教學設備產(chǎn)品標準中如何確定產(chǎn)品的技術要求

任偉德

產(chǎn)品標準的基本要求是依據(jù)標準能夠全面準確判定產(chǎn)品質量。當前，教學儀器產(chǎn)品標準中存在較多問題。為更好地解決這些問題，需要從產(chǎn)品標準化入手，根據(jù)制訂標準的三大原則，進一步明確產(chǎn)品的技術要求，為提升產(chǎn)品質量服務。

制訂標準的三大原則

目的性原則

目的性原則就是要解決對需要標準化的對象的哪些內(nèi)容進行標準化的問題。編寫標準的目的多種多樣。例如：適用性目的；保障健康、保證安全、保護環(huán)境或促進資源合理利用的目的；接口、互換性、兼容性或相互配合的目的；品種控制的目的；相互理解的目的。制訂產(chǎn)品標準的目的就是為了保證產(chǎn)品的適用性。

為了保證產(chǎn)品的適用性，應在標準中規(guī)定需要證實的有關特性（例如外形尺寸、機械、物理、力學、聲學、熱學、電學、化學、生物學、人類工效學等）的技術要求，以及對應的證實方法（例如試驗方法、測定方法、測試方法）和取樣方法（例如采樣方法、抽樣方法等）。對于上述特性、證實方法和取樣方法，在產(chǎn)品標準中可以分別選擇技術要素“要求”“試驗方法”和“取樣”等。

性能原則

產(chǎn)品的特性可分為性能特性和描述特性。性能特性是與產(chǎn)品的使用功能有關，在使用中才能體現(xiàn)出來的特性（如速度、亮度、載重量、可靠性、安全性等）；描述特性是與產(chǎn)品的結構、設計相關的，是在實物上或圖紙上顯示出來的特征（如機械產(chǎn)品在圖紙中描述的尺寸、形狀、光潔度等）。

什么情況下應選擇性能原則？條件是可能證實。只有在無法滿足“可證實性原則”時，才可考慮使用性能特性之外的其他方法作出規(guī)定。

可證實性原則

可證實性原則指“不論標準的目的如何，標準中應只列入那些能被證實的要求”。就是說，標準中規(guī)定的要求應該能夠檢驗、證實。

根據(jù)可證實性原則，在標準的“要求”中，應按照下列規(guī)則：a) 不應列入沒有證實方法的要求；b) 不必列入無須證實的要求；c) 不宜列入不能在較短時間內(nèi)證實的要求；d) 不應列入不能量化的要求。

產(chǎn)品標準的基本要求：依據(jù)標準能夠全面準確判定產(chǎn)品質量

為了保證產(chǎn)品的適用性，產(chǎn)品標準的基本要求是依據(jù)標準能夠全面準確判定產(chǎn)品質量。原國家技術監(jiān)督局制訂的“無標生產(chǎn)界定”規(guī)定：“執(zhí)行的標準內(nèi)容不完整，依據(jù)標準不能全面、準確地判定質量狀況的屬于‘無標生產(chǎn)的一種情況。”

例如，某旋片式真空泵企業(yè)標準（這是一個真實的例子）具體內(nèi)容只有下面六條：電機轉速：1 400 r/min；絕緣電阻：電源輸入端與機殼外露金屬部件之間絕緣電阻≥20 MΩ；電源輸入端與機殼外露金屬不見之間應能承受50 Hz、1 500 V正弦交流試驗電壓1 min，不應出現(xiàn)飛弧和擊穿現(xiàn)象；產(chǎn)品外觀應整潔，無明顯裂紋、變形、劃傷和銹蝕現(xiàn)象；結構件裝配牢固，標志清晰，作用正常手感平穩(wěn)無松動現(xiàn)象；字符正確、清晰、指示正確。

真空泵是用來抽真空的，因此真空泵的產(chǎn)品標準中必須有抽真空性能，這是最主要的內(nèi)容。另外，還涉及極限壓力、抽氣速率、進氣口內(nèi)徑等很多內(nèi)容。

