面向极端精度制造的课程多元化教学改革与实践

［摘 要］ 面向极端精度制造技术快速发展的现状，同时为适应机械制造专业在极端精度制造与检测方面专业技术人才培养的需要，提出了面向极端精度制造的课程教学内容改革，并在教学过程中融合多元化教学方式，采用课堂分组讨论的形式，激发学生的兴趣，通过小组分工实验，以合作使命感引导学生切身感受实验教学内容，培养合作精神与实践操作能力。此外，加强建设学生成绩评定标准，优化课程考核方式，注重过程考核，在教学改革实践中取得了良好的教学效果。

［关键词］ 极端精度制造；超精密测量技术；教学改革；多元化教学；课程考核方式

［基金项目］ 2023年度燕山大学教学研究与改革项目“面向极端精度制造技术的分子动力学模拟仿真实验建设与实践”（2023XJJG063）

［作者简介］ 张 硕（1992—），男，河北保定人，工学博士，燕山大学机械工程学院讲师，主要从事超精密加工与测量技术研究；陈建超（1984—），男，河北唐山人，工学博士，燕山大学机械工程学院副教授，主要从事微纳制造及表征研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）19-0053-04 ［收稿日期］ 2023-06-14

引言

精度是制造业的核心基础，高精度为工业产品制造的高质量、高性能、可交换性和可靠性提供了重要保障。近几十年，精密与超精密测量技术的进步促进了现代工业的发展，也使得高精度制造技术领域取得了显著成果，其中形状精度接近纳米级，表面粗糙度接近原子级，彻底迈入了极端精度制造时代［1-3］。为使学生具备更广泛、更前沿的专业知识，专业开设了先进制造技术系列课程作为新工科课程层面建设的重要一环。其中，“超精密测量技术”是燕山大学机械工程学院面向机械设计制造及其自动化本科专业机制方向大四学生设置的一门重要选修课，课程基于先修的“互换性与技术测量”和“测试技术”两门学位课程，注重将前沿科学技术融入教学内容，培养学生了解和掌握超精密测量技术的基础理论、基本方法和检测仪器，初步具备根据不同工程应用背景，选择合适测量仪器、制定合理测量方法的能力，以解决极端精度制造技术中面临的超精密测量问题，为学生今后从事超精密加工与测量技术的相关研究奠定必要的理论基础与技术能力。

由于“超精密测量技术”课程内容涉及较多深刻晦涩的物理学原理和数学知识，很多学生存在惧怕心理和惰性心理，学习主动性不高，传统的“老师台上讲、学生台下听”的教学模式难以取得较好的教学效果，课堂活跃度较低，期末考试卷面成绩不理想［4-5］。为提升该课程的教学质量，教研组对照“金课”标准［6-7］，围绕课程教学目标，在教学内容、教学方法和考核评价等方面开展了教学创新改革尝试。

一、“超精密测量技术”课程教学内容设计与创新

“超精密测量技术”课程的定位是机械制造专业的重要选修课程，着重将前沿的超精密测量理论、技术与仪器引入课堂内容，课程教学内容设计包括理论知识讲授和虚拟仿真实验两大部分。针对极端精度制造技术面临的超精密测量问题，教研组在理论知识讲授部分安排了如下4大块教学内容：超精密测量概念与发展、典型几何尺寸的超精密测量、超精密加工表面参数的测量和纳米测量技术。教学内容中的虚拟仿真实验分为两部分：第一部分是基于原子力显微镜AFM的微纳刻划与沟槽检测实验，此实验通过国家虚拟仿真实验教学课程共享平台iLAB实验空间进行，该仿真实验平台由燕山大学机械工程学院于2021年建设并在线上启动运行，可用于开展基于AFM的仪器设备硬件搭建与调试，主要面向超精密表面形貌测量与表征、微纳米结构刻划加工与检测的虚拟仿真实验；第二部分是纳米硬度测量技术的分子动力学（Molecular Dynamic， MD）仿真模拟实验，该实验模块采用开源软件——大规模原子分子并行模拟器（Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator， LAMMPS）［8］，对铜等金属材料的纳米压痕过程进行仿真模拟，指导学生掌握分子动力学仿真的基本数据处理方法，通过提取应力-应变参数，计算材料纳米尺度下的弹性模量和硬度等力学性能，实现极端精度制造技术中涉及的纳米力学性能的测量。

