工训教学中机械测量教学模式分析和探索

    刘利 刘江丽 李宏

    

    摘 ?要 机械测量实践教学对学生工程综合能力的培养具有重要作用。从实践教学目标、实践教学设备、教学安排几个方面，对现阶段机械测量实践教学环节进行解析，并针对各环节存在的突出问题，提出课程改革方案。

    关键词 工科高校;机械测量;工程训练;实践教學;实验室;实训设备

    中图分类号：G642 ? ?文献标识码：B

    文章编号：1671-489X（2019）21-0127-03

    1 前言

    机械测量技术与机械制造行业的各个环节密切相关，如机械设计、机械制造、质量控制、生产组织管理等，并具有举足轻重的地位[1]。科技的发展和工业水平的提高，使得机械测量技术迅猛发展，测量技术朝着精密化、集成化和智能化的方向前进[2]。工程训练属于工程实践教育范畴，是我国工科高校内实施工程实践教育和教学的主平台，已成为高校中受众学生数最多的实践教学基地[3]。在工程实践过程中，大学生通过对工业制造环节的各种具体加工工种包括传统的车、铣、刨、磨加工方式和激光加工、线切割、3D打印等先进加工方式进行实践学习，了解和体验工业文化。这其中机械测量与各实践项目间联系密切，通过测量具体零件真实尺寸，切身感受由于生产环节中的各种因素带来的加工误差，进而理解零件互换性和公差概念将会更加直观[4]，借由整个实践过程更好地培养学生的实践能力和创新意识。

    2 现阶段机械测量教学模式解析

    工程实践中的测量实践目标 ?工程训练具有通识性基础工程实践教学特征，旨在不同专业学生间传播通行的知识和问题处理方式，以便学生整体认识工业世界，形成自己的工业常识和思维方式。现阶段测量实践教学过程主要侧重于学生快速掌握指定测量器具的使用，并完成较为浅显的实践型操作，学生对于测量实践的学习达到初步的认识和了解。

    工程训练所针对的教学对象专业背景丰富且绝大多数处于本科阶段一年级、二年级，既包含经济学类、文学类、管理类等文科专业学生，也包含力学类、材料科学类、机械类等工科专业学生。从学生学科专业背景来看，工程训练是人文社科类学生生活在工业化社会中，了解工业技术发展、完善世界观的有效途径，对于培养其工业常识，认知因工业生产和发展带来的环境卫生和保护、生产生活安全、产品质量等问题有所助益[4];对工科近机械类专业，该专业背景学生主要专业学习虽并非机械，但是日后的实践和应用涉及的机械类知识较多，和工程实践场景联系较为密切;机械类学生的课程实践内容，和理论所学紧密连接，这类学生从业的设计、制造、装配、检验等各个环节，都和实践知识密不可分，对于测量实践来说，应该通过课程建立较为全面的认识，对实践过程的工艺细节有所掌握。

    由此可见，本课程现阶段的教学目标单纯地要求参与实践的学生无论学习背景，均需完成指定仪器的操作，浅显地认识测量方法。这样的设定限制了测量实践内容的整体性和广博性，使得学生的知识层面有所欠缺，同时缺少针对性，面对学科背景不同的实践参与对象，教学精细化有很大的发展空间。

    工程中心实训设备 ?机械测量工具主要包括普通测量器具和精密测量仪器。上海大学国家级实验教学示范中心有较为先进的机械测量教学平台，拥有多种仪器设备，包括一些单纯机械式的测量仪器，如各种规格游标卡尺、内径千分表、万能量角器、深度千分尺、杠杆式卡规等;还有三坐标测量机、测高仪、手持式三维扫描仪、激光干涉仪、光学影像测量仪、硬度测量仪和表面粗糙度仪等。实验室仪器既能完成小尺寸的测量，也能对较大空间尺寸和形位公差进行测量，还能完成物体三维扫描和逆向重建，进行粗糙度和硬度的测量，这些组成一个较为完整的测量体系。课程教具包含各种形状复杂工件和规则量块，用于测量轮廓尺寸和表面形状。

    目前，测量实践课程中教学仪器的使用包括两部分：其一是原理简单、易于上手的机械式测量器具，这类教具在教学中利用得比较充分;其二是选用其中一种精密测量仪器，这类仪器的构成原理具备综合交叉学科知识，同时具有各自的测量优势，价格相对较贵，实验室配备数量较少，课程选用的是光学影像测量仪。

