大型精密檢測設備的數字化實驗資源建設

王志瓊， 谷東偉， 周淑紅， 常奇志

(1.吉林大學 國家級機械基礎實驗教學示范中心，吉林 長春 130022；2.長春工業大學 機電工程學院,吉林 長春 130012)

?

大型精密檢測設備的數字化實驗資源建設

王志瓊1， 谷東偉2， 周淑紅1， 常奇志1

(1.吉林大學 國家級機械基礎實驗教學示范中心，吉林 長春 130022；2.長春工業大學 機電工程學院,吉林 長春 130012)

以豐富學生實踐知識，貼近工程實際為目的，吉林大學利用檢測領域里的前沿技術，首次在國內運用大型精密檢測設備面向高校本科生開設機械精度設計基礎實驗。針對實驗設備價格昂貴，臺套數不足的問題，全面系統的研究建立基于大型精密檢測儀器設備的數字化實驗教學資源。通過虛實結合的新實驗教學模式，能夠使學生掌握現代化檢測方法與設備，實現大型精密儀器設備在本科教學中的應用，培養學生實際動手能力和創新能力，體現高等學校的價值。

精密檢測設備； 數字化； 機械精度； 實驗資源

0 引 言

機械精度設計是機械產品設計不可或缺的重要成部分。在高校機械類和近機類專業中，機械精度設計是與實踐緊密聯系的一門本科生必修的技術基礎課程。通過該門課程學習使學生掌握公差設計的基本知識與技能，提高學生機械精度設計的能力，為進行機械產品研究、設計與加工制造，成為機械工程領域的創新人才奠定良好的基礎[1-3]。

國家級機械基礎實驗教學示范中心先后投入上百萬文資金建設精密測量實驗室，添置了橋式三坐標測量儀、齒輪測量中心、光學輪廓儀、測量投影儀等大型精密檢測儀器設備，在全國首次利用精密檢測儀器設備針對本科生開設機械精度檢測實驗[4]。通過大型精密檢測儀器設備改革更新了尺寸誤差測量內容、幾何誤差測量內容、齒輪精度測量等實驗內容，同時開設了獨立設課的綜合實驗，培養學生的實際動手能力，掌握現代化的檢測儀器與方法，豐富實踐知識[5-6]。

1 傳統實驗存在的問題

橋式三坐標測量儀、齒輪測量中心和光學輪廓儀是利用檢測領域里的前沿技術，在現代化生產中，大、中型企業和科研機構進行機械產品檢測的常用大型精密檢測儀器設備，如圖1、2所示。由于單臺套大型精密儀器設備其精度高，價格昂貴，實驗成本高，若要達到教育部對實踐教學的要求，有效提高學生的實際動手能力和創新能力，將需要大量的實驗儀器設備和大面積的實驗場地，耗費巨額的經費[7]。因此在實驗教學中不可能大量購置。

圖1 橋式三坐標測量儀

圖2 光學輪廓儀

機械精度設計基礎實驗為機械類和近機類5個學院10個專業1 100多名本科生開設機械精度實驗課程。課程覆蓋面廣、受眾量多、受益面大，并且大型儀器設備操作前必須進行一定的培訓。因此在有限的學時內學生不可能親自操作，導致實驗效果不佳[8]。

2 建設目標與任務

建設大型精密檢測儀器設備的數字化實驗資源。采用網絡技術，信息技術以及其它現代化技術手段相結合的方式，設計制作大型精密檢測設備的數字化實驗課程，并應用于網絡中。通過數字化實驗資源突破時空、校區和專業的限制，解決傳統實驗上學生無法預先掌握實驗過程和復雜精密檢測過程的問題，提高了教學效率，改善了教學環境[9-11]。

實驗在數字化實驗課程的基礎上同時開設真實實驗課程，如圖3所示，通過虛實結合，在有限教育資源的情況下，保證實踐教學質量[12-13]。培養學生的實際動手能力，掌握現代化檢測方法與設備，貼近工程實際，與時俱進，以適應當前企業的需求，為將來從事現代化建設，打下堅實的基礎[14]。

圖3 虛實結合實驗方案

3 數字化實驗資源的設計

3.1 實驗方案設計

基于大型精密檢測設備的數字化實驗資源建設的主要內容，如圖4所示。數字化實驗課程主要是運用視頻講解和動畫演示來詮釋精密檢測儀器設備的基本結構、檢測原理、檢測方法、檢測過程、檢測數據形式、數據分析處理和企業應用場景等。在數字化實驗資源建設中，所有視頻都有配音和字幕，根據教學不同的要求，分別采用圖像、視頻、3D效果動畫以獲得最佳的教學效果。

