房曉龍 李寒松

【摘要】為主動(dòng)服務(wù)戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)、電子產(chǎn)業(yè)自主可控迫切需求，結(jié)合新工科高等工程教育新理念、微機(jī)電系統(tǒng)與微細(xì)制造技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)、后疫情時(shí)代混合教學(xué)需求，思考通過(guò)豐富教學(xué)內(nèi)涵、改革教學(xué)模式、強(qiáng)化實(shí)踐操作、改進(jìn)評(píng)價(jià)機(jī)制、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)等，培養(yǎng)學(xué)生的綜合工程素養(yǎng)和創(chuàng)新實(shí)踐能力。

【關(guān)鍵詞】新工科? 微機(jī)電系統(tǒng)? 微細(xì)制造? 混合教學(xué)? 實(shí)踐? 評(píng)價(jià)機(jī)制

【基金項(xiàng)目】南京航空航天大學(xué)研究生國(guó)際化精品課程建設(shè)項(xiàng)目（2019YGJKC04）。

【中圖分類號(hào)】G64 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2021）04-0148-03

微機(jī)電系統(tǒng)與微細(xì)制造是一門涉及微電子學(xué)、信息學(xué)、材料、能源、制造、測(cè)試以及納米技術(shù)等多個(gè)學(xué)科的交叉學(xué)科，其技術(shù)體系紛繁復(fù)雜，且新技術(shù)方法層出不窮。以微細(xì)特種加工技術(shù)為代表的制造方法，在光、電、信息、芯片制造中正逐步承擔(dān)更多的加工任務(wù)，產(chǎn)業(yè)自主可控、需求升級(jí)和新技術(shù)發(fā)展對(duì)機(jī)械工程專業(yè)學(xué)生培養(yǎng)提出了新的要求。“新工科”高等工程教育要求一線教師主動(dòng)求變，接受新理念、采用新方法、體現(xiàn)新時(shí)代特征，培養(yǎng)國(guó)際化復(fù)合型工科人才。

一、國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

以作者在美國(guó)伊利諾伊大學(xué)香檳分校機(jī)械系（該校機(jī)械工程本科專業(yè)2019年US News排名第6）訪學(xué)調(diào)研情況為例：該校機(jī)械系本科生畢業(yè)需完成通識(shí)教育、基礎(chǔ)課、專業(yè)課、課程設(shè)計(jì)等四類128個(gè)學(xué)分學(xué)習(xí)。其中，需要選修兩門高階專業(yè)課程。微機(jī)電系統(tǒng)與微細(xì)制造是4學(xué)分的高階選修課，教學(xué)內(nèi)容主要是包括光刻、硅加工、增減材工藝、刻蝕、封裝等。課程組織形式包括：27次課堂教學(xué)（80分鐘/次）和10次實(shí)驗(yàn)課（2-3小時(shí)/次）。課程考核方式包含：2個(gè)大作業(yè)（占總成績(jī)25%）、2次隨堂考試（占總成績(jī)40%）、平時(shí)作業(yè)（占總成績(jī)10%）、期末考試（占總成績(jī)25%）。美國(guó)以及國(guó)內(nèi)高校微機(jī)電系統(tǒng)與微細(xì)制造課程大多是以介紹半導(dǎo)體光刻工藝技術(shù)為主，對(duì)其他技術(shù)方法的介紹普遍較少。國(guó)內(nèi)大學(xué)通過(guò)混合式立體化教學(xué)、慕課、微課等新的形式在教育教學(xué)模式上做了初步嘗試。

南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院依托江蘇省精密與微細(xì)制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，在金屬材料微器件微細(xì)特種加工方面建設(shè)有一批特色試驗(yàn)裝備。但受課時(shí)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源等限制，微機(jī)電系統(tǒng)與微細(xì)制造課程教學(xué)目前仍存在幾個(gè)突出矛盾：1.課程內(nèi)容博雜和課堂教學(xué)時(shí)間偏短的矛盾;2.實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源有限與實(shí)踐能力培養(yǎng)的矛盾;3.傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容與新技術(shù)方法層出不窮的矛盾。因此，開展新工科背景微機(jī)電系統(tǒng)與微細(xì)制造教育教學(xué)改革迫在眉睫。作為技術(shù)型專業(yè)課，實(shí)踐操作能力培養(yǎng)也應(yīng)該是本課程教育教學(xué)的重點(diǎn)任務(wù)。

二、基本對(duì)策

結(jié)合微細(xì)加工技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)和本校機(jī)械工程專業(yè)微細(xì)制造研究特色，筆者認(rèn)為開展新工科背景微細(xì)加工技術(shù)教育教學(xué)改革，可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行：