其實，旋片式真空泵早就有機械行業(yè)標準：JB/T 6533－2005。上述企業(yè)標準中缺少以下重要技術指標：抽氣速率、極限壓力、噪聲、進氣口內(nèi)徑、抽氣效率、泵不應漏油、泵在100 kPa～6 kPa的入口壓力下連續(xù)運轉時間不應超過3 min，并在入口通大氣時，1 min內(nèi)無噴油的現(xiàn)象、泵停止后，不得因返油妨礙重新啟動；泵的最低啟動溫度為12 ℃。

這只是依據(jù)企業(yè)產(chǎn)品標準不能全面準確判定產(chǎn)品質量的一個例子。即如果依據(jù)這個企業(yè)產(chǎn)品標準，真空泵如果不能抽氣，也可以是“合格”的，因為標準中沒有要求。如果是因為“最低價”買了這樣的產(chǎn)品，表面看也有“標準”，但是實際上則是一個廢品。所以，我們可以理解為什么“執(zhí)行的標準內(nèi)容不完整，依據(jù)標準不能全面、準確地判定質量狀況的”要作為“無標”的原因了。

當前，這是一個帶有普遍性的問題，要尋找這樣的例子非常容易，比比皆是。相反，要尋找一個符合要求的企業(yè)產(chǎn)品標準，倒是一件很困難的事情。因此必須引起高度重視。

怎樣確定產(chǎn)品標準“要求”一章的內(nèi)容

“要求”一章中規(guī)定了產(chǎn)品應達到的各項技術指標，因此在產(chǎn)品標準中都應有要求一章。總的說，產(chǎn)品標準“要求”的內(nèi)容應視情況包含下列諸方面：對產(chǎn)品適用性有影響的性能和指標；產(chǎn)品基本性能和安全衛(wèi)生等指標。

一般說，有以下這些：a）環(huán)境適應性；b）使用性能；c）理化性能；d）穩(wěn)定性；e) 健康、安全、電磁兼容和環(huán)境保護；f）耗能指標；g）外觀和感官要求；h）材料和工藝要求；i）其他要求。

教學儀器產(chǎn)品是為了在教學中使用的，因此起草人在編制產(chǎn)品標準以前，必須首先把該產(chǎn)品在教學中的具體用途、使用要求、產(chǎn)品應有的功能、應有的技術指標弄得非常清楚。只有這樣，編制的標準才可能符合在教學中適用、好用的目的。

從標準內(nèi)容也可看出標準起草人是否充分了解產(chǎn)品在教學中是怎么用的，是否懂得教學。不懂教學的企業(yè)，不可能生產(chǎn)出符合教學需要的教學儀器產(chǎn)品。

確定產(chǎn)品標準技術內(nèi)容的實例

以下舉3個實例，用以說明如何確定產(chǎn)品標準的技術內(nèi)容。

例1：分子間隔演示器

把一體積的純水和一體積的95%酒精混合后，總體積小于二體積。解釋是小的分子到大的分子空隙中去了，因此總體積減小。但是這個實驗中總體積的減小并不明顯。因此，有人設計了一種特殊的玻璃容器，如圖1所示，目的是在細頸部分液面的高度差與總體積的變化比較明顯。

了解實驗過程。首先加入約1/2瓶的純水，然后滴入1～2滴油酸，再用注射器沿瓶壁緩緩加入95%的酒精，加到瓶口刻度線處，塞上瓶塞。酒精浮在水面上，因為中間有油膜隔離，所以酒精與水不會混合。塞上瓶塞，搖動瓶，混合以后瓶中溶液變成乳白色（油酸的乳濁液），可以見到總體積減小。

現(xiàn)在要制訂這個產(chǎn)品的標準，應該規(guī)定什么內(nèi)容呢？

1）規(guī)定一個特殊的瓶，可以畫圖，規(guī)定瓶各部分尺寸、瓶壁厚，無色透明，材料為普通玻璃（不必規(guī)定玻璃牌號或成分），規(guī)定壁厚均勻度，消除內(nèi)應力，玻璃容器的允許缺陷。

