以問題為導向的實驗教學改革與實踐

彭 麗， 李剛俊， 李虹霖， 程 明

（成都工業學院智能制造學院，成都610031）

0 引 言

進入20 世紀80 年代以后，國際高教界逐漸形成了一股新的潮流，那就是普遍重視實踐教學、強化應用技術型人才培養。國內的諸多高校近年也紛紛在教育教學改革的探索中注重實踐環境的強化，因為人們已越來越清醒地認識到，實踐教學是培養學生實踐能力和創新能力的重要環節，也是提高學生社會職業素養和就業競爭力的重要途徑。

當前，我國正處于發展的重要戰略機遇期，大力培育創新型人才，為建設創新型國家、國家創新體系和全面建設小康社會提供堅強的人才保證和智力保障，顯得尤為迫切和重要。培養創新型人才的國家需求，對高校實驗教學提出了更高的要求，實驗教學相對于理論教學具有直觀性、實踐性、綜合性、設計性與創新性。實驗教學在培養學生的知識創造能力、知識應用能力和創新實踐能力方面起著舉足輕重的作用。因而，以培養學生知識創造與創新能力為主的實驗教學得到了高校領導和教師的重視，實驗教學改革在高校中進一步深入。

盡管國家近年對高校實驗設備不斷加大投入，可是對于昂貴的精密儀器或前沿實驗儀器，這些資金只能勉強購置一部分新實驗所需設備，而不可能全部更換原有落后的實驗設備［1］。但在精密儀器方面還顯不足，普遍存在多個同學使用一臺儀器，再加之傳統實驗教學中的驗證性實驗飽受詬?。?］，對理論教學的重視程度遠勝于實驗教學，學生做實驗也是走馬觀花，上課時玩手機，編寫報告時沒有獨立操作測量數據而抄襲，根本不能培養學生解決實際問題的能力和創新能力。怎樣利用現有傳統經典光學精密測量儀器設備與學生興趣及現代智能工具相結合，設計出新的實驗項目，激發學生的學習積極性與主動性，從而培養對未知領域進行探究的能力仍然是高校培養人才重要途徑之一。

公差與技術測量課程是機械類各專業的一門技術基礎課程之一，它是聯系設計課程與工藝課程的紐帶，是從基礎課學習過渡到專業課學習的橋梁［3］。本課程與實踐環節緊密相關，實驗教學正是將抽象的理論概念具體化，從而加深對有關概念進一步理解，為后期專業學習打下重要的基礎。表面粗糙度參數值的大小對零件的使用性能和壽命有直接影響。會影響零件的耐磨性、強度和抗腐蝕性等，還會影響配合性質的穩定性。對間隙配合來說，相對運動的表面因粗糙度未達標而迅速磨損，從而使間隙增大；對過盈配合來說，由于裝配時將微觀凸峰擠平，減小了實際有效過盈，從而降低了連接強度；對于過渡配合，表面粗糙度太大也會使配合變松。此外，表面粗糙度對接觸剛度、密封性、產品外觀及表面反射能力等都有明顯的影響。因此，表面粗糙度是評定產品質量的一項重要指標。

1 光切顯微鏡原理及測量方法

1.1 光切顯微鏡工作原理

9J型雙管顯微鏡是利用光切原理制成，故也稱做光切顯微鏡，是一種貴重和精細的儀器，是公差實驗教學中不可或缺的精密測量儀器。是以光切法測量和觀察機械制造中零件加工表面的微觀幾何形狀，在不破壞表面條件下，測出截面輪廓的微觀不平度和溝槽寬度的實際尺寸。此外，還可測量表面上個別位置的加工痕跡和破損［4］。儀器適用于測量▽3 ～▽9 級表面光潔度，但只能對外表面進行測定，如需對內表面進行測定，而又不能破壞被測零件時，則可用一塊膠體把被測面模印下來，然后測量模印下來的膠體表面。在公差實驗教學中，主要用以測量微觀不平度10 點高度Rz，新標準輪廓最大高度Rz。測量方法不變。

微觀不平度10 點平均高度Rz，在取樣長度內5個最大的輪廓峰高和谷深平均值之和［5］。儀器工作原理如圖1 所示，狹縫被光源發出的光線照射后，通過物鏡發出一束光帶以傾斜45°方向照射在被測量的表面上。具有齒狀的不平表面，被光亮的具有平直邊緣的狹縫像的亮帶照射后，表面的波峰在s點產生發射，波谷在s′點產生反射，通過觀測顯微鏡的物鏡，它們各自成像在分劃板的a 和a′點。在目鏡中觀察到的即為具有與被測表面一樣的齒狀亮帶。被測表面的微觀不平度h即為：

