专业知识体系构建已较完备，有一定的实践经验，同时具有充足的学习时间[1]。对于即将步入工作岗位或者研究生生活的学生，他们最感兴趣的教学内容往往是学科方向的实际应用和前沿方向。因此，专业课一方面应和应用实践紧密结合，另一方面也应紧跟本学科的发展前沿，尽可能地创造条件让学生接触到应用和科研第一线，培养学生的实践能力和创新能力。

开展“精密测控系统”科创互动式课程教学改革与实践，有利于启发学生将课堂所学习的专业理论知识与科技创新融会贯通，激发学生的学习意愿，培养学生的创新思维，强化学生的实践技能，全面提高学生在系统设计和解决复杂工程问题上的能力。

1 国内外研究现状分析

习近平总书记2021 年在清华大学考察时指出：“中国要建设具有中国特色的世界一流大学，提高高校科技创新能力”，人才培养和创新能力的提升是建设一流大学的关键[2]。高校需要在立德树人的基础上，进一步提升科技创新能力，打造良好的创新氛围，促进科技创新发展[3]。一流大学是指主要学科拥有学术大师，能够规模化培养世界一流具备创造性基础理论人才的大学，将培养学生的创新能力放在首位，以创新引领学习[4]，英美国家的顶尖研究型大学通常被认为是全球其他大学所学习和效仿的范本。波士顿学院Altbach[5]认为，世界一流大学应该具备卓越的科学研究能力，崇尚学术自治和自由，注重促进智力发展。厦门大学陈国福[6]指出，世界一流大学是指拥有一批大师级人物，能够培养创新型科研人才，并产出服务于社会需求的原创性科研成果的顶尖级研究型大学。创新是推动一个民族向前发展的重要动力，是推动一个国家繁荣进步的不竭源泉，拥有创新能力的人才是国家核心竞争力的重要标志。培养大学生的科技创新能力不仅有助于大学生自身的成长和拓展，同时也是高校肩负的社会责任与历史使命。因此，在各大高校积极推进“双一流”建设，向创新型高水平大学迈进之际，本科专业课也应植入科技创新的基因，提升学生创新能力，为培养创新型人才做出贡献。

与低年级本科生相比，大四学生的专业知识体系构建已较完备，更容易结合所学所思孕育出创新想法，创新方案中的原型设计和研讨是非常重要的环节。随着“互联网+教育”的发展，不仅出现了一批慕课平台，同时也催生了大量诸如TinkerCAD、Kaggle、飞桨AI Studio 这样的在线科创平台，在线科创平台赋予了学生前所未有的在线仿真机会，电子设计、3D 建模、人工智能、大数据分析等技术应用都变得触手可及，网络形式的作品不仅可以便捷地分享给老师同学开展研讨，甚至可以吸引全世界参与者的关注、评论和转发。电子科技大学[7]将TinkerCAD 用于电子创新设计实践，帮助学生快速完成产品原型设计，有效提高了教学效率和效果。墨尔本大学[8]将Kaggle 用于机器学习教学，平台的社交属性和游戏性设计成功地吸引了学生，在完成高挑战度任务的过程中深化对理论的理解，学生在阶梯型的挑战过程中能保持持久的兴趣和热情。吉林大学[9]基于飞桨AI Studio 设计了项目式综合性实践教学方案，通过网络教学对课堂教学进行了有效补充，实现了实践到创新的进阶提高，提高了教学质量。因此，借力在线科创平台，帮助学生快速实现创新原型设计与研讨分享，是实现专业课创新能力培养的有效路径。

跟“精密测控系统”一样，很多专业课的实践环节主要靠几次实验课完成，但实验课时十分有限，同时由于实验条件的限制，学生的实践经验主要来自加工成箱的定制实验，自由度被限制，不利于创新能力和实践能力的培养。工业软件的快速发展和成熟给学生实践带了极大的便利：北京航空航天大学[10]将工业软件LiToSim 有限元软件作为可视化工具服务于机械设计课程教学，定性展示关键零件在工作时的受力情况，并对其可能的失效模式进行分析，将其作为学生实践研习的分析工具。东莞理工学院[11]将西门子工业软件TIA 和PLCSIM 用于“PLC 原理及应用”的线上实验教学实践，提高了学生学习的自主性，取得了良好的教学效果。王海燕[12]将工业软件Proteus 和Keil 软件联合使用进行单片机的课堂教学，大量的实践实例得以通过动画仿真演示，节约了硬件资源，而且提高了教学效率和质量。工业软件的熟练掌握是新时代下学生进行科创活动的重要条件，例如，机械的设计加工离不开CAD/CAM软件，有限元分析离不开CAE 软件，计算机测控系统开发则离不开芯片开发调试软件。CDIO 教育理念是近年来全球工程教育改革的最新成果，它包含构思（Conceive）、设计（Design）、实施（Implement）和运行（Operate）四个方面，是一种综合性的教学模式。该理念强调工程教育应当注重实践，以科技为基础，并将教育过程融入产品/系统的全生命周期中。CDIO 工程教育模式的一个显著特征就是实现了高校教育与工程实践关系的重构——在继续加强基础理论学习的基础上向关注生产实践回归[13]。因此，为实现学生创新实践能力的提升，专业课应合理设置CDIO 课程实践环节，培养学生运用现代工业软件解决实际工程问题的能力。

