任玉坤，李?yuàn)檴櫍樵?/p>

（哈爾濱工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001）

高等教育的普及，關(guān)系著國(guó)家民族的整體人口素質(zhì)，是政府和社會(huì)各界共同關(guān)注的熱點(diǎn)話題。大學(xué)教學(xué)不是即席演講，而是一種有目的、有計(jì)劃的教學(xué)活動(dòng)科學(xué)，合理地組織教學(xué)是大學(xué)教師進(jìn)行有效教學(xué)的前提條件[1]。高校教材的更新遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上科技前沿發(fā)展的速度，教材的相對(duì)滯后給合理組織教學(xué)內(nèi)容和備課提出了更高的挑戰(zhàn)。高校教師應(yīng)當(dāng)是在某專業(yè)領(lǐng)域?qū)W識(shí)廣博，學(xué)有所成，具有較深厚的理論功底和知識(shí)體系的教學(xué)科研并重型人才[2]。本文結(jié)合哈爾濱工業(yè)大學(xué)工科機(jī)電專業(yè)基礎(chǔ)課程《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》教學(xué)中的實(shí)例，在工科類學(xué)生教學(xué)過(guò)程中引入大量的先進(jìn)工業(yè)技術(shù)應(yīng)用實(shí)例和科技發(fā)展前沿動(dòng)態(tài)，教學(xué)效果和師生互動(dòng)得到了明顯的加強(qiáng)，極大促進(jìn)了學(xué)生課堂和課外學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，激發(fā)了學(xué)生開(kāi)展積極課外科技拓展實(shí)踐活動(dòng)的自覺(jué)性，有利于教學(xué)科研的相得益彰。同時(shí)，還促進(jìn)了高校教師追蹤科技發(fā)展動(dòng)態(tài)，并將其融入課堂教學(xué)的主動(dòng)性，有效避免了現(xiàn)實(shí)生活與教材的“剝離”。將科研動(dòng)態(tài)與課堂教學(xué)相結(jié)合，是國(guó)內(nèi)科研型高校提高教學(xué)質(zhì)量，創(chuàng)建世界一流大學(xué)的初步嘗試。

一、充分備課是合理組織教學(xué)的前提

在目前展開(kāi)的實(shí)際教學(xué)活動(dòng)中，工科的教學(xué)依然以教材為主，以工科實(shí)驗(yàn)、參觀認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)和金工電子實(shí)習(xí)作為輔助。作為教學(xué)主要環(huán)節(jié)的課堂教學(xué)采用的教材，普遍存在滯后于社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的情況[3]。教材類專著的編寫，大多基于存世數(shù)百年的經(jīng)典理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)過(guò)領(lǐng)域內(nèi)多名專家學(xué)者的反復(fù)論證和修改編寫而成，大部分學(xué)生在教材中獲取的書本知識(shí)，在走入社會(huì)后往往已經(jīng)過(guò)時(shí)。這一現(xiàn)象對(duì)于學(xué)生和高校而言，是一種時(shí)間和教育資源的浪費(fèi)；對(duì)于用人單位而言，新入職員工不能勝任崗位工作，需要經(jīng)過(guò)專門培訓(xùn)才能順利工作，培訓(xùn)的時(shí)間成本、財(cái)力和機(jī)會(huì)成本徒增。針對(duì)現(xiàn)有教材相對(duì)滯后的缺點(diǎn)，不少教師嘗試在高校教學(xué)中引入最新科技發(fā)展動(dòng)態(tài)和前沿科技應(yīng)用的展示。一方面，高校教師大多承擔(dān)一定的科研任務(wù)，對(duì)于行業(yè)內(nèi)新技術(shù)的發(fā)展脈絡(luò)具有很好把握，同時(shí)熟悉業(yè)內(nèi)主流科技期刊，可以及時(shí)追蹤當(dāng)前行業(yè)內(nèi)部的科技發(fā)展動(dòng)態(tài)。這為將前沿科技引入課堂創(chuàng)造了得天獨(dú)厚的條件。國(guó)家級(jí)省級(jí)著名教學(xué)名師們的授課效果深受不同知識(shí)基礎(chǔ)和學(xué)習(xí)能力學(xué)生群體的廣泛認(rèn)可，他們的教學(xué)風(fēng)格也有很大差異，大體上有兩種風(fēng)格。一種是嚴(yán)格按照教學(xué)大綱，教師課前備課充分，在課堂上完全不看講稿就能用嚴(yán)謹(jǐn)?shù)恼Z(yǔ)言出口成章，學(xué)生只需要做好筆記，也能很好地掌握課程內(nèi)容。另一種風(fēng)格是在教學(xué)大綱的框架內(nèi)，老師憑借自己寬廣的知識(shí)面自由發(fā)揮，講得生動(dòng)活潑，趣味橫生，但學(xué)生課后復(fù)習(xí)要花很多時(shí)間翻閱教材才能掌握課程的基本內(nèi)容。這兩種授課方式孰優(yōu)孰劣頗受爭(zhēng)議，一時(shí)間很難評(píng)出高下，因?yàn)檫@要看課程性質(zhì)和授課對(duì)象。大多數(shù)學(xué)者和教師認(rèn)為對(duì)于低年級(jí)的基礎(chǔ)理論課，應(yīng)該采用第一種方式，而給高年級(jí)（特別是研究生）講課，可能第二種方式更好。前者備教材，后者需具有寬厚的知識(shí)儲(chǔ)備。無(wú)論采用何種教學(xué)風(fēng)格，都離不開(kāi)課前的充分備課。充分的備課不僅要求要求教師對(duì)授課內(nèi)容和知識(shí)點(diǎn)爛熟于心，還要求具有較為有效的教學(xué)策略，掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)心理，對(duì)課堂講學(xué)的順利有效有良好的把握。