1.以微細(xì)特種加工研究特色，豐富教學(xué)內(nèi)容。教學(xué)過(guò)程充分發(fā)揮本校機(jī)械工程專業(yè)在微細(xì)特種加工領(lǐng)域的研究特色，一方面豐富學(xué)生的學(xué)緣結(jié)構(gòu)、激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，另一方面借助硬件條件培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐操作能力。教學(xué)融入微細(xì)特種加工領(lǐng)域成熟、最新研究成果、案例。例如，由金屬梁微結(jié)構(gòu)加工可擴(kuò)展到微細(xì)電解線切割技術(shù)在撓性彈性敏感元件加工中的成功應(yīng)用。

2.借助團(tuán)隊(duì)大作業(yè)，將實(shí)踐操作貫穿整個(gè)課程學(xué)習(xí)過(guò)程。首先，精心設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)大綱，充分利用科研硬件資源：如增加顯微鏡操作、微器件檢測(cè)等現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)內(nèi)容，提高學(xué)生對(duì)微機(jī)電系統(tǒng)與微細(xì)制造的直觀認(rèn)識(shí)。通過(guò)大作業(yè)，對(duì)學(xué)生分組，以完成加速度傳感器、微流道器件制作為目標(biāo)，根據(jù)課堂教學(xué)進(jìn)度分解工藝流程，學(xué)生在不同階段依次完成器件的設(shè)計(jì)、模板制作、加工、封裝等實(shí)踐操作，最后進(jìn)行成果展示推介。

3.學(xué)生中心化，鼓勵(lì)自主學(xué)習(xí)。學(xué)生既是課程的學(xué)習(xí)者，也是課程發(fā)展的參與人員，應(yīng)鼓勵(lì)學(xué)生組織自己的課堂、展示自我風(fēng)采。微機(jī)電系統(tǒng)與微細(xì)制造技術(shù)體系紛繁復(fù)雜，而課堂教學(xué)內(nèi)容有限。鼓勵(lì)引導(dǎo)學(xué)生以小作業(yè)形式進(jìn)行課外自主學(xué)習(xí)，歸類整理近年來(lái)最新研究成果，挑選優(yōu)秀內(nèi)容公開分享。碎片知識(shí)可作為其他學(xué)生學(xué)習(xí)的有益補(bǔ)充。此外，可通過(guò)微信程序補(bǔ)充自學(xué)內(nèi)容，并進(jìn)行線上考查。

4.改進(jìn)評(píng)價(jià)機(jī)制。在課程的各個(gè)階段，做好記錄;綜合個(gè)人大作業(yè)、團(tuán)隊(duì)大作業(yè)、微信平臺(tái)自主學(xué)習(xí)、考試等全面考查學(xué)生的創(chuàng)新能力、實(shí)踐能力、協(xié)作能力。

三、線上線下混合教學(xué)課程建設(shè)

因突發(fā)新冠肺炎疫情，全國(guó)所有高校的2020年春季學(xué)期教學(xué)計(jì)劃安排均面臨了極大困難與挑戰(zhàn)。在“互聯(lián)網(wǎng)+富媒體”背景下，開展后疫情時(shí)代混合式教學(xué)模式創(chuàng)新與實(shí)踐，應(yīng)成為未來(lái)教育的“新常態(tài)”，進(jìn)行線上線下混合式教學(xué)模式和策略“再設(shè)計(jì)”。運(yùn)用開發(fā)智慧教學(xué)工具，建設(shè)豐富線上教學(xué)資源，為學(xué)生創(chuàng)設(shè)積極的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，鼓勵(lì)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)，構(gòu)建自己對(duì)知識(shí)的理解運(yùn)用。

線上線下混合教學(xué)在教學(xué)過(guò)程設(shè)計(jì)、教學(xué)方法選擇等方面與傳統(tǒng)課堂教學(xué)有很大差異。教師不僅要設(shè)計(jì)全新的教學(xué)過(guò)程，建立新形態(tài)下的教學(xué)資源，采用全新的教學(xué)方法，還要熟悉相關(guān)的線上平臺(tái)，掌握多種形式的線上智慧教學(xué)工具。具體來(lái)說(shuō)，作者認(rèn)為應(yīng)從以下幾方面展開：

1.建立線上教學(xué)資源。收集微機(jī)電系統(tǒng)領(lǐng)域的新進(jìn)展、應(yīng)用案例、視頻資源、習(xí)題庫(kù)等，再根據(jù)實(shí)際情況分章節(jié)制作線上學(xué)習(xí)任務(wù)清單、微視頻、教學(xué)教案。