针对目前“精密测控系统”课程教学对学生科创能力培养的不足，本教学改革旨在满足新时代高校人才科技创新所需的能力要求，聚焦工科院校机械类专业课，从“精密测控系统”课程内容、在线科创平台建设和工业软件综合运用开展课程改革和实践，旨在建设能够支撑本硕衔接、面向产业应用需求的专业课程教学体系。教改研究将为大力推进创新教育，积极构建协同创新育人体系提供一定的参考，具有重要的理论意义和现实价值。

2 教学改革实施方案

“精密测控系统”科创互动式课程教学改革与实践，将以“科创互动”为主线进行三方面的改革和实践，启发学生将课堂所学习的专业理论知识与科技创新融会贯通，激发学生的学习意愿，培养学生的创新思维，强化学生的实践技能，全面提高学生在系统设计和解决复杂工程问题上的能力，总体实施方案如图1（p128）所示。

图1 课程教学改革与实践总体实施方案

2.1 课程内容与时俱进，调动学生的学习积极性

进行课程内容改革，将课程中与前序课程“机电微控制器技术”和“测试技术”中较重复的内容进行剔除，压缩“测控通道及其接口设计”章节内容，聚焦整机原理与设计，突出课程特色，并添加“精密测控系统”涉及的科技前沿发展和工业应用内容，如闭环伺服系统设计、网络化测控、激光干涉测量技术等，使课程内容与时俱进，紧扣前沿发展，提升课程对学生的吸引力。

另外，从内容相关的原理、验证、应用和人物事迹多个维度深入挖掘“精密测控系统”的思政要素，将知识传授与价值观建设紧密结合，在知识传授中完成价值观的同频共振。表1 为部分“精密测控系统”在申请人教学反思过程中形成的思政案例。

表1 “精密测控系统”思政案例

2.2 课程在线科创平台建设，培养学生的创新能力

建设基于TinkerCAD课程在线科创平台，平台支持跨平台网页浏览器访问，设计模块包括各类常用芯片、传感器和执行器，用户可以直接搭建电路并对芯片编程，通过仿真运行实现创意设计，所有的设计都被存档于云端，这使得师生之间可以便捷地共享作品。围绕测控系统中芯片、传感器和执行器的应用建设一批高质量的案例，用于课程的示教，带领学生尝试不同的解决方案，分析方案的可行性和对系统性能的影响。通过任务驱动和线上研讨的方式，让学生在平台完成和提交测控系统的原型设计，教师则可以访问学生的全部设计并辅助修改，将优秀案例进行分享与开展研讨。另外，教师可结合自身在测试领域的科研课题开设专题讲座，邀请测控领域的学者进行科普讲座，介绍精密测控系统的前沿发展技术，教导学生如何在测控领域开展科研工作，通过实际案例启发学生如何发现问题、分析问题、解决问题，助力本硕衔接。

2.3 现代工业软件助力学生创新实践能力的提升

教师基于现代工业软件构建“精密测控系统”课程的CDIO 综合实践方案，分小组布置CDIO 三级项目任务，项目内容联系生产生活实际，同时对新颖性和复杂度提出要求，小组开展调研并讨论确定选题，往届选题有：水位检测控制系统、智能窗帘控制系统、温控散热风扇、机床高温遥控保护系统、温湿度检测与施水系统、智能电子密码锁、烟雾报警器等。小组成员分工协作，共同完成原理图设计、元器件选型、接口电路设计、代码开发和系统调试，使用Proteus 和Keil 等工业软件完成对测控系统设计的原型开发和仿真测试，提供条件让学生完成实物系统搭建并在课堂进行汇报展示，汇报后设有互动提问环节，项目的评分结果由学生互评确定。工业软件广泛应用于各个产业，毕业生对工业软件的开发能力、集成能力和应用水平是其在用人市场的重要竞争力，通过“CDIO 理念+工业软件”提升学生的测控系统综合设计与开发水平，助力学生提升实践能力。

3 结语

大四学生面临的非学习因素激增，学生学习热情下降，还面临毕业这一人生转折，部分同学甚至会出现对未来的迷茫，对于专业课教学非常不利。对于即将步入工作岗位或者研究生生活的学生来说，他们最感兴趣的教学内容往往是学科方向的工业应用和前沿研究方向。因此，专业课开展科创互动式课程教学改革与实践，一方面需要通过教学内容改革调动学生的学习积极性，另一方面课程教学与应用实践结合紧密，紧跟本学科的发展前沿，让学生接触到应用和科研第一线，充分培养了学生的创新实践能力。

在我国大力发展新工科的背景下，科技创新能力培养成为工科院校机械类专业课专业人才培养的重要目标，本文以大四专业课“精密测控系统”科创互动式课程教学改革与实践为例，介绍了三方面的教改举措：①课程内容与时俱进，融入课程思政要素，调动学生的学习积极性；②课程在线科创平台建设，构建课程的创意分享空间，培养学生的创新能力；③“CDIO 理念+工业软件”团队协作完成CDIO 三级任务助力学生创新实践能力提升。本教学旨在建设能够支撑本硕衔接、面向产业应用需求的专业课程教学体系，为推进创新教育，积极构建协同创新育人体系提供了一定参考。