课程思政与新工科导向的“测控仪器设计”教学改革

［摘 要］ 在新一代信息技术和人工智能推动全球新一轮科技革命的浪潮下，仪器科学与技术作为支撑智能信息新技术应用发展的重要支柱，成为世界强国布局的科技制高点。在这一大背景下，为培养新时代创新型仪器人才，服务国家高精尖产业发展，将课程思政与新工科理念融入测控技术与仪器课程教学活动中。通过重新设计课程教学目标、重构教学内容、创新教学方法，实现了思政元素、仪器前沿技术与专业知识的有机结合，取得了良好的教学效果。研究成果对激发学生自由探索、主动思考、敢于创新的思维活力，唤醒学生仪器报国的使命意识和责任感具有积极作用，可为其他工学类专业课程改革提供借鉴和参考。

［关键词］ 新科技革命；课程思政；新工科；仪器设计；教学改革

［基金项目］ 2021年度北京信息科技大学高教研究项目资助“工科课程思政教育研究——以‘测控仪器与设计’课程为例”（2021GJYB19）；2022年度北京信息科技大学研究生课程建设项目“‘智能感知与自主系统’课程立体化建设”（5027011070）

［作者简介］ 孙广开（1984—），男，河北永清人，博士，北京信息科技大学仪器科学与光电工程学院副教授（通信作者），主要从事仪器科学与技术学科研究；牛海莎（1984—），女，河北石家庄人，博士，北京信息科技大学仪器科学与光电工程学院副教授，主要从事仪器科学与技术学科研究；吴思进（1979—），男，浙江乐清人，博士，北京信息科技大学仪器科学与光电工程学院副教授，主要从事仪器科学与技术学科研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）23-0057-04 ［收稿日期］ 2023-08-16

引言

当今，新一代信息技术和人工智能等新兴技术正推动全球新一轮科技革命飞速发展，世界各主要大国发力向科技前沿冲刺，这必将重塑世界科技竞争格局。面对这一重大科技变革，“仪器”作为支撑新信息技术与人工智能产业发展的支柱之一，成为各国重点布局的科技制高点，是保障国家在本轮科技竞争和产业变革中占据主动的一块基石。习近平总书记在主持召开中央财经委员会第二次会议时强调，关键核心技术是国之重器，必须切实提高我国关键核心技术创新能力，培育一批尖端科学仪器制造企业［1］。为实现这一目标，我国亟须培养一大批高精尖仪器人才。

“测控仪器设计”课程是测控技术及仪器专业的核心课程，讲授综合运用仪器、机械、光学、电学、控制、计算机等多学科知识来设计各类测控仪器的系统性工程，是培养仪器类专业本科生的总体性系统化思维与仪器创新设计能力的重要基础课程，对培养高精尖仪器人才具有重要作用和意义。

新时代，面向培养高精尖仪器人才的国家需求，“测控仪器设计”课程建设面临着一系列新挑战、新要求，关键核心问题是如何将课程思政、新工科理念和前沿技术与测控仪器专业知识有机结合起来，培养兼具爱国情怀、国际视野、创新精神、科学素养和专业知识的高素质复合型仪器人才。本文总结了北京信息科技大学“测控仪器设计”教学团队在课程改革中课程思政与新工科前沿的融入以及在教学目标、内容与方法等方面的思路、措施和成效，以期为仪器类课程的教学改革提供借鉴和参考。

一、课程教学面临的主要问题

根据教学团队近五年讲授“测控仪器设计”课程的实践经验，反思新时代国家高精尖仪器人才培养的新需求，“测控仪器设计”课程教学面临若干问题和挑战，主要包括：如何培养学生对测控仪器设计开发的兴趣和热爱，强化学生仪器报国的使命意识，塑造学生勇于从事尖端仪器创新研发的担当精神，是“测控仪器设计”课程教学面临的关键问题，也是难点和挑战之一；如何将前沿技术有机地融入“测控仪器设计”教学，激活学生的创新思维，让学生能够自主地学习前沿技术知识，主动思考利用这些前沿技术提高仪器精度和效率的方法，是本课程的另一个关键问题和挑战；如何重构教学内容，将思政教育和前沿技术知识有机融入课程教学，同时创新教学方法，塑造学生仪器报国的使命意识和担当精神，培养学生自主学习、主动思考创新、持续自我提升的高阶能力，是本课程的长期目标，也是最大的难点和挑战。