圖4 數字化實驗主要內容

每項數字化實驗課程包含2大部分，分別為基本實驗和拓展實驗。基本實驗主要是根據本科生的實驗教學大綱要求，結合精度檢測真實實驗建設數字化實驗課程。主要目的是通過虛實結合，使學生系統地掌握機械精度設計的基本內容即幾何誤差、表面粗糙度、齒輪精度的檢測方法，了解檢測儀器的結構與原理，根據測得數據評定零件的合格性。拓展實驗主要是在基本實驗的基礎上，增加儀器設備在工程實際中的應用實例，并結合企業實際應用情況，使學生了解現代化檢測設備在企業實際檢測環境與檢測方法，培養工程實際應用能力。

3.2 實驗內容設計

基本實驗內容主要包含實驗目的、儀器設備、實驗內容、實驗原理、實驗演示、實驗操作、數據處理和實驗思考。實驗目的根據實驗指導書和真實實驗要求確定，教學目的明確[15-16]。儀器設備主要介紹儀器設備的基本結構，簡單操作以及儀器設備在使用過程中的注意事項，如圖5所示。實驗內容主要具體描述實際實驗的內容，運用CAD和CATIA等繪圖軟件將所測量的工件繪制出來，標注檢測零部件名稱，檢測內容，檢測要求等，如圖6所示。實驗原理主要介紹整個實驗的檢測原理，采用圖文并茂的方式和3D效果動畫形象的表達。實驗操作中具體的描述了實驗該如何進行操作，每一操作步驟由實際操作的照片和文字說明組成，條理清晰，如圖7所示。同時配有實驗視頻演示，如圖8所示，實驗視頻主要包括實驗過程的錄制、視頻配音、視頻文字編輯三項工作，首先運用錄像機將實際實驗操作進行錄制，然后運用視頻編輯軟件對所錄制的視頻進行聲音和文字編輯，使視頻達到最佳效果，對于測頭動態檢測過程運用3D效果動畫進行局部放大，實時同步。分別運用機械精度合格和不合格等不同的檢測曲線、圖像和檢測數據進行數據分析、處理與判斷。最后針對所做的實驗進行總結，對基礎知識的掌握，對拓展知識的了解，使學生對所做的實驗進行歸納總結與引申。

圖5 實驗內容

圖6 儀器設備

圖7 實驗演示

圖8 實驗操作

拓展實驗主要包括其他檢測實驗和企業實際檢測。其他檢測實驗主要是在基本實驗的基礎上進一步進行檢測研究。如齒輪測量中心在基本實驗中主要是檢測圓柱直齒輪的齒距、齒廓和螺旋線總偏差。而在拓展實驗中將以文字、圖片和視頻的形式介紹齒輪測量中心檢測斜齒輪、錐齒輪和蝸輪蝸桿等零部件齒輪精度檢測內容。同時錄制企業或者科研當中實際檢測過程視頻。通過拓展實驗增加了學生實驗教學的知識面。有效地改善了學生學習條件，增強學生實驗及實踐的廣度和深度，為學有余力的學生提供了一個很好的學習平臺。

4 數字化實驗資源的應用

大型精密檢測設備的數字化實驗資源已于2013在吉林大學校園網上運行，與吉林大學機械精度設計基礎課程和機械工程綜合實驗Ⅱ課程的真實實驗相結合，每年為吉林大學機械類和近機類5個學院10個專業1 100名學生開設機械精度實驗課程。同時通過數字化實驗資源，可為其他校區其他專業的學生提供數字化實驗課程、為學校成人教育提供網絡學習、為研究生提供科研學習。學生可通過網絡自主學習，目前數字化實驗教學資源網上瀏覽次數約有9萬多次。大型精密檢測儀器設備應用于本科生教學當中，目前在國內其它高校還沒有發現。因此，基于大型精密檢測設備的數字化實驗資源建設可以進一步與國內其它高校實行資源共享。

5 結 語

大型精密檢查設備的數字化實驗資源建設提出了“將現場實驗與數字化實驗有機結合”的實驗教學模式，進行了網絡架構下機械精度設計課程的實驗項目建設。該教學模式為學生提供了更加自由、豐富的教學資源。在此基礎上，中心根據國家虛擬仿真實驗教學中心“虛實結合、相互補充、能實不虛”的建設原則，進一步全面系統的建立基于高精密檢測儀器設備的虛擬檢測實驗平臺，形成具有應用性、共享性和特色性的虛擬仿真實驗項目，為建設吉林大學國家級機械虛擬仿真實驗教學中心提供強有力的支持。

[1] 陳曉華.機械精度設計與檢測[M].北京：中國計量出版社，2010.

