《微机电系统与微细制造》精品课程建设思考

房晓龙 李寒松

【摘要】为主动服务战略新兴产业转型升级、电子产业自主可控迫切需求，结合新工科高等工程教育新理念、微机电系统与微细制造技术发展趋势、后疫情时代混合教学需求，思考通过丰富教学内涵、改革教学模式、强化实践操作、改进评价机制、虚拟仿真实验等，培养学生的综合工程素养和创新实践能力。

【关键词】新工科  微机电系统  微细制造  混合教学  实践  评价机制

【基金项目】南京航空航天大学研究生国际化精品课程建设项目（2019YGJKC04）。

【中图分类号】G64 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2021）04-0148-03

微机电系统与微细制造是一门涉及微电子学、信息学、材料、能源、制造、测试以及纳米技术等多个学科的交叉学科，其技术体系纷繁复杂，且新技术方法层出不穷。以微细特种加工技术为代表的制造方法，在光、电、信息、芯片制造中正逐步承担更多的加工任务，产业自主可控、需求升级和新技术发展对机械工程专业学生培养提出了新的要求。“新工科”高等工程教育要求一线教师主动求变，接受新理念、采用新方法、体现新时代特征，培养国际化复合型工科人才。

一、国内外现状

以作者在美国伊利诺伊大学香槟分校机械系（该校机械工程本科专业2019年US News排名第6）访学调研情况为例：该校机械系本科生毕业需完成通识教育、基础课、专业课、课程设计等四类128个学分学习。其中，需要选修两门高阶专业课程。微机电系统与微细制造是4学分的高阶选修课，教学内容主要是包括光刻、硅加工、增减材工艺、刻蚀、封装等。课程组织形式包括：27次课堂教学（80分钟/次）和10次实验课（2-3小时/次）。课程考核方式包含：2个大作业（占总成绩25%）、2次随堂考试（占总成绩40%）、平时作业（占总成绩10%）、期末考试（占总成绩25%）。美国以及国内高校微机电系统与微细制造课程大多是以介绍半导体光刻工艺技术为主，对其他技术方法的介绍普遍较少。国内大学通过混合式立体化教学、慕课、微课等新的形式在教育教学模式上做了初步尝试。

南京航空航天大学机电学院依托江苏省精密与微细制造技术重点实验室，在金属材料微器件微细特种加工方面建设有一批特色试验装备。但受课时、实验教学资源等限制，微机电系统与微细制造课程教学目前仍存在几个突出矛盾：1.课程内容博杂和课堂教学时间偏短的矛盾;2.实验教学资源有限与实践能力培养的矛盾;3.传统教学内容与新技术方法层出不穷的矛盾。因此，开展新工科背景微机电系统与微细制造教育教学改革迫在眉睫。作为技术型专业课，实践操作能力培养也应该是本课程教育教学的重点任务。

二、基本对策

结合微细加工技术发展趋势和本校机械工程专业微细制造研究特色，笔者认为开展新工科背景微细加工技术教育教学改革，可以从以下几个方面进行：

1.以微细特种加工研究特色，丰富教学内容。教学过程充分发挥本校机械工程专业在微细特种加工领域的研究特色，一方面丰富学生的学缘结构、激发学习兴趣，另一方面借助硬件条件培养学生的实践操作能力。教学融入微细特种加工领域成熟、最新研究成果、案例。例如，由金属梁微结构加工可扩展到微细电解线切割技术在挠性弹性敏感元件加工中的成功应用。

2.借助团队大作业，将实践操作贯穿整个课程学习过程。首先，精心设计实践教学大纲，充分利用科研硬件资源：如增加显微镜操作、微器件检测等现场教学内容，提高学生对微机电系统与微细制造的直观认识。通过大作业，对学生分组，以完成加速度传感器、微流道器件制作为目标，根据课堂教学进度分解工艺流程，学生在不同阶段依次完成器件的设计、模板制作、加工、封装等实践操作，最后进行成果展示推介。

3.学生中心化，鼓励自主学习。学生既是课程的学习者，也是课程发展的参与人员，应鼓励学生组织自己的课堂、展示自我风采。微机电系统与微细制造技术体系纷繁复杂，而课堂教学内容有限。鼓励引导学生以小作业形式进行课外自主学习，归类整理近年来最新研究成果，挑选优秀内容公开分享。碎片知识可作为其他学生学习的有益补充。此外，可通过微信程序补充自学内容，并进行线上考查。

4.改进评价机制。在课程的各个阶段，做好记录;综合个人大作业、团队大作业、微信平台自主学习、考试等全面考查学生的创新能力、实践能力、协作能力。

三、线上线下混合教学课程建设

因突发新冠肺炎疫情，全国所有高校的2020年春季学期教学计划安排均面临了极大困难与挑战。在“互联网+富媒体”背景下，开展后疫情时代混合式教学模式创新与实践，应成为未来教育的“新常态”，进行线上线下混合式教学模式和策略“再设计”。运用开发智慧教学工具，建设丰富线上教学资源，为学生创设积极的学习体验，鼓励学生主动学习，构建自己对知识的理解运用。

线上线下混合教学在教学过程设计、教学方法选择等方面与传统课堂教学有很大差异。教师不仅要设计全新的教学过程，建立新形态下的教学资源，采用全新的教学方法，还要熟悉相关的线上平台，掌握多种形式的线上智慧教学工具。具体来说，作者认为应从以下几方面展开：

