工訓教學中機械測量教學模式分析和探索

劉利 劉江麗 李宏

摘 ?要 機械測量實踐教學對學生工程綜合能力的培養具有重要作用。從實踐教學目標、實踐教學設備、教學安排幾個方面，對現階段機械測量實踐教學環節進行解析，并針對各環節存在的突出問題，提出課程改革方案。

關鍵詞 工科高校;機械測量;工程訓練;實踐教學;實驗室;實訓設備

中圖分類號：G642 ? ?文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2019）21-0127-03

1 前言

機械測量技術與機械制造行業的各個環節密切相關，如機械設計、機械制造、質量控制、生產組織管理等，并具有舉足輕重的地位[1]。科技的發展和工業水平的提高，使得機械測量技術迅猛發展，測量技術朝著精密化、集成化和智能化的方向前進[2]。工程訓練屬于工程實踐教育范疇，是我國工科高校內實施工程實踐教育和教學的主平臺，已成為高校中受眾學生數最多的實踐教學基地[3]。在工程實踐過程中，大學生通過對工業制造環節的各種具體加工工種包括傳統的車、銑、刨、磨加工方式和激光加工、線切割、3D打印等先進加工方式進行實踐學習，了解和體驗工業文化。這其中機械測量與各實踐項目間聯系密切，通過測量具體零件真實尺寸，切身感受由于生產環節中的各種因素帶來的加工誤差，進而理解零件互換性和公差概念將會更加直觀[4]，借由整個實踐過程更好地培養學生的實踐能力和創新意識。

2 現階段機械測量教學模式解析

工程實踐中的測量實踐目標 ?工程訓練具有通識性基礎工程實踐教學特征，旨在不同專業學生間傳播通行的知識和問題處理方式，以便學生整體認識工業世界，形成自己的工業常識和思維方式。現階段測量實踐教學過程主要側重于學生快速掌握指定測量器具的使用，并完成較為淺顯的實踐型操作，學生對于測量實踐的學習達到初步的認識和了解。

工程訓練所針對的教學對象專業背景豐富且絕大多數處于本科階段一年級、二年級，既包含經濟學類、文學類、管理類等文科專業學生，也包含力學類、材料科學類、機械類等工科專業學生。從學生學科專業背景來看，工程訓練是人文社科類學生生活在工業化社會中，了解工業技術發展、完善世界觀的有效途徑，對于培養其工業常識，認知因工業生產和發展帶來的環境衛生和保護、生產生活安全、產品質量等問題有所助益[4];對工科近機械類專業，該專業背景學生主要專業學習雖并非機械，但是日后的實踐和應用涉及的機械類知識較多，和工程實踐場景聯系較為密切;機械類學生的課程實踐內容，和理論所學緊密連接，這類學生從業的設計、制造、裝配、檢驗等各個環節，都和實踐知識密不可分，對于測量實踐來說，應該通過課程建立較為全面的認識，對實踐過程的工藝細節有所掌握。

由此可見，本課程現階段的教學目標單純地要求參與實踐的學生無論學習背景，均需完成指定儀器的操作，淺顯地認識測量方法。這樣的設定限制了測量實踐內容的整體性和廣博性，使得學生的知識層面有所欠缺，同時缺少針對性，面對學科背景不同的實踐參與對象，教學精細化有很大的發展空間。

工程中心實訓設備 ?機械測量工具主要包括普通測量器具和精密測量儀器。上海大學國家級實驗教學示范中心有較為先進的機械測量教學平臺，擁有多種儀器設備，包括一些單純機械式的測量儀器，如各種規格游標卡尺、內徑千分表、萬能量角器、深度千分尺、杠桿式卡規等;還有三坐標測量機、測高儀、手持式三維掃描儀、激光干涉儀、光學影像測量儀、硬度測量儀和表面粗糙度儀等。實驗室儀器既能完成小尺寸的測量，也能對較大空間尺寸和形位公差進行測量，還能完成物體三維掃描和逆向重建，進行粗糙度和硬度的測量，這些組成一個較為完整的測量體系。課程教具包含各種形狀復雜工件和規則量塊，用于測量輪廓尺寸和表面形狀。

目前，測量實踐課程中教學儀器的使用包括兩部分：其一是原理簡單、易于上手的機械式測量器具，這類教具在教學中利用得比較充分;其二是選用其中一種精密測量儀器，這類儀器的構成原理具備綜合交叉學科知識，同時具有各自的測量優勢，價格相對較貴，實驗室配備數量較少，課程選用的是光學影像測量儀。