    普通机械式量具学习其具体使用方法，并完成指定形态工件的测量。精密测量仪器学习其操作方法并完成指定形态工件的测量。在较短的课程时间内，教师完成教学仪器的讲解、示范，学生完成测量工件的操作实践。课程知识分布上主要是对所用各类仪器的具体操作步骤和注意事项的讲解。如普通测量中游标卡尺的使用，会讲解游标卡尺的握持方式、读数方式和测量姿势等;精密测量中光学影像测量仪的讲解会讲仪器的结构、工作原理、操作步骤和具体仪器的操作方法。

    从实验室仪器的配备和课程选用的设备来看，实验室具备的仪器层次丰富，测量系统相对完整，而课程选用的设备相对单一。因此，实验室仪器还有很大的利用空间，应该考虑物尽其用，丰富课程内容，增进学生实践效果。

    课程时长和成绩判定 ?目前，在为期两周的工程训练教学中，机械测量实践时长约为八个学时，其中四个学时用于普通机械式量具的测量实践，四个学时用于精密测量仪器的测量实践，实践时间较为紧张。

    对学生课程成绩的判定，是通过评阅每位学生提交的工件测量报告来评价学生的实践成果。工件测量报告，主要内容为课程提供零件的形状位置尺寸的测量数据，还有一小部分关于测量的一些概念性的客观题目。

    3 实践课程改革

    通过课程解析，目前测量实践课程的主要问题有两点。

    1）学生学科背景丰富，目前教学目标单一，如何针对不同类型的学生实行有针对性的教学，是提高教学质量的一个很重要的突破口。

    2）实践课程的设备选取上，侧重于操作简便的仪器，这样的选择能使学生快速掌握程式化的操作方式，但也带来一定程度上的重复性劳动。从学生获取知识的层面来说，缺乏对测量的整体介绍，包括背景、应用场景等感性认识。同时，在测量方式上，教授内容单一，系统化欠缺，课程知识的广度和深度上有所欠缺。

    要解决这些问题需要综合考虑各种因素。目前，课程资源相对充足，若全部应用则涉及的实践内容繁多，且机械测量的方式和应用场景多种多样，所能实现的效果和起到的作用也不同。根据本科各专业学生的需求，合理选用实验设备、调整课程内容并且平衡课程客观条件（课程时长、师资配备）的限制，是机械测量实践教学的改革方向。

    课程目标的区分 ?對于文科类专业的学生，操作性的课程内容对其专业帮助不大，学生的接受能力相对较弱，应以认识和了解测量知识为主。因此，课程内容安排中应该包含有一定的课程广度且内容深度相对较浅的部分。

    对于近机械类专业学生的培养，应该考虑到学生的可接受程度较好，综合课程实践内容与其专业的联系并没有清晰准确的界定，工程实践测量项目具备工科基础实践课程属性等方面因素，进而规划实践课程内容。该类学生应通过本课程学习具体实践项目的应用背景、应用原理及应用结果等较为具体和相对深入的内容。

    对于机械类专业学生来说，学生实践知识和理论课程有一定关联度，是专业课程的补充和落地。学生在课程中了解测量场景任务的实际背景和与之相关的理论知识的同时，应该了解现有的测量手段和相应的测量设备，也应对测量方法的灵活应用等有所认知。

    课程设备选择 ?课程内容充分发挥实验室现有设备优势，较大程度呈现测量手段的多样性，并使得学生能够针对不同种类工件制订测量方案，合理选择适当的工具完成测量任务。实践课程内容包括两部分。

    一部分为背景知识的介绍，如机械测量方法的演变历史，影响机械测量发展进程的因素，机械测量在工件设计、制造、应用周期中的作用和联系，社会大环境下机械测量的挑战和局限，还包括通过案例教学细化目前各测量手段的优势和应用场景。

    另一部分是将具体的测量实践应用对应到具体的工件和测量工具上。通过讲解测量工具的结构和工作原理，让学生认识工具测量特点及适用的测量类型;通过具体的测量实践操作细节，指导学生动手操作。

    课程仪器选择应呈现出差异性和教学层次感。通过不同仪器即不同测量方法的选择来拓展课程广度，选用在应用难度和测量结果上有一定递进关系的仪器拓展课程深度。要对现有设备的特点进行分析和选择，以指导细化具体的设备教学。

    普通测量器具普遍工作原理为单纯的机械结构原理，且应用便捷，因此在此类器具的选用上维持不变，重点扩展精密测量设备的种类。图1所示是几种精密测量仪器的简单介绍和分析。

    数字式测量投影仪是一种光、机、电、计算机一体化的精密高效光学计量仪器，通过获得物体放大影像实现精密测量，主要测量方向为物体的轮廓尺寸和表面特征。由于测量平台幅面的限制，可以实现的工件尺寸测量有一定的限制。由于其成像要求，对测量件的工件种类和测量表面质量有一定要求。数字式测量投影仪操作形式，通过手轮移动转化测量目标，通过数显表完成测量操作和测量结果的读取，测量实践操作简单。