目前在普通本科机械制造专业所开设的专业课程中，多以经典力学、宏观统计分析和工程经验为特征的“现代制造技术”课程为主，缺乏极端精度制造技术等基于多学科综合交叉融合的新一代先进制造技术基础课程。而本课程教学内容的设计打破了传统机械制造专业课程设置的局限，引入了处于世界科技发展前沿的超精密测量基础理论、基本方法和检测仪器等内容，填补了有关极端精度制造技术的课程空白。

二、融合多种教学方式的课程多元化教学建设

为提高教学质量、调动学生的学习积极性和自觉性，提出融合多种教学方式的课程多元化教学建设思路，如图1所示，主要包括融入启发式教学的理论知识课堂、学生自主引导的课堂专题讨论课和小组分工模式的仿真模拟实验课三部分内容。下面将对这三部分内容及相应实施措施进行详细介绍。

（一）融入启发式教学的理论知识课堂

为了最大限度地调动学生学习的积极性和自觉性，让学生能够自发、主动地探求知识，并使理论课堂处于师生协同活动、相互促进的状态，教研组在“超精密测量技术”课程教学中融入启发式教学［9-10］。采用板书、多媒体幻灯片与线上学习教学视频相结合的模式，使学生能够更丰富、直观地学习教学内容。此外，引入案例教学和现场教学方法，让学生对理论知识的应用场景掌握得更深刻、更具体。在教学过程中，第一步是“设疑引学”，激发学生的学习兴趣，以引导学生自主学习；第二步是“辨疑解难”，这是教学的中心环节，切忌和盘托出教学内容，要让学生自己学，但要在难点部分给予适当地点拨与引导，有的放矢地鼓励学生讨论、质疑和辨疑，使学生获得知识的过程自主化和动态化；第三步是“释疑反馈”，通过课堂提问和课后作业的形式反馈检查教学效果，深化教学内容，同时使学生二次夯实获得的知识并查漏补缺。

（二）学生自主引导的课堂专题讨论课

为了改变“老师台上讲、学生台下听”的传统教学模式，安排4学时进行学生自主引导的课堂专题讨论课活动，让学生充分参与到教学活动中。讨论课在理论知识教学完成后进行，目的是使学生在自我学习和相互讨论中巩固和深化对超精密测量技术主要方法和基本原理的理解，提高学生跟踪机械测量领域最新进展的能力。为了保证讨论课的教学质量，选题范围在第1次理论课堂上就公布下去，要求学生在课程进程中期前，以小组形式（4～6人自由结组）自拟题目并向教师报备，题目遵循先报先得的原则，避免重复。在确定小组题目后，组内课下讨论汇报内容，该部分由各小组内部自由组织进行，形成最终的汇报材料。在讨论课上，由组长代表小组上台汇报展示PPT，每组汇报后，其他小组成员共同讨论其汇报内容，并请该组全部组员上台，针对台下各组学生讨论提出的问题进行回复，组内的每位组员都必须参与此问题讨论环节，以保证所有学生专题讨论课的参与度。

（三）小组分工模式的仿真模拟实验课

小组分工模式的仿真模拟实验课主要体现在纳米硬度测量技术的分子动力学仿真模拟实验课上，该实验模块采用开源软件LAMMPS大规模原子分子并行模拟器，主要涉及模型建立、代码调试和数据后处理三大主要过程。实验分小组进行，每组4～6人自由结组，组内成员按照模型建立、代码调试和数据后处理进行分工，且完成前一工序的小组成员须负责下一工序的对接工作。组与组之间可互帮互助，共同讨论建立模型的经验和LAMMPS命令的应用技巧及仿真数据的后处理分析等工作。最终，每个小组须提交一份实验报告和程序代码附件，报告中须注明组内的分工安排和组员贡献。小组实验报告的成绩依据三部分内容（模型建立、代码调试和数据后处理）的完成度进行打分，若实验报告中三部分内容有缺项，则报告成绩为不及格，每位组员的实验成绩与该小组提交的实验报告成绩息息相关。如此，通过小组分工实验，以合作使命感引导学生切身感受实验教学内容，尤其是按工序分工的分配机制，以及工序之间的对接工作，可以使学生更好地感受合作的使命感。