普通機械式量具學習其具體使用方法，并完成指定形態工件的測量。精密測量儀器學習其操作方法并完成指定形態工件的測量。在較短的課程時間內，教師完成教學儀器的講解、示范，學生完成測量工件的操作實踐。課程知識分布上主要是對所用各類儀器的具體操作步驟和注意事項的講解。如普通測量中游標卡尺的使用，會講解游標卡尺的握持方式、讀數方式和測量姿勢等;精密測量中光學影像測量儀的講解會講儀器的結構、工作原理、操作步驟和具體儀器的操作方法。

從實驗室儀器的配備和課程選用的設備來看，實驗室具備的儀器層次豐富，測量系統相對完整，而課程選用的設備相對單一。因此，實驗室儀器還有很大的利用空間，應該考慮物盡其用，豐富課程內容，增進學生實踐效果。

課程時長和成績判定 ?目前，在為期兩周的工程訓練教學中，機械測量實踐時長約為八個學時，其中四個學時用于普通機械式量具的測量實踐，四個學時用于精密測量儀器的測量實踐，實踐時間較為緊張。

對學生課程成績的判定，是通過評閱每位學生提交的工件測量報告來評價學生的實踐成果。工件測量報告，主要內容為課程提供零件的形狀位置尺寸的測量數據，還有一小部分關于測量的一些概念性的客觀題目。

3 實踐課程改革

通過課程解析，目前測量實踐課程的主要問題有兩點。

1）學生學科背景豐富，目前教學目標單一，如何針對不同類型的學生實行有針對性的教學，是提高教學質量的一個很重要的突破口。

2）實踐課程的設備選取上，側重于操作簡便的儀器，這樣的選擇能使學生快速掌握程式化的操作方式，但也帶來一定程度上的重復性勞動。從學生獲取知識的層面來說，缺乏對測量的整體介紹，包括背景、應用場景等感性認識。同時，在測量方式上，教授內容單一，系統化欠缺，課程知識的廣度和深度上有所欠缺。

要解決這些問題需要綜合考慮各種因素。目前，課程資源相對充足，若全部應用則涉及的實踐內容繁多，且機械測量的方式和應用場景多種多樣，所能實現的效果和起到的作用也不同。根據本科各專業學生的需求，合理選用實驗設備、調整課程內容并且平衡課程客觀條件（課程時長、師資配備）的限制，是機械測量實踐教學的改革方向。

課程目標的區分 ?對于文科類專業的學生，操作性的課程內容對其專業幫助不大，學生的接受能力相對較弱，應以認識和了解測量知識為主。因此，課程內容安排中應該包含有一定的課程廣度且內容深度相對較淺的部分。

對于近機械類專業學生的培養，應該考慮到學生的可接受程度較好，綜合課程實踐內容與其專業的聯系并沒有清晰準確的界定，工程實踐測量項目具備工科基礎實踐課程屬性等方面因素，進而規劃實踐課程內容。該類學生應通過本課程學習具體實踐項目的應用背景、應用原理及應用結果等較為具體和相對深入的內容。

對于機械類專業學生來說，學生實踐知識和理論課程有一定關聯度，是專業課程的補充和落地。學生在課程中了解測量場景任務的實際背景和與之相關的理論知識的同時，應該了解現有的測量手段和相應的測量設備，也應對測量方法的靈活應用等有所認知。

課程設備選擇 ?課程內容充分發揮實驗室現有設備優勢，較大程度呈現測量手段的多樣性，并使得學生能夠針對不同種類工件制訂測量方案，合理選擇適當的工具完成測量任務。實踐課程內容包括兩部分。

一部分為背景知識的介紹，如機械測量方法的演變歷史，影響機械測量發展進程的因素，機械測量在工件設計、制造、應用周期中的作用和聯系，社會大環境下機械測量的挑戰和局限，還包括通過案例教學細化目前各測量手段的優勢和應用場景。

另一部分是將具體的測量實踐應用對應到具體的工件和測量工具上。通過講解測量工具的結構和工作原理，讓學生認識工具測量特點及適用的測量類型;通過具體的測量實踐操作細節，指導學生動手操作。

課程儀器選擇應呈現出差異性和教學層次感。通過不同儀器即不同測量方法的選擇來拓展課程廣度，選用在應用難度和測量結果上有一定遞進關系的儀器拓展課程深度。要對現有設備的特點進行分析和選擇，以指導細化具體的設備教學。

普通測量器具普遍工作原理為單純的機械結構原理，且應用便捷，因此在此類器具的選用上維持不變，重點擴展精密測量設備的種類。圖1所示是幾種精密測量儀器的簡單介紹和分析。