1.建立线上教学资源。收集微机电系统领域的新进展、应用案例、视频资源、习题库等，再根据实际情况分章节制作线上学习任务清单、微视频、教学教案。

2.课前线上预习：针对课前线上预习的目的和特点，制作图、文、聲、影并茂的线上预习教学资源，通过加工技术原理动画、技术产生和发展故事、经典案例等方面，让学生对加工方法建立起基本概念，激发学生思考该加工方法的适用场合。在预习结束后设置师生互动的开放性习题，便于老师知晓学生对线上预习资源的兴趣点，掌握学生感兴趣的案例，对后续课堂教学起指导作用，也为进一步更新和优化线上预习资源奠定基础。

3.课堂混合教学。根据其他课程教学经验，拟采用超星学习通、雨课堂等智慧教学平台作为混合教学工具。课前，学生通过精品课程平台、电子书预习，完成学习任务;课堂教学时，借助雨课堂记录课堂情况（签到、测试、成绩统计），借助弹幕、抢答等互动方式提高课堂活跃度;课后，学生可以通过雨课堂回放功能温习。

4.线上线下混合实验：探索线上线下结合的个性化、智能化、泛在化实验教学新模式。制作各种微细制造方法的演示试验视频，用于线上学习;制作南航特色微细加工方法的演示视频，用于课堂串讲;在实验室现场演示、展示丰富的加工样件，并进行讲解剖析;筹划开发特色加工案例虚拟仿真实验平台。

5.考核方式改进。特别需要指出的是，应提高平时成绩在总成绩中的比重，可通过雨课堂来记录随堂测验成绩作为平时成绩，来衡量学生的课堂表现，激发学生的学习主动性和积极性。课堂测验题目多选择重要知识点或难点，再通过习题讲解、教学讨论起到巩固强调作用。拟采用的各环节考核比例如下：线上学习表现（学时、测试）：15%;课堂学习表现（课堂表现、测试）：30%;分组实例互动：15%;考试（卷面成绩）：30%;实验报告：10%。

四、虚拟仿真混合实验建设

虚拟仿真实验能够有效解决微机电系统与微细制造实践教学过程中出现的经费有限、实验资源有限等问题。例如，建设超净间、购买光刻机、实验室运行维护需要大量经费;光刻胶、掩膜板制备等属耗材费用高、操作存在一定危险性的实验操作;化学试剂使用不当存在毒气泄露的可能;完整器件制作存在工艺的全过程实践等问题，虚拟仿真教學完全可以轻而易举的加以解决。

对学生来说，可以提前安排预习认知时间，制定学习目标和学习规划，深入认识并借助虚拟仿真教学软硬件平台，提升自身实践与创新能力。虚拟仿真实验学习随意性增加，可能达不到预期的教学效果。对教师而言，需要适应新的教学方式，设计虚拟仿真教学过程，成为虚拟仿真教学过程的监督者和引导者。通过虚拟仿真教学方法，实现教师与学生的充分互动、深度融合，可取得理想的教学效果。具体做法如下：

1.线上实验课程。基本操作型实验教学全部由虚拟仿真实验教学项目组成，涵盖光刻、硅加工、增减材工艺、刻蚀、封装等工艺流程的教学视频、操作平台。

2.线上线下混合式实验课程。由现场演示实验和虚拟仿真实验教学项目组成，在演示实验的选择方面，应保留内容优质、综合性强、体现南航研究特色的实体实验教学项目。通过优化实体实验项目的内容，减少实体实验项目的学时，为引入先进的虚拟仿真实验项目腾出空间。

五、预期效果

通过线上线下混合教学，预期能达到以下效果：

1.课前、课中、课后定位明确，功能规划合理。明确划分了课前、课中、课后的功能，从课前预习的“初见”，到课堂学习的“相识”，到课后复习和互动中的“相知”，充分发挥出线上线下混合式教学模式的优势，实现优势互补，便于充分激发学生的主观能动性，使学生从被动听课向主动参与转变。

2.系统构建线上线下教学资源，教学资源丰富。在充分收集网络资源的基础上，对资源进行系统整理和重建，采用配音PPT、短视频、短动画等多种表现形式，对相关知识点进行图、文、声、影并茂的介绍和展示，充分调动起学生的兴趣，提升线上线下教学效果。

3.加强线上线下互动，激励学生解决实际问题。通过设计分组大作业、小作业，让学生在规定的加工目标下分组查阅资料，研讨加工方案，并对加工方案进行可行性分析，使学生亲身参与“工艺攻关”，实现知识点掌握程度从“知晓”到“会用”的跨越。

最终，通过线上教学平台、教学资源建设，线上线上混合课堂教学、实验教学形成具有专业特色的课堂教学、实践教学、现场教学、实践教学内容;形成个人、团队大作业相结合的自主学习、团队学习模式;形成学习全过程综合素养评价体系。本课程的成功尝试与总结提高，对于其他技术型专业课程有借鉴作用，有助于解决其他课程存在的类似困境。

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作者简介：

房晓龙（1987-），男，汉族，江苏如皋人，副教授，博士，研究方向：精密微细特种加工技术。