二、引入科技前沿發(fā)展動(dòng)態(tài)是充分備課的有效形式

傳統(tǒng)的備課方式要求做到備教材、備學(xué)生、備方法[4]。從備課的流程來(lái)看，教學(xué)設(shè)計(jì)必須源于對(duì)教材的正確理解和把握。教師只有認(rèn)真細(xì)致的研究教材，對(duì)教材有一個(gè)全面的、正確的理解和把握，才能設(shè)計(jì)一個(gè)比較合理的教學(xué)設(shè)計(jì)。教師在備課過(guò)程中，采用好的教學(xué)方法，可以充分調(diào)動(dòng)發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，從而創(chuàng)造出高效率的課堂教學(xué)。將前沿科技成果引入到課堂中，對(duì)教師的備課提出了很高的要求。從上世紀(jì)50年代開(kāi)始，美國(guó)的科學(xué)教育雜志就不時(shí)發(fā)表一些相關(guān)的研究報(bào)告。例如，采用科幻進(jìn)行公民教育、閱讀教育、物理化學(xué)生物天文學(xué)教學(xué)等[5]。上述實(shí)踐不但在大學(xué)進(jìn)行，也在中小學(xué)進(jìn)行。多數(shù)研究積累了經(jīng)驗(yàn)，獲得了不同程度的第一手信息，也發(fā)現(xiàn)了科幻教學(xué)中的不足?？苹媒虒W(xué)以生動(dòng)有趣故事作為引子，啟發(fā)學(xué)生開(kāi)始自我探索，自我尋找和學(xué)習(xí)，這使他們學(xué)會(huì)了探究科學(xué)問(wèn)題的方法。其不足之處就是沒(méi)有深厚的科學(xué)理論和較為嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)術(shù)證明。相比之下，發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊上的科研發(fā)展動(dòng)態(tài)則是經(jīng)過(guò)學(xué)者審慎嚴(yán)格的論證而得出，具有相當(dāng)強(qiáng)的學(xué)術(shù)性、邏輯性和理論基礎(chǔ)，更適合作為高校研究生和本科生課堂內(nèi)容。將科研成果融入到傳統(tǒng)教材進(jìn)行備課，對(duì)高校教學(xué)質(zhì)量的提升尤為重要。在新形勢(shì)下，以社會(huì)需求為導(dǎo)向，培養(yǎng)具有創(chuàng)新思維和工程實(shí)踐能力，能深入一線進(jìn)行新技術(shù)、新產(chǎn)品和新工藝研究的新型工程技術(shù)人才，是當(dāng)前國(guó)際上高等工程教育的基本走向[6]。在教材備課的同時(shí)，引入科研發(fā)展動(dòng)態(tài)，是充分備課的有效形式。這樣可以充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，加強(qiáng)課堂授課效果，同時(shí)也能提高教師的科研和教學(xué)水平。國(guó)內(nèi)許多高校和學(xué)者對(duì)此做出了努力和嘗試，受到廣大學(xué)生的認(rèn)可。以復(fù)旦大學(xué)楊玉良擔(dān)任校長(zhǎng)面向全校本科生開(kāi)設(shè)公開(kāi)選修課為例，作為我國(guó)第一代高分子專業(yè)博士、中科院院士、多項(xiàng)“863”、“973”重大科研計(jì)劃負(fù)責(zé)人和復(fù)旦大學(xué)校長(zhǎng)，他本身也是一名教師，楊玉良院士在備課過(guò)程中幾易其稿，課上播放的PPT多達(dá)154頁(yè)。來(lái)自軟件工程的2012級(jí)本科生方家婧就感言聽(tīng)校長(zhǎng)上課“和老師平時(shí)上課一樣親近，校長(zhǎng)講的許多東西很前沿，給了我一些新的視角，雖然與我的專業(yè)關(guān)聯(lián)性不大，但是依然感覺(jué)很有收獲”[7]。值得指出，楊院士將科技前沿發(fā)展動(dòng)態(tài)引入到課堂，為青年教師提高自身科研教學(xué)相結(jié)合的能力提供了參考。