实践证明，融合多种教学方式的课程多元化教学建设思路在“超精密测量技术”课程改革上取得初步成效：（1）融入启发式教学使学生学习的积极性被充分调动，面对晦涩难懂的理论知识的心态从惧怕转为主动探求，期末考试试卷平均成绩有显著提高；（2）进行学生自主引导的课堂专题讨论课活动，使得理论课堂不再“沉闷”，转变为师生协同活动、互促互进的积极课堂状态；（3）采用小组分工模式的仿真模拟实验课使得学生在合作使命感的引导下深切感受实验教学内容，对实验内容的理解和完成度有了明显提升，这些在学生提交的实验报告和程序代码附件里可以明显体现出来。

三、课程考核方式与成绩评定方法优化

结合课程多元化教学方式特色，对本门课程的考核方式进行了改革，相应增加了过程性考核的占比。首先出勤率是获得最终成绩的基础门槛，但不影响最终成绩的高低，即只有缺勤数小于等于2次的学生才能获得最终成绩。总成绩的组成包括三部分：期末考试卷面成绩、讨论课成绩和实验课成绩。（1）期末考试采用笔试的形式，闭卷作答，主要考查学生综合运用学习的知识解决超精密测量工程技术问题的能力。考试成绩占最终成绩的70%，即卷面总分为100分，权重系数为0.7。若卷面得分低于60分，即便学生总成绩高于60分，仍为不及格。（2）讨论课成绩占最终成绩的20%，主要考查学生在学习过程中是否具备通过书籍、期刊和网络等手段收集超精密测量指定领域最新信息的能力，以及PPT制作与汇报能力，成绩总分为100分，权重系数为0.2。在最后提交的PPT中，应注明组长和组员的分工及贡献。组长排第一位，组员的顺序按其贡献值排序，组内排序采用小组民主评议的方式确定。讨论课成绩打分时，教师应在组与组之间排序，由高到低先给一个基础分。而具体到某组内成员的分数，应在该组基础分的基础上，充分参考组内成员的自评排序进行相应分数的加减操作。（3）实验课成绩占最终成绩的10%，主要考查学生面对超精密测量问题时的实际动手能力及团队合作能力，成绩总分为100分，权重系数为0.1，最终须提交实验报告和程序代码附件。实验课共计两个实验，每个实验各占50分。第一个实验为基于原子力显微镜AFM的微纳刻划与沟槽检测实验，此实验通过iLAB实验空间进行，该仿真实验平台最后会根据每名学生的在线操作自动生成实验报告和成绩；第二个实验为纳米硬度测量技术的分子动力学仿真模拟实验，该实验分组进行，最终须提交实验报告（报告中注明组长、组员及分工情况和组内排序）和程序代码附件，此实验成绩的打分规则参照讨论课的打分规则进行。

结语

本文面向极端精度制造技术的高速发展，对“超精密测量技术”课程进行了多元化教学改革与实践研究。对教学内容进行了优化设计与创新，尝试了融合多种教学方式的课程多元化教学建设思路，包括融入启发式教学的理论知识课堂、学生自主引导的课堂专题讨论课和小组分工模式的仿真模拟实验课。结合“超精密测量技术”课程多元化教学方式的特色，对考核方式进行了改革，相应增加了过程考核的占比，卷面成绩不再是唯一分数，总成绩体现了学生教学参与程度的合理性及团队协作贡献的公平性。本文基于我国目前极端精度制造技术高端人才需求迫切的现状，进行了“超精密测量技术”课程建设与改革的研究，为建立基于多学科综合交叉融合的新一代制造技术课程体系贡献微薄之力，填补极端精度制造技术方面的课程空白。

参考文献

［1］谭久彬.超精密测量技术与仪器是高端制造发展的前提与基础［J］.激光与光电子学进展，2023（3）：11-12.

［2］周亮，王振环，孙东辰，等.现代精密测量技术现状及发展［J］.仪器仪表学报，2017（8）：1869-1878.

［3］谭久彬，刘世元，赵维谦，等.“超精密测量技术”专题前言［J］.激光与光电子学进展，2023，60（3）：4+3.