2）規(guī)定附件：瓶塞（規(guī)格或尺寸）、注射器（規(guī)格）、一小瓶油酸（規(guī)格和容積）。

這個標準基本是對現(xiàn)有產(chǎn)品的描述，產(chǎn)品是比較簡單的。但是，需要注意的是對現(xiàn)有產(chǎn)品的描述并非僅僅限于外形尺寸和外觀工藝。

例2：溶液導電演示器

溶液導電性演示器用于初、高中化學教學中電解質導電能力（導電率）的教學，比較幾種強、弱電解質的導電性。本教具要求能夠定性比較，區(qū)分強、弱電解質的導電能力。

作為一種通用的溶液導電性演示器，應該能區(qū)分各種電解質，并且作為批量生產(chǎn)的產(chǎn)品，應穩(wěn)定可靠。

這個教具歷來有幾種方案：一種是用白熾燈泡顯示，另一種是用發(fā)光二極管分段顯示。用燈泡顯示的，又有使用2.5 V小燈泡（使用干電池作電源）和使用220 V白熾燈泡（使用220 V電網(wǎng)電源）。

上述各方案的問題是：用白熾燈泡顯示的，理論上燈泡亮度可以連續(xù)變化，但是實際上存在的問題是第一，同一規(guī)格2.5 V白熾燈泡的亮度相差較大；用220 V燈泡雖然亮度一致性較好，但是不安全。第二，人眼對白熾燈泡發(fā)光亮度的感覺并不能區(qū)分通過燈泡電流強度的較小變化。經(jīng)試驗，2.5 V/0.3 A的白熾燈泡，當電流下降到90％（0.27 A）時，看不出亮度變化，電流下降到80％～40％（0.25～0.125 A）時亮度變化明顯，電流下降到30％（0.1 A）時燈絲不發(fā)光。因此實際可用的區(qū)域是90％～40％。

用發(fā)光二極管分段顯示的，都用5個發(fā)光二極管，有5個貯液槽，區(qū)分5種不同溶液，第一種溶液使1個發(fā)光二極管亮，第二種溶液使2個發(fā)光二極管亮，……

圖2中斜線是連續(xù)變化的模擬量，階梯是數(shù)字量，把連續(xù)的斜線變成了5個臺階。

圖中3種溶液A、B、C，在某種條件下電流分別為I1、I2和I3。溶液A和B的導電能力同在第2臺階上（有二個發(fā)光二極管亮），無法區(qū)分。但是實際上它們的導電能力是不同的。解決方案是增加臺階數(shù)。量化得越細，分辨率越高，但是成本也越高。

用5個發(fā)光二極管顯示的方案，原來是根據(jù)高中第三冊化學實驗要求的5種特定溶液（0.5 mol/L的鹽酸、氨水、醋酸、氫氧化鈉和氯化鈉的水溶液）設計的。原初中教材中的酸堿鹽溶液的導電性實驗中并沒有規(guī)定濃度，要求依次加入10多種溶液。再按照上述湊好的5個發(fā)光二極管，就不難以達到所需實驗效果。

目前人教版初中化學第二冊要求分別試驗鹽酸、硫酸、氫氧化鈉溶液、氫氧化鈣溶液蒸餾水和乙醇的導電性。高中新教材中要求分別試驗氯化鈉溶液、氫氧化鈉溶液、稀鹽酸、酒精溶液和蔗糖溶液的導電性。在離子反應部分，要求在4只相同的小燒杯中分別加入0.1 mol/L的鹽酸、醋酸溶液、氫氧化鈉溶液和氨水，比較導電能力強弱。

因此，本教具面臨著較廣泛的適應性問題，無法按照幾種特定的溶液設計一個都能適應的分五級發(fā)光電路。

為了解決這個“普適性”問題，本標準規(guī)定了采用電流表指示的方案。用一個電流表，加轉換開關，依次測量在相同條件下通過每種溶液的電流值。實驗中不需要同時觀察5個電流表，依次記錄電流表的示值即可。