三、引入科技動(dòng)態(tài)在機(jī)電專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用效果

作為傳統(tǒng)的工科專業(yè)，機(jī)電一體化專業(yè)培養(yǎng)具有必備基礎(chǔ)理論知識(shí)、專門知識(shí)和較強(qiáng)的從事本專業(yè)領(lǐng)域?qū)嶋H工作的能力，適應(yīng)生產(chǎn)建設(shè)、管理、服務(wù)第一線需要的，德、智、體、美等方面全面發(fā)展的高級(jí)應(yīng)用型、技術(shù)型人才。機(jī)電專業(yè)歷經(jīng)幾百年的發(fā)展，已經(jīng)形成非常成熟的理論體系和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)?，F(xiàn)代機(jī)電設(shè)備朝著兩個(gè)大方向發(fā)展，一是大型化綜合化，二是微型化和智能化。隨著器件微型化的發(fā)展，微機(jī)電系統(tǒng)已經(jīng)成為當(dāng)今科技發(fā)展的熱點(diǎn)。本課題組承擔(dān)的科研任務(wù)之一是針對(duì)微機(jī)電系統(tǒng)中微流體驅(qū)動(dòng)和微納粒子操控機(jī)理及應(yīng)用的研究，因此，也對(duì)校內(nèi)研究生開(kāi)展了相關(guān)的選修課程《微機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制造》。實(shí)踐證明，在實(shí)際教學(xué)中，關(guān)注和引進(jìn)最新的科技發(fā)展動(dòng)態(tài)，取得了良好的教學(xué)效果。下面以微機(jī)電系統(tǒng)中微流控芯片技術(shù)的發(fā)展動(dòng)態(tài)為例說(shuō)明。微流控技術(shù)被Forbes雜志評(píng)為影響人類未來(lái)15件最重要的發(fā)明之一。直至今日，各國(guó)科學(xué)家在這一領(lǐng)域做出更加顯著地成績(jī)。微流控技術(shù)作為當(dāng)前分析科學(xué)的重要發(fā)展前沿，在研究與應(yīng)用方面都取得了飛速的發(fā)展。在課堂中引入這一個(gè)具有明顯學(xué)科交叉特點(diǎn)的新概念，可以開(kāi)拓學(xué)生的視野。微流控芯片實(shí)驗(yàn)室，又稱其為芯片實(shí)驗(yàn)室（Lab-on-a-Chip）或微流控芯片（Microfluidic Chip）。微流控芯片是微流控技術(shù)（Microfluidics）實(shí)現(xiàn)的主要平臺(tái)。其裝置特征主要是其容納流體的有效結(jié)構(gòu)（通道、反應(yīng)室和其他某些功能部件）至少在一個(gè)維度上為微米級(jí)尺度，操控微小體積的流體在微小空間中的活動(dòng)，在微小的芯片上構(gòu)建化學(xué)或生物實(shí)驗(yàn)室，從而將多種化學(xué)和生物學(xué)的過(guò)程集成到快速和自動(dòng)的微流控系統(tǒng)。由于微米級(jí)的結(jié)構(gòu)，流體在其中顯示和產(chǎn)生了與宏觀尺度不同的特殊性能，因此發(fā)展出獨(dú)特的分析產(chǎn)生的性能。隨著微流控芯片的不斷發(fā)展，科學(xué)家逐漸認(rèn)識(shí)到微型全分析系統(tǒng)只是微流控芯片的一個(gè)類別。微型全分析系統(tǒng)是以樣品分析為最終目的一類微流控芯片的統(tǒng)稱。微型全分析系統(tǒng)的目的是通過(guò)分析設(shè)備的微型化與集成化，最大限度地將分析實(shí)驗(yàn)室的功能轉(zhuǎn)移到便攜的分析設(shè)備中。微型全分析系統(tǒng)將生化分析的許多過(guò)程與步驟，即生化分析實(shí)驗(yàn)室的“功能集成結(jié)構(gòu)縮微”在幾平方厘米左右或更小的芯片上，具有檢測(cè)速度快、試樣用量少、通量高等顯著的特點(diǎn)。