二、课程思政与新工科前沿的融入

“测控仪器设计”课程教学团队针对当前课程教学面临的主要问题与挑战进行了一系列探索和实践，重构了课程教学目标、教学内容和教学方法，将课程思政和新工科前沿有机融入课程教学全过程。

（一）课程教学目标设计

为使学生在建立测控仪器设计专业知识框架的同时培养其爱国主义情怀、担当精神和适应前沿发展的创新思维，教学团队对课程教学目标进行了重新设计，将“唤醒学生仪器报国的使命意识和担当精神”“塑造学生适应前沿、自主学习、创新创造的高阶思维”“综合运用多学科知识设计测控仪器的专业能力”作为课程教学的三大核心目标［2-3］。

（二）课程教学内容重构

课程改革的核心是教学内容的改革。根据重新设计的课程教学目标，教学团队对课程教学内容进行了重新设计，具体包括以下几方面。

1.在《绪论》章节，重构了测控仪器发展史、现在和未来趋势、国家的紧迫需求三个专业知识点。在测控仪器发展史知识点讲授中，融入中国测控仪器溯源及发展与兴盛的思政内容，树立学生的文化自信；在测控仪器的现在与未来知识点中，重点讲授前沿技术发展趋势、当前的机遇与挑战，引发学生辩证思考，培养学生的科学逻辑与创新思维；在国家的紧迫需求知识点讲授中，从国家发展新信息技术与人工智能等高精尖产业对测控仪器的迫切需求出发，以两弹一星元勋科技报国为例，唤醒学生仪器报国的使命意识和担当精神。

2.在《仪器精度理论》章节，新增了我国超精密测量仪器面临的挑战、超精密测量仪器创新突破方向两个知识点。在超精密测量仪器面临的挑战知识点中，重点讲授国家计量测试体系不完整的整体性问题、专用测量手段严重缺失的碎片化问题、测量对质量支撑作用认识不足的精益化问题三大挑战，并以3 nm光刻机、航空发动机、激光核聚变装置、引力波探测装置等国家急需的尖端装备为例，融入仪器报国、精益求精、一丝不苟、技术扎实、工序严苛的思政元素，让学生树立从事精密仪器研发、服务国家急需的报国精神。在超精密测量仪器创新突破方向知识点中，从突破超精密测量仪器共性核心技术等方面，讲授我国超精密测量仪器的创新发展方向，激发学生仪器报国的责任感和内生动力。

3.在《仪器总体设计》章节，将生态环保理念融入仪器总体设计，新增了节约原则、安全无害原则、可回收利用原则等仪器设计原则；在《精密机械系统设计》章节，将德国制造的工匠精神融入导轨、主轴、伺服系统等关键部件设计，讲授精益求精、扎实技能、严苛工序在精密机械设计中的关键作用，培养学生的工匠精神；在《光电系统设计》章节，新增了激光频率梳绝对距离测量、3D激光光栅位移测量、甚多轴动态激光干涉测量三个核心技术知识点；在《电路与软件系统设计》章节，重构了电路安全、故障诊断和软件可靠性、可扩展性、易维护性设计等知识点，培养学生的工程责任意识和以人为本、和谐发展、追求卓越的价值理念。

4.在《测控仪器设计实例》章节，重构了教学案例内容，包括亚纳米级精度光纤应变在轨测量系统、大型关节机器人激光扫描成像系统两个案例。设计的新案例主要面向国家高分辨率遥感卫星和第五代战斗机关键部件精密测量需求，讲授如何探索测量新原理，将智能计算与光电测量新原理相结合，完成精密测量系统总体设计、子系统设计、系统集成构建、测试与维护的思路和方法，培养学生利用前沿技术提升仪器核心指标的创新思维。

5.在《测控仪器设计实践》章节，设置了包括激光频率梳绝对距离测量等在内的5项国家急需的超精密测量仪器共性核心技术。从打破国外封锁、核心技术自主可控角度引导学生开展精密仪器设计实践。首先，学生自由组建仪器设计小组，从5项共性核心技术中自主选题，协作分工，主动查阅文献资料，综合运用精度理论、总体设计、机械、光电、电路和软件等专业知识，完成1项超精密测量仪器的设计方案，以仪器报国为导向培养学生自主学习、主动思考创新、团队协同合作的高阶能力。然后，通过教师与学生、各设计小组之间的互动研讨环节，培养学生的科学辩证思维，引导学生形成终生持续学习、不断自我提升的内在品格。