為了達到相同條件，本標準規(guī)定了5個貯液槽的大小、電極間距和伸入貯液槽長度，以及貯液槽中盛液體量都相同。

采用碳棒做電極，是為了避免在通電時腐蝕，產(chǎn)生極化電動勢。

因為需要觀察貯液槽內(nèi)溶液量，因此規(guī)定了貯液槽材料的透光率。

本標準規(guī)定了電流表的標度盤應該是線性的。規(guī)定應有外接演示電表的接線柱，不接外接電表時將接線柱短接。

關于電源電壓和電流表量程：經(jīng)過多次試驗，當電壓為6 V時，在本產(chǎn)品的貯液槽中，流過0.1 mol/L的強電解質的電流都在5 mA以內(nèi)。因此，電壓定為6 V，電流表量程定為5 mA。

在標準中還規(guī)定了使用條件、產(chǎn)品構成、電路連接、穩(wěn)度、外觀和工藝、環(huán)境試驗。并且逐個具體規(guī)定了貯液槽、電流表、電極、轉換開關、電池盒、底座連面板的具體要求。

這個標準并不是對現(xiàn)有產(chǎn)品的簡單描述，而是針對現(xiàn)有產(chǎn)品存在的問題，進行改進優(yōu)化。這種情況是常見的（這是一個正在制訂中的標準）。

例3：演示用數(shù)字多用電表

1）“演示用數(shù)字多用電表”在教學中的用途。在JY/T 0386-2006、JY/T 0387-2006中增加了初中數(shù)字演示電表（編號：15002）；在JY/T 0406-2010中增加了高中數(shù)字演示電表（編號：15003）。

數(shù)字演示電表在教學中的用途：用在需要較準確測量以及有較高分辨力的實驗中。因為輸入阻抗高，特別在電子電路中測量時對電路的狀態(tài)影響小，是準確度較高、量程較寬的常用電學量通用測量儀表。

初中對數(shù)字演示電表的要求是測量直流電壓、電流和做檢流計（顯示正負極，指示微安級電流），以及較準確測量電阻值。測量電流時可能需要測量較大電流。

高中數(shù)字演示電表的要求是：測量直流電壓、電流和做檢流計，需要測量較高電壓和較大電流，以及較準確測量電阻值，測量電容量、電感量、頻率、晶體管直流小信號放大倍數(shù)和二極管正向壓降。

在教學中使用時，要求正、反雙面都有測量數(shù)值顯示（背面數(shù)字方便教師觀看，數(shù)碼管尺寸可以較小），并且應讓學生看到當前的量程，教師也應方便操作（調(diào)節(jié)不同量程）。

教學中使用電表需要加強誤操作時的自動防護，盡量避免電表損壞。

演示電表還應有較好的可見度。

2）收集樣品和資料的情況。①位數(shù)，3-1/2位不夠，需要4-1/2位。②面板，某樣品兩面都有量程是好的，教師便于觀看。但是轉換量程應在正面，不是背面。學生不僅是觀看示值，同時也需了解當前的量程。③不確定度，因為是3－1/2位表，最高只能可以做到0.5級。④數(shù)字電表不必設“檢流計”量程，數(shù)字電表自動顯示正、負，再設檢流計是多余的。⑤量程設置不合理，大小不一。有的樣品按照初中學生用直流電壓表、直流電流表和檢流計設量程是不行的。⑥功能單一，一些不難實現(xiàn)的擴展功能沒有加上。⑦表筆和插孔，測量表筆是需要的，但是僅有表筆不夠，還需要夾子，有時需要連接在電路中；或者需要用導線連接，需要通用的接線柱。插孔數(shù)量最好只有2個，不要換插孔。換插孔在測量電流、大電流或高壓時。但是很容易誤操作，損壞電表。最好轉換電路的步驟由換檔開關聯(lián)動完成。⑧面板顯示單位，面板顯示的單位不準確（如某樣品，單位為“kΩ”時顯示的也是“Ω”），或者不明顯（符號和文字太小）。