微流控分析芯片綜合了MEMS技術(shù)與微流體力學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、計(jì)算機(jī)、材料等多學(xué)科領(lǐng)域，可以實(shí)現(xiàn)多種分析功能，最大限度地把采樣、稀釋、加試劑、反應(yīng)、分離、檢測(cè)等分析功能集成為一體的微型全分析系統(tǒng)。這一技術(shù)具有相當(dāng)明確的應(yīng)用背景，可以激發(fā)學(xué)生的想象力。部分學(xué)生在聽(tīng)取本課程之后，積極的探索開(kāi)發(fā)新型的全自動(dòng)或者半自動(dòng)的微流控芯片檢測(cè)系統(tǒng)，真正做到了學(xué)以致用。另一方面，微流控芯片技術(shù)引入機(jī)電專業(yè)課堂，有利于啟發(fā)學(xué)生探索機(jī)械加工新工藝。微流控分析芯片發(fā)源于MEMS技術(shù)，因此早期常用的材料是晶體硅和玻璃。高分子聚合物材料近年來(lái)己經(jīng)成為微流控芯片加工的主導(dǎo)材料，它的種類繁多、價(jià)格便宜、絕緣性好，可施加高電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)快速分離，加工成型方便，易于實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)。但是硅材料也具有本身的缺點(diǎn)，這些影響了硅的應(yīng)用。玻璃己被廣泛用于制作微流控芯片，使用光刻和蝕刻技術(shù)可以將微通道網(wǎng)絡(luò)刻在玻璃材料上，它的優(yōu)點(diǎn)是有一定的強(qiáng)度、散熱性、透光性和絕緣性都比較好，很適合通常的樣品分析。在學(xué)習(xí)機(jī)械加工工藝方法時(shí)，必須要充分考慮材料本身的特點(diǎn)。通過(guò)微流控芯片基底加工的實(shí)例，學(xué)生對(duì)于機(jī)械加工工藝和材料選擇有了深刻的理解。目前，高分子聚合物材料由于成本低、易于加工成型和批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，得到了越來(lái)越多的關(guān)注。例如PDMS芯片經(jīng)軟刻蝕加工技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)高精度微結(jié)構(gòu)的生成。并且，由于這種材料的彈性，可以更好地與外界部件進(jìn)行整合。PDMS芯片應(yīng)用在某些生物實(shí)驗(yàn)中，可以形成足夠穩(wěn)定的溫度梯度，便于反應(yīng)的實(shí)現(xiàn)。除此之外，由于其對(duì)可見(jiàn)光與紫外光的可穿透性，使其得以與多種光學(xué)檢測(cè)器實(shí)現(xiàn)聯(lián)用。在細(xì)胞實(shí)驗(yàn)中，由于PDMS的無(wú)毒特征以及透氣性，因此顯現(xiàn)與出其他聚合物材料相比不可替代的地位。PDMS微通道的加工不是傳統(tǒng)的去除式切削加工，而是類似軟“鑄造”的一種需要模具和流動(dòng)性材料的工藝，開(kāi)闊了學(xué)生在機(jī)械加工工藝手段領(lǐng)域的眼界。

總之，將科研成果融入到傳統(tǒng)教材開(kāi)展教學(xué)，對(duì)高校教學(xué)質(zhì)量的提升尤為重要?？梢耘囵B(yǎng)出具有創(chuàng)新思維和工程實(shí)踐能力，能深入一線進(jìn)行新技術(shù)、新產(chǎn)品和新工藝研究的新型工程技術(shù)人才，同時(shí)還有利于教師隊(duì)伍知識(shí)的更新和科研素質(zhì)，應(yīng)當(dāng)大力提倡。

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