式中：N 為分劃板a、a′之間的距離；v 為物鏡放大倍數。

圖1 光切顯微鏡工作原理

圖2 目鏡所示圖像

儀器經過調整后，從目鏡觀察到一條綠色光帶，如圖2 所示將十字線的水平線調整到光帶的一邊，并使之在一個取樣范圍內處于與同側波峰或波谷相切的位置。圖示理想狀態，可以捕捉到沒有虛光和重影狀態圖，但實際從目鏡中觀察到綠色光帶，總會有虛光和重影，不可能完全消除，這是由原理決定，因此受測量者的主觀影響較大。

1.2 傳統測量方法

根據Rz的定義，在一個取樣長度L內測出輪廓上5 個最大峰高YP1～YP5和5 個最大低谷Yv1～Yv5（選擇物鏡14 倍，目鏡一個視場范圍正好是2.5，一個取樣長度范圍）。則該取樣長度內的Rz值為：

其測量基準是中線，測量時應按每個取樣長度內的中線的實際位置，來將目鏡千分尺對0，或者記下中線位置的目鏡讀數作零位數，并以它作為測量10 個峰谷高度的起點，如圖3（a）所示。實際如果把測量基準換成一條平行中線的直線（位置不必規定），則有圖3（b）所示的關系：

圖3 Rz的傳統測量方法

這樣測量就簡便了。只要在垂直于中線的方向上測量并記取10 點的h 值，便可算出該評定長度內的Rz。但h值是不能從目鏡中直接讀出的，因為目鏡中讀的不是表面輪廓本身，而是經過物鏡放大，并經過兩次45°傾斜的輪廓光帶，所以目鏡測微計測到的峰值ap和谷值av應換成：

式中：a為目鏡測微計的公稱讀數（其公稱分度值為0.01 mm。即10 μm）；v為物鏡的實際放大倍數。

這里實際放大倍數v絕不等于物鏡的公稱放大倍數（由于制造，安裝誤差和使用一段時間后引起的變動造成），故量儀的實際放大倍數要利用儀器附帶的一塊玻璃標準刻度尺來校準。為了確定公式中物鏡的實際放大倍數v，在進行輪廓不平度測量時需對儀器備有的標準刻度尺進行測量，首先將標準刻度尺放在儀器的工作臺上，調整標準刻度尺刻線清晰地成像在目鏡視場中，并且使其刻線和狹縫像垂直，分劃板“十”字線的運動方向與狹縫像平行。然后將分劃板“十”字線交點對準標準刻度尺的一端，按測微目鏡的分劃與測微鼓進行第1 次讀數［6］，如圖4 所示。把十字線交點移到標準刻度尺的另一端，再以同法進行第2 次讀數。此時，測微目鏡的兩次讀數差與標準刻度尺選擇段刻度數之比，就是顯微鏡物鏡的放大倍數v。

圖4 測微目鏡鼓輪分度值c 的標定示意圖

為了使計算方便簡單，可以用玻璃標準刻度尺校準量儀目鏡測微計的實際分度值c，即得h ＝ac，因此，可以直接計算：

顯然，c ＝1／（2v），故兩種核實作用相同，只是計算不同而已，只要測出評定長度L 所包含的n 個取樣長度內的Rz1～Rzn，便可算出其平均值，即為被測面的微觀不平度10 點高度

1.3 測量存在的問題

測量時，從目鏡中觀察到綠色光帶，總存在虛光和重影。如果從視圖角度觀察，從前往后觀察到波峰清晰，波谷不清晰；從后往前看觀察到波峰不清晰，波谷較清晰。在有效時間一個視場范圍測量5 個連續波峰波谷都非常困難，容易視疲勞，學生更容易厭倦，導致放棄測量。測量出數據誤差較大，最后結果遠遠偏離真值。教學中，采用5 個學生在同一臺儀器同一個取樣長度內測1 組數據5 個波峰波谷，5 組數據測量平均值作為Rz結果。測量標準樣板Rz ＝20 μm進行微觀不平度10 點高度測量。測量數據從最小Rz ＝20.338 ～38.192 μm不等。結果遠遠偏離真值。按照光切顯微鏡示值誤差，14 倍物鏡是±10%。不考慮其他誤差，測量數據范圍應是：Rz ＝19.8 ～20.2。

2 設計創新型測量項目思路

按照新工科專業明確的培養目標和豐富多變的教學內容要求，注重提高學生的學習興趣、學習參與度、解決實際問題和應用能力培養［7］。利用學生人手都有手機為媒介，以手機攝像功能做為基本工具，用手機鏡頭代替人眼在目鏡視場探視圖像，適時抓拍理想視圖，手機圖像穩定、清晰，原本對同側波峰波谷不理解的同學，在教師指導下，憑借視圖深刻理解了同側波峰、波谷概念，同時也理解了其他粗糙度相關的概念。通過手機觀察圖片僅建立感性觀認識，但無法實現數據分析。解決數據分析問題的思路是利用手機拍照功能拍出清晰圖片，將圖片導入計算機，再將圖片與AutoCAD或CAXA作圖軟件結合實現測量獲取數據，將抽象的理論概念在實踐中得到理解。