3）演示用數(shù)字多用電表標準應有的技術內(nèi)容。根據(jù)上述用途和樣品存在的問題，確定演示用數(shù)字多用電表標準應有的技術內(nèi)容。

教學演示用數(shù)字多用電表應在符合GB/T 13978－2008《數(shù)字多用電表》國家標準的一般要求基礎上，在設置量程、確定分辨力和電表的位數(shù)以及某些方面應符合教學的特殊要求。應規(guī)定的技術內(nèi)容是：a）安全要求；b）機械要求；c）電磁兼容性要求；d）過載能力；e）分辨力；f）預熱時間和調(diào)零時間；g）穩(wěn)定性；h）可靠性；i）功能要求；j）接口；k）測量范圍；l）不確定度要求；m）不同測量功能的技術要求。

本標準規(guī)定的技術內(nèi)容除了上述方面，還規(guī)定了以下內(nèi)容：a）電表的位數(shù)；b）面板；c）過載保護；d） 外觀和工藝；e）環(huán)境試驗。

4）關于演示用數(shù)字多用電表標準的技術指標的考慮。

Δ位數(shù)。本標準規(guī)定采用4-1/2位。因為3-1/2位表用在教學上分辨率不夠。在很多場合要求較準確，例如整數(shù)有三位數(shù)時，還希望準確到小數(shù)點后一位，3-1/2表就不能滿足要求。沒有用3/4位表，因為現(xiàn)在基本都是1/2位表。

Δ量程。直流電流：0～200 μA、0～2 mA、0～20 mA、0～200 mA、0～20 A。測量到20 A主要是因為電磁學實驗中測量大電流較多。

直流電壓：0～200 mV、0～2 V、0～20 V、0～200 V、0～1 000 V，其中初中用表沒有1 000 V量程。

電阻：0～200 Ω、0～2 kΩ、0～20 kΩ、0～200 kΩ、0～2 MΩ、0～20 MΩ。

交流電壓：0～2 V、0～20 V、0～200 V、0～700 V。交流電壓測量功能用在高中。

交流電流：0～2 mA、0～20 mA、

0～200 mA、0～20 A，其中初中用表沒有20 A量程。

交流電流電壓按平均值響應。具有線性好、準確度高、電路簡單、成本低廉等優(yōu)點。缺點：測量非正弦波電壓（或電流）誤差大。但是教學中不涉及測量非正弦波電壓（或電流）。

電容量：2 000 pF、20 nF、200 nF、2 μF、20 μF，分辨率1 pF。最小量程

2 000 pF檔，可用于小容量電容器測量，例如用于平行板電容器（電容量在10 pF以上）實驗效果比較明顯。

電感量：2 mH、20 mH、200 mH、2 H、20 H。一般變壓器的繞組電感（有鐵芯時）約在幾個亨利。增加測量電感量程是因為現(xiàn)在沒有配備電感量測量儀器。作為試驗或制作、維修教具時的工具，在數(shù)字多用表中增加測量電感量比較方便。

頻率：10 Hz～20 kHz。可以測量音頻范圍，這也是一般4-1/2位數(shù)字多用表頻率量程所具有的。教學儀器中沒有配備頻率表。

晶體管：PNP、NPN，hFE。可以測量晶體管。這個功能主要用來鑒別三極管是否良好。

二極管正向壓降UF:可以測量硅二極管和鍺二極管的正向壓降，也可測量發(fā)光二極管的正向壓降，此功能還可作為測量通斷用。

溫度：測量范圍定為20～150 ℃，該測量范圍已能滿足一般測量需要。設立溫度量程是因為學校中現(xiàn)在缺乏一個準確度較高的溫度計。

Δ不確定度

直流電流、直流電壓、直流電阻、交流電流和交流電壓的不確定度按GB/T 13978－2008。電容量、電感量和頻率三量程參照4－1/2位數(shù)字多用表。溫度測量參照數(shù)字溫度測量儀，按照JJG（機械）94－1992，熱電阻型。