    TESA高度测量仪采用增量式光栅测量系统，对于一些尺寸要求严格的工件在生产过程中的调试和抽样检测非常有用。该仪器通过一维测量，可以完成内尺寸、外尺寸、高度、深度台阶和其他距离尺寸的测量，还可以完成对直线度、垂直度、平行度、跳动度等一些形状位置误差的测量。仪器的电动测头可以恒定测力，实现快速测量，量程为615 mm，精度在2 μm以下。主要测量工作通过测量面板，操作简便，不需要专业人员专人使用。

    以上两种仪器各有优势和侧重，且可以完成不同种类尺寸类型的测试，操作简便，应用广泛，操作实践效果较好。另有一些设备同样应用广泛，测量精度较高，但仪器价格昂贵，操作难度大，学生掌握不易。还有一些设备功能较为单一，操作简便，但课程延展性不高。后面两类设备在考虑课程内容安排时不以设备操作为主，侧重于案例讲解，达到初步认知，从而与操作类内容互为补充，使得测量实践课程得到较为完整和多样的内容展示。以下为此类仪器内容列举。

    TOME三坐标测量机是桥式结构的三坐标测量机，能够高效地进行手动测量和自动测量，空间测量精度达到4+4 L/1000 μm。可以完成各种精密模具、发动机箱体及自由曲面等多种复杂几何形状的测量。实践教学侧重学生了解此类仪器高效率、高精度、数字化的特点。

    HyperScan光学追踪3D扫描仪通过激光扫过物体表面，利用三角测量法确定物体特征位置。激光扫描速度快，具备完成复杂曲面快速、非接触的测量能力。这种将特征测量和曲面扫描测量有机结合的测量方式在逆向设计方面具有非常突出的优势。实践课程中引导学生建立逆向工程的概念，了解从实物到CAD模型的快速曲面重建的全过程。

    触针式表面粗糙度测试仪借由电子装置将触针划过工件表面时的上下起伏运动捕捉下来转化成粗糙度数据。显微硬度计是通过将压头压入物体获得的压痕对角线与显微硬度值对应，得到显微硬度值。不同于较普遍的尺寸测量，针对单一表面粗糙度和表面硬度的测量知识可以丰富学生的课程认知内容。

    课程人员、时长及成绩判定

    1）小组制。学生采用小组制，每组三个人或四个人，开展共15人之内的小班教学。小组内成员要求专业区分最大化，理想状态为机械类专业、近机械类专业和非工科类专业组队。学生以小组为单位完成课程学习项目，使学生在此过程中能相互协作，各自在学习中针对课程内容有所侧重，减少课程操作中不必要的操作重复。

    2）教学时长。由八个学时增加到16个学时，学习内容增加，学时内容再分配：四个学时用于机械式量具实践教学，八个学时用于精密测量仪器的实践教学，四个学时用于学生自主选择课程提供范围内的进一步测量实践教学。

    3）团队授课。根据教学内容和教学时长，教师采用团队授课的方式，测量实验室拥有由硕士实验师、高级技术人员等组成的优秀教师团队。课程安排三位教师共同完成16个学时的教学工作，按照教师专长教授相应课程内容。

    4）课程成果评定规则。学生课程成绩的判定，由小组共同工件测量数据报告和每一位学生的实践报告组成。工件测量报告同样为课程提供零件的形状、位置、尺寸的测量数据，每位学生的实践报告由客观题目和主观课程小结组成。

    4 结语

    实践教学改革对原有课程结构和内容进行了分析，课程针对不同实践课程对象细化课程教学目标，从教学时长、教学队伍、实训设备等方面做出改革。按照改革后方案安排测量实践教学，发现本次改革所制定的教学目标、教学内容、教学方法及成绩评定方式等对提升学生学习效果产生了积极的影响。课程目前统一安排授课内容，在测量方法和测量设备的种类上增加了课程广度，学生学习的东西多却不精。在日后的课程改革中可以考虑提套餐制课程，学生可以在一定程度上自由选择学习内容，同时相应增加教学深度。

    参考文献

    [1]丁天英，鲍永杰，姜英.工程训练实训中机械测量实践教学方法探索[J].新课程研究，2015（5）：60-62.

    [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]鲍永杰，丁天英，姜英，等.机械测量在工程训练教学中教学改革与实践[J].教育现代化，2015（13）：124-126.

    [4]徐春梅，张立红.本科阶段测量技术实训教学改革与实践[J].实验科学与技术，2015，13（2）：131-132，172.