3 創新性測量實驗教學內容

學生進入創新型實驗項目之前，須經過現場觀察，圖片和目鏡視場結合理解相關概念，認識同側的波峰波谷，區分光帶寬度。光帶在目鏡視場中是清晰的，將光帶實際尺寸測量準確，為消除誤差至少在同一部位測量3 次甚至更多，取平均值作為結果。

將測量光帶寬度值作為標準，利用拍出的圖片在電腦上進行Rz值的測量。怎么測量，測量出實際寬度有什么用等。教師帶著問題逐步啟發，以一種開放性、創新性的實驗設計理念將教學實驗呈現在學生的思維中［8］，學生通過問題導向思維方式進行相關資料查詢，從而引導學生掌握解決問題的方法與手段。激發學生進一步探究解決問題的積極性，在興趣實驗中激發創新性思維，實現創新型人才的培養目的。教師進一步提示，利用學生對自己所熟悉的繪圖軟件進行Rz值測量。利用相關軟件還可進一步在圖片上拓展到表面粗糙度其他參數的測量，輪廓算術平均偏差Ra 輪廓單元的平均寬度RSm及輪廓的支承長度率Rmr等。

4 創新性測量實驗教學效果

實驗教學是大學教學的一個重要組成部分，是培養學生實踐能力、創造能力的主要手段［9］，對人才培養具有重要作用。怎樣利用現有儀器設備進行創新一直以來都是高校不斷探索的話題［10］，創新性測量項目的開設，不僅開啟了學生對解決實際問題的探究精神，提升學生創新和實踐能力［11］，提升參與濃厚興趣，對存在的問題自發進行小組討論，自主設計測量方案，虛實結合，在線下線上不斷反復測量，以此尋找測量誤差，在同一個圖形測量多次，尋找最佳測量方案，減小測量誤差。從學生反饋情況看，主要有幾種方式：直接測量輪廓峰到輪廓谷距離，有從前面視圖測量同側波峰波谷，有從后視圖測量同側波峰波谷；以先找出中線，用定義測量Rz；有用簡化方法測量Rz。更有同學用不同的測量方法測量，找出誤差大小，最后結果測量誤差遠遠小于在目鏡測量的讀數誤差。

其中關鍵要素是以線下儀器測量實際的光帶寬度尺寸作為標準，最后進行換算。圖片不論怎么放大縮小，只要以儀器測量光帶寬度為準，最后可以換算出放大縮小比列，相應最后Rz值結果放大或縮小相同倍數即可。學生為了驗證這一新的創新型測量方式自主以不同的測量方法與不同軟件測量得到驗證。測量數據Rz ＝18.707 ～22.052，誤差減小，偏離真值程度減低。但還存在經驗及其他原因，比如未找到峰谷切點，視角誤差等，教師將問題交由學生進一步去探討。學生不僅建立測量精確度的理念，嚴謹的科學態度，應用綜合知識解決實際問題能力得以提高，創新能力也得到進一步鍛煉［12］。創新型測量實驗不僅延伸課堂教學，將實驗教學的開放及培養學生解決實際問題能力得以充分的發揮，極大提高學生嚴謹的科學探究精神。在特殊時期學生不再為了驗證測量誤差而到實驗室，可以利用此教學方法在線上授課。不僅可將圖片利用互聯網進行講解，還探索出線上與線下實驗教學路徑，及與學生線上線下交流路徑等［13］。圖5 所示4 組圖為學生采用的不同測量方式，由于篇幅有限，計算略。

圖5 學生采用的幾種粗糙度測量方式

5 結 語

創新性測量實驗教學項目的設計，激發學生學習興趣，豐富了傳統實驗教學內容和測量實驗方法，完全顛覆了以往的教學模式，開辟了教學改革的新篇章。不僅激發了學生的好奇心、和好學心，使學生在強化解決實際問題能力、創新能力的同時，進一步提高科學研究興趣與探究能力。在探究式學習的引導下，學生獲得的是一種探究能力，是對探究的濃厚興趣［14］。通過以問題為導向實驗教學嘗試，學生普遍反映與以前的簡單驗證實驗教學相比，在知識點理解、知識點之間相互關系方面有了很大改進。現今教育理念，需要堅持以本為本，突出問題導向，從轉變教育理念、推進課堂革命，加快推進本科教育改革［15］。怎樣將現有資源引導學生與現代理念相結合從而轉變為探究性和創新性的模式，既解決儀器少，課時短的問題，也是以后要探索的問題。從而更加有利于培養創新型的應用人才。