（三）课程教学方法创新

在重构了课程教学目标与内容的基础上，教学团队基于成果导向教育理念（Outcome-Based Education， OBE），以学生为中心，对课程教学方法进行了创新设计，形成了以“需求牵引+问题导向”“案例主导+教学相长”“线下为主+线上强化”“课堂研学+课外创新”为特征的“四位一体”教学方法，主要包括以下几方面。

1.根据课程教学目标，从培养学生综合运用多学科知识设计测控仪器的专业能力，唤醒学生仪器报国的使命意识和担当精神，塑造学生自主学习、创新创造的高阶思维等方面开展教学设计。

2.以大型超声扫描成像系统等案例为主导，运用案例教学法将思政教育、仪器前沿技术与课程专业知识有机融合，形成以若干个鲜活案例为主体的课堂教学设计。在课堂教学中，培养学生自主学习、积极交流讨论、善于发现问题、敢于创新创造的高阶思维能力。

3.充分运用慕课、学习强国等线上教学资源，引导学生利用课下自由时间，通过网络平台自主学习《智能仪器设计》《西南联大纪录片》和《中国红色文化精神》等内容，并在线下课堂教学中就线上学习情况交流互动。通过线下线上相辅相成的混合式教学，全面提升教学效果，达成教学目标。

4.在测控仪器设计实践教学环节实施项目化教学，让学生按3～5人规模组建设计小组，从5项超精密测量仪器共性核心技术中自主选题，以创新设计为导向，利用课外时间和网络平台资源自由探索，完成1项测控仪器设计方案。

三、教学实践与效果评价

教学团队在2022年秋季学期开展了“测控仪器设计”课程教学改革实践，结果表明：采用显隐结合的方式将思政元素、国家紧迫需求与学生的职业发展紧密联系起来，可以引起学生的共鸣和思考。在重构后的教学内容框架体系下，学生对国家迫切需要尖端仪器和专用精密仪器支撑高精尖产业发展的现状、仪器专业学生的使命与担当等问题有了认识；案例主导、引导启发、互动相长、研学创新的教学方法，有利于培养学生自主学习、积极交流、勇于探索、善于发现问题、敢于创新创造的高阶思维能力；通过以若干个鲜活案例为主体的课堂教学设计，将思政教育、前沿技术与测控仪器设计专业知识有机结合起来，有助于唤醒学生仪器报国的使命意识和担当精神，强化学生的责任感和学习动力，更好掌握运用多学科知识完成仪器设计的专业能力。

四、总结与推广

本文总结了“测控仪器设计”课程融入思政教育与新工科理念以及在创新性建设方面开展的探索和尝试。主要改革措施与成效包括：（1）在教学目标中融入课程思政与新工科核心理念，将培养学生综合运用多学科知识设计测控仪器的专业能力，塑造学生适应前沿、自主学习、创新创造的高阶思维，唤醒学生仪器报国的使命意识和担当精神设定为课程教学的三大目标。（2）重构教学内容，将思政元素、仪器前沿技术与专业知识有机结合，构建了课堂教学与项目化实践新内容，使课程内容具有鲜活性、丰富性和前沿性。（3）创新教学方法，以需求牵引、问题导向为总领，利用线下线上资源，合理运用案例式教学、参与式学习、对分课堂等方式，提升教学效果。

课程教学实践表明，开展的教学改革取得了良好成效，显著提升了学生的学习兴趣和自主性，激发了学生自由探索、主动思考、敢于创新的思维活力，唤醒了学生投身仪器事业的使命意识和责任感，仪器设计专业知识的传授更加高效。目前，上述改革措施正推广至学校电子信息类专业硕士学位点“智能感知与自主系统”研究生课程。相关举措和经验可为工学类专业课程改革提供借鉴和参考。

参考文献

［1］习近平主持召开中央财经委员会第二次会议［EB/OL］.（2018-07-13）［2023-07-02］.https：//www.gov.cn/xinwen/2018-07/13/content_5306291.htm.

［2］周哲海，赵爽，王晓玲，等.基于新工科理念的《物理光学》课程建设［J］.教育教学论坛，2020（15）：89-91.