2.課前線上預(yù)習(xí)：針對(duì)課前線上預(yù)習(xí)的目的和特點(diǎn)，制作圖、文、聲、影并茂的線上預(yù)習(xí)教學(xué)資源，通過(guò)加工技術(shù)原理動(dòng)畫、技術(shù)產(chǎn)生和發(fā)展故事、經(jīng)典案例等方面，讓學(xué)生對(duì)加工方法建立起基本概念，激發(fā)學(xué)生思考該加工方法的適用場(chǎng)合。在預(yù)習(xí)結(jié)束后設(shè)置師生互動(dòng)的開放性習(xí)題，便于老師知曉學(xué)生對(duì)線上預(yù)習(xí)資源的興趣點(diǎn)，掌握學(xué)生感興趣的案例，對(duì)后續(xù)課堂教學(xué)起指導(dǎo)作用，也為進(jìn)一步更新和優(yōu)化線上預(yù)習(xí)資源奠定基礎(chǔ)。

3.課堂混合教學(xué)。根據(jù)其他課程教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，擬采用超星學(xué)習(xí)通、雨課堂等智慧教學(xué)平臺(tái)作為混合教學(xué)工具。課前，學(xué)生通過(guò)精品課程平臺(tái)、電子書預(yù)習(xí)，完成學(xué)習(xí)任務(wù);課堂教學(xué)時(shí)，借助雨課堂記錄課堂情況（簽到、測(cè)試、成績(jī)統(tǒng)計(jì)），借助彈幕、搶答等互動(dòng)方式提高課堂活躍度;課后，學(xué)生可以通過(guò)雨課堂回放功能溫習(xí)。

4.線上線下混合實(shí)驗(yàn)：探索線上線下結(jié)合的個(gè)性化、智能化、泛在化實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式。制作各種微細(xì)制造方法的演示試驗(yàn)視頻，用于線上學(xué)習(xí);制作南航特色微細(xì)加工方法的演示視頻，用于課堂串講;在實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場(chǎng)演示、展示豐富的加工樣件，并進(jìn)行講解剖析;籌劃開發(fā)特色加工案例虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

5.考核方式改進(jìn)。特別需要指出的是，應(yīng)提高平時(shí)成績(jī)?cè)诳偝煽?jī)中的比重，可通過(guò)雨課堂來(lái)記錄隨堂測(cè)驗(yàn)成績(jī)作為平時(shí)成績(jī)，來(lái)衡量學(xué)生的課堂表現(xiàn)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性和積極性。課堂測(cè)驗(yàn)題目多選擇重要知識(shí)點(diǎn)或難點(diǎn)，再通過(guò)習(xí)題講解、教學(xué)討論起到鞏固強(qiáng)調(diào)作用。擬采用的各環(huán)節(jié)考核比例如下：線上學(xué)習(xí)表現(xiàn)（學(xué)時(shí)、測(cè)試）：15%;課堂學(xué)習(xí)表現(xiàn)（課堂表現(xiàn)、測(cè)試）：30%;分組實(shí)例互動(dòng)：15%;考試（卷面成績(jī)）：30%;實(shí)驗(yàn)報(bào)告：10%。

四、虛擬仿真混合實(shí)驗(yàn)建設(shè)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛴行Ы鉀Q微機(jī)電系統(tǒng)與微細(xì)制造實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中出現(xiàn)的經(jīng)費(fèi)有限、實(shí)驗(yàn)資源有限等問(wèn)題。例如，建設(shè)超凈間、購(gòu)買光刻機(jī)、實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行維護(hù)需要大量經(jīng)費(fèi);光刻膠、掩膜板制備等屬耗材費(fèi)用高、操作存在一定危險(xiǎn)性的實(shí)驗(yàn)操作;化學(xué)試劑使用不當(dāng)存在毒氣泄露的可能;完整器件制作存在工藝的全過(guò)程實(shí)踐等問(wèn)題，虛擬仿真教學(xué)完全可以輕而易舉的加以解決。

對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)，可以提前安排預(yù)習(xí)認(rèn)知時(shí)間，制定學(xué)習(xí)目標(biāo)和學(xué)習(xí)規(guī)劃，深入認(rèn)識(shí)并借助虛擬仿真教學(xué)軟硬件平臺(tái)，提升自身實(shí)踐與創(chuàng)新能力。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)隨意性增加，可能達(dá)不到預(yù)期的教學(xué)效果。對(duì)教師而言，需要適應(yīng)新的教學(xué)方式，設(shè)計(jì)虛擬仿真教學(xué)過(guò)程，成為虛擬仿真教學(xué)過(guò)程的監(jiān)督者和引導(dǎo)者。通過(guò)虛擬仿真教學(xué)方法，實(shí)現(xiàn)教師與學(xué)生的充分互動(dòng)、深度融合，可取得理想的教學(xué)效果。具體做法如下：

1.線上實(shí)驗(yàn)課程?；静僮餍蛯?shí)驗(yàn)教學(xué)全部由虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目組成，涵蓋光刻、硅加工、增減材工藝、刻蝕、封裝等工藝流程的教學(xué)視頻、操作平臺(tái)。