數字式測量投影儀是一種光、機、電、計算機一體化的精密高效光學計量儀器，通過獲得物體放大影像實現精密測量，主要測量方向為物體的輪廓尺寸和表面特征。由于測量平臺幅面的限制，可以實現的工件尺寸測量有一定的限制。由于其成像要求，對測量件的工件種類和測量表面質量有一定要求。數字式測量投影儀操作形式，通過手輪移動轉化測量目標，通過數顯表完成測量操作和測量結果的讀取，測量實踐操作簡單。

TESA高度測量儀采用增量式光柵測量系統，對于一些尺寸要求嚴格的工件在生產過程中的調試和抽樣檢測非常有用。該儀器通過一維測量，可以完成內尺寸、外尺寸、高度、深度臺階和其他距離尺寸的測量，還可以完成對直線度、垂直度、平行度、跳動度等一些形狀位置誤差的測量。儀器的電動測頭可以恒定測力，實現快速測量，量程為615 mm，精度在2 μm以下。主要測量工作通過測量面板，操作簡便，不需要專業人員專人使用。

以上兩種儀器各有優勢和側重，且可以完成不同種類尺寸類型的測試，操作簡便，應用廣泛，操作實踐效果較好。另有一些設備同樣應用廣泛，測量精度較高，但儀器價格昂貴，操作難度大，學生掌握不易。還有一些設備功能較為單一，操作簡便，但課程延展性不高。后面兩類設備在考慮課程內容安排時不以設備操作為主，側重于案例講解，達到初步認知，從而與操作類內容互為補充，使得測量實踐課程得到較為完整和多樣的內容展示。以下為此類儀器內容列舉。

TOME三坐標測量機是橋式結構的三坐標測量機，能夠高效地進行手動測量和自動測量，空間測量精度達到4+4 L/1000 μm。可以完成各種精密模具、發動機箱體及自由曲面等多種復雜幾何形狀的測量。實踐教學側重學生了解此類儀器高效率、高精度、數字化的特點。

HyperScan光學追蹤3D掃描儀通過激光掃過物體表面，利用三角測量法確定物體特征位置。激光掃描速度快，具備完成復雜曲面快速、非接觸的測量能力。這種將特征測量和曲面掃描測量有機結合的測量方式在逆向設計方面具有非常突出的優勢。實踐課程中引導學生建立逆向工程的概念，了解從實物到CAD模型的快速曲面重建的全過程。

觸針式表面粗糙度測試儀借由電子裝置將觸針劃過工件表面時的上下起伏運動捕捉下來轉化成粗糙度數據。顯微硬度計是通過將壓頭壓入物體獲得的壓痕對角線與顯微硬度值對應，得到顯微硬度值。不同于較普遍的尺寸測量，針對單一表面粗糙度和表面硬度的測量知識可以豐富學生的課程認知內容。

課程人員、時長及成績判定

1）小組制。學生采用小組制，每組三個人或四個人，開展共15人之內的小班教學。小組內成員要求專業區分最大化，理想狀態為機械類專業、近機械類專業和非工科類專業組隊。學生以小組為單位完成課程學習項目，使學生在此過程中能相互協作，各自在學習中針對課程內容有所側重，減少課程操作中不必要的操作重復。

2）教學時長。由八個學時增加到16個學時，學習內容增加，學時內容再分配：四個學時用于機械式量具實踐教學，八個學時用于精密測量儀器的實踐教學，四個學時用于學生自主選擇課程提供范圍內的進一步測量實踐教學。

3）團隊授課。根據教學內容和教學時長，教師采用團隊授課的方式，測量實驗室擁有由碩士實驗師、高級技術人員等組成的優秀教師團隊。課程安排三位教師共同完成16個學時的教學工作，按照教師專長教授相應課程內容。

4）課程成果評定規則。學生課程成績的判定，由小組共同工件測量數據報告和每一位學生的實踐報告組成。工件測量報告同樣為課程提供零件的形狀、位置、尺寸的測量數據，每位學生的實踐報告由客觀題目和主觀課程小結組成。

4 結語

實踐教學改革對原有課程結構和內容進行了分析，課程針對不同實踐課程對象細化課程教學目標，從教學時長、教學隊伍、實訓設備等方面做出改革。按照改革后方案安排測量實踐教學，發現本次改革所制定的教學目標、教學內容、教學方法及成績評定方式等對提升學生學習效果產生了積極的影響。課程目前統一安排授課內容，在測量方法和測量設備的種類上增加了課程廣度，學生學習的東西多卻不精。在日后的課程改革中可以考慮提套餐制課程，學生可以在一定程度上自由選擇學習內容，同時相應增加教學深度。

參考文獻

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[2]周亮，王振環，孫東辰，等.現代精密測量技術現狀及發展[J].儀器儀表學報，2017（8）：1869-1878.

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