分為基本不確定度極限值和工作不確定度。工作不確定度是在標準規(guī)定的影響量條件下可能的不確定度，大于基本不確定度。基本不確定度按照GB/T 13978－2008規(guī)定的4-1/2位數(shù)字表的不確定度極限。

根據(jù)GB/T 13978－2008規(guī)定，本標準以基本不確定度極限作為等級指數(shù)。

Δ分辨力

分辨力是與不確定度相聯(lián)系的，因此由產(chǎn)品標準規(guī)定，并應分別標明。

Δ預熱時間

按GB/T 13978-2008。

Δ面板

雙面字符、雙面量程顯示，單位顯示和可見度要求。顯示的被測量值應與相應的單位符號一致。儀表應具有對被測量范圍內(nèi)連續(xù)變化的不間斷顯示能力。儀表的不同功能、不同量程可以有不同的顯示位數(shù)。

本標準還規(guī)定了各量程在無激勵時顯示。

為了保障數(shù)字的可見度，也兼顧了外殼的尺寸，標準規(guī)定了數(shù)碼顯示最小尺寸要求。本標準規(guī)定數(shù)碼管高度不小于44 mm。

根據(jù)人眼對綠光的分辨率極限，一般只能達到3′～5′。數(shù)碼管的筆劃寬度約占高度的1/7，約6.3 mm。如果最后一排距離講桌7 m，則在最后一排看數(shù)碼管筆劃的視角約3.1′，看數(shù)碼管的視角約為17′，所以應該能看清楚。

亮度要求數(shù)據(jù)是根據(jù)手冊，數(shù)碼管一般能夠達到。

Δ輸入端

表筆、線夾、接線柱（統(tǒng)一規(guī)格）。顏色：正極用紅色，負極用黑色，便于檢查線路。并且根據(jù)逐步統(tǒng)一接線柱的決定，本標準規(guī)定了接線柱的要求。

Δ過載保護

標準規(guī)定了小電流（200 mA以下）熔斷器保護，這是一般數(shù)字多用表的保護方法。一般數(shù)字多用表的20 A大電流是沒有保護的，本標準規(guī)定了大電流斷路器（空氣開關）保護。

Δ安全要求

首先，按照GB/T 13978-2008，引用GB 4793.1-2007第6、9、10、14和16章有關防電擊、防止火焰蔓延、溫度極限值和耐熱、元器件、電流測量電路以及多功能儀表和類似設備的規(guī)定。

Δ其他

機械要求、電磁兼容性要求、過載能力、穩(wěn)定性和可靠性引用GB/T 13978-2008標準的有關要求。

Δ外觀和工藝

按照JY 0001－2003，引用了涉及的有關條文。

Δ環(huán)境試驗

環(huán)境試驗按照JY 0009-1990，進行全部項目環(huán)境試驗。

Δ關于溫度量程

可以使用集成溫度傳感器（例如AD590），工作溫度為－55～150 ℃，或者鉑電阻。因此，滿足本產(chǎn)品的溫度傳感器沒有問題。

這個例子是在還沒有現(xiàn)成成熟產(chǎn)品情況下編制標準，編制過程中經(jīng)過對教學需求和現(xiàn)有產(chǎn)品的詳細分析，進行優(yōu)化和改進，提出了具體的要求（注：這是一個已經(jīng)通過審查的標準）。當前，這種體現(xiàn) “前導性”的標準在教學儀器標準化中也是經(jīng)常會遇到的，其前提是使用要求已經(jīng)明確，并且涉及的技術是可以實現(xiàn)的。這種超前標準化的優(yōu)點是可以及早引導產(chǎn)品發(fā)展，而不是任其自由發(fā)展。到了產(chǎn)品五花八門，并且已經(jīng)較普遍地配備了再來制訂標準。如果那樣，標準制訂出來了作用也不大。但是，超前標準化往往是需要根據(jù)產(chǎn)品發(fā)展情況及時修訂的。

（作者單位：浙江省教育技術中心）