2.線上線下混合式實(shí)驗(yàn)課程。由現(xiàn)場(chǎng)演示實(shí)驗(yàn)和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目組成，在演示實(shí)驗(yàn)的選擇方面，應(yīng)保留內(nèi)容優(yōu)質(zhì)、綜合性強(qiáng)、體現(xiàn)南航研究特色的實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目。通過(guò)優(yōu)化實(shí)體實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的內(nèi)容，減少實(shí)體實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的學(xué)時(shí)，為引入先進(jìn)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目騰出空間。

五、預(yù)期效果

通過(guò)線上線下混合教學(xué)，預(yù)期能達(dá)到以下效果：

1.課前、課中、課后定位明確，功能規(guī)劃合理。明確劃分了課前、課中、課后的功能，從課前預(yù)習(xí)的“初見”，到課堂學(xué)習(xí)的“相識(shí)”，到課后復(fù)習(xí)和互動(dòng)中的“相知”，充分發(fā)揮出線上線下混合式教學(xué)模式的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，便于充分激發(fā)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，使學(xué)生從被動(dòng)聽課向主動(dòng)參與轉(zhuǎn)變。

2.系統(tǒng)構(gòu)建線上線下教學(xué)資源，教學(xué)資源豐富。在充分收集網(wǎng)絡(luò)資源的基礎(chǔ)上，對(duì)資源進(jìn)行系統(tǒng)整理和重建，采用配音PPT、短視頻、短動(dòng)畫等多種表現(xiàn)形式，對(duì)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行圖、文、聲、影并茂的介紹和展示，充分調(diào)動(dòng)起學(xué)生的興趣，提升線上線下教學(xué)效果。

3.加強(qiáng)線上線下互動(dòng)，激勵(lì)學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題。通過(guò)設(shè)計(jì)分組大作業(yè)、小作業(yè)，讓學(xué)生在規(guī)定的加工目標(biāo)下分組查閱資料，研討加工方案，并對(duì)加工方案進(jìn)行可行性分析，使學(xué)生親身參與“工藝攻關(guān)”，實(shí)現(xiàn)知識(shí)點(diǎn)掌握程度從“知曉”到“會(huì)用”的跨越。

最終，通過(guò)線上教學(xué)平臺(tái)、教學(xué)資源建設(shè)，線上線上混合課堂教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)形成具有專業(yè)特色的課堂教學(xué)、實(shí)踐教學(xué)、現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)、實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容;形成個(gè)人、團(tuán)隊(duì)大作業(yè)相結(jié)合的自主學(xué)習(xí)、團(tuán)隊(duì)學(xué)習(xí)模式;形成學(xué)習(xí)全過(guò)程綜合素養(yǎng)評(píng)價(jià)體系。本課程的成功嘗試與總結(jié)提高，對(duì)于其他技術(shù)型專業(yè)課程有借鑒作用，有助于解決其他課程存在的類似困境。

參考文獻(xiàn)：

[1]李培根.工科何以而新.高等工程教育研究，2017（4）：1-4，15.

[2]中國(guó)教育科學(xué)研究院課題組.完善先進(jìn)制造業(yè)重點(diǎn)領(lǐng)域人才培養(yǎng)體系研究.教育研究，2016（1）：4-16.

[3]李秀紅，李文輝.新工科背景下機(jī)械類專業(yè)基礎(chǔ)課程改革研究.教育理論與實(shí)踐，2019（3）：36-38.

[4]黃利亞，羅振兵，鄧雄，黃敏超.“新工科”背景下研究生實(shí)踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)的探索.高教學(xué)刊，2019（25）：39-41.

[5]李立國(guó).工業(yè)4.0時(shí)代的高等教育人才培養(yǎng)模式.清華大學(xué)教育研究，2016（1）：6-15，38.

[6]云乃彰，朱荻.微機(jī)電系統(tǒng)與微細(xì)加工技術(shù).哈爾濱工程大學(xué)出版社，2008.

[7]左惟.趨勢(shì)與變革：高校開展線上教學(xué)的幾點(diǎn)思考.中國(guó)高等教育，2020（7）.

[8]狄海廷，董喜斌，李耀翔，辛穎，石金龍.高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的可持續(xù)發(fā)展機(jī)制研究.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2018（5）：236-238，242.

[9]柳洪潔，宋月鵬，馬蘭婷，張觀山，張智龍，王征.國(guó)內(nèi)外虛擬仿真教學(xué)的發(fā)展現(xiàn)狀.教育教學(xué)論壇，2020（17）：124-126.

作者簡(jiǎn)介：

房曉龍（1987-），男，漢族，江蘇如皋人，副教授，博士，研究方向：精密微細(xì)特種加工技術(shù)。