[2] 李 瑜，崔志恒.基于激光干涉儀的機床精度檢測機誤差補償創新實驗設計[J].實驗技術與管理，2012，29(3)：49-51.

[3] 杜文華，鄭 江.機械基礎系列課程教改中機械精度設計的實現[J].華北工學院學報(社科版)，2004,20(3):89-91.

[4] 周淑紅，王志瓊，趙大威，等.機械基礎實驗教學示范中心的特色與實踐[J].實驗室研究與探索，2013，32(11):344-347.

[5] 張啟勛，趙宏偉，張忠元，等.基于有限學時的機械精度實驗課研究[J].吉林省教育學院學報，2014，30:56-57.

[6] 周淑紅，陳曉華，趙大威，等.綜合實驗的系統設計與實施[J].實驗室研究與探索，2009，28(12)：168-170.

[7] 石映國.高校大型精密儀器設備管理的思考[J].長江大學學報(社會科學版)，2010，33(2):253-254.

[8] 王秀萍，張 方.虛實結合擴大儀器設備對本科實驗教學開放[J].實驗技術與管理，2014，31(4)：237-239.

[9] 原渭蘭，邱 杰.數字化實驗教學改革的研究與思考[J].實驗技術與管理，2011，28(7)：138-140.

[10] 胡今鴻，李鴻飛，黃 濤. 高校虛擬仿真實驗教學資源開放共享機制探究[J].實驗室研究與探索，2015，34(2)：140-144.

[11] 黃海龍，曲曉海，楊 洋. 工程訓練拆裝實訓教學的探索與實踐[J]. 實驗室研究與探索，2014，33(12)：147-150.

[12] 楊 凱.基于虛實結合實驗室的電路原理實驗[D].杭州：浙江大學，2013.

[13] 王德利，湯海峰.數字化實驗教學平臺的建設[J].實驗技術與管理，2014,31(12):152-154.

[14] 王惜寶，胡繩蓀，盛 京. 如何讓專業課教學更貼近工程[J].高等工程教育研究，2005(sup):72-74.

[15] 田運生，劉維華，王景春.綜合性設計性實驗項目建設的探索與實踐[J].實驗技術與管理，2012，29(2)：126-129.

[16] 張 波，貫會明.開放性實驗在實驗教學體系構建中的作用[J].實驗室研究與探索，2010，29(9)：135-137.

Digital Experimental Resource Construction Based on Large- Scale Precision Testing Equipment

WANGZhi-qiong1,GUDong-wei2,ZHOUShu-hong1,CHANGQi-zhi1

(1. National Machinery Basic Experimental Teaching Demonstration Center, Jilin University, Changchun 130022, China; 2. School of Mechatronic Engineering, Changchun University of Technology, Changchun 130012, China)

Using advanced technology of inspection field, facing on undergraduates of colleges and universities, a basic mechanical precision design experiment is set up with large-scale sophisticated testing equipment. It establishes digital experimental teaching resources based on large-scale sophisticated testing equipment. It solves the problems of lacking experimental equipment because of high costs by virtuality and reality combination. It fosters students to know about advanced technology of inspection field, master modern testing methods and equipment. It realizes the application of large-scale sophisticated testing equipment to undergraduate teaching, and increases students' practical ability and innovation ability and embodies the value of colleges and universities.

sophisticated testing equipment; digitalization; mechanical precision; lab resources

2015-08-10

王志瓊 (1986-)，女，吉林通化人，碩士，工程師，機械基礎實驗教學示范中心副主任，研究方向：實驗教學研究和實驗教學管理、數控機床可靠性領域的研究。

Tel.：13944852656；E-mail：wzq2012@jlu.edu.cn

谷東偉 (1983-)，男，吉林農安人，博士，講師，研究方向：機械制造基礎教學工作、數控機床可靠性領域的研究。

E-mail：gdw2000@163.com

TH-3

A

1006-7167(2016)05-0261-03