以問題為導(dǎo)向的實驗教學(xué)改革與實踐

彭 麗， 李剛俊， 李虹霖， 程 明

（成都工業(yè)學(xué)院智能制造學(xué)院，成都610031）

0 引 言

進入20 世紀(jì)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(xué)、強化應(yīng)用技術(shù)型人才培養(yǎng)。國內(nèi)的諸多高校近年也紛紛在教育教學(xué)改革的探索中注重實踐環(huán)境的強化，因為人們已越來越清醒地認(rèn)識到，實踐教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新能力的重要環(huán)節(jié)，也是提高學(xué)生社會職業(yè)素養(yǎng)和就業(yè)競爭力的重要途徑。

當(dāng)前，我國正處于發(fā)展的重要戰(zhàn)略機遇期，大力培育創(chuàng)新型人才，為建設(shè)創(chuàng)新型國家、國家創(chuàng)新體系和全面建設(shè)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(yǎng)創(chuàng)新型人才的國家需求，對高校實驗教學(xué)提出了更高的要求，實驗教學(xué)相對于理論教學(xué)具有直觀性、實踐性、綜合性、設(shè)計性與創(chuàng)新性。實驗教學(xué)在培養(yǎng)學(xué)生的知識創(chuàng)造能力、知識應(yīng)用能力和創(chuàng)新實踐能力方面起著舉足輕重的作用。因而，以培養(yǎng)學(xué)生知識創(chuàng)造與創(chuàng)新能力為主的實驗教學(xué)得到了高校領(lǐng)導(dǎo)和教師的重視，實驗教學(xué)改革在高校中進一步深入。

盡管國家近年對高校實驗設(shè)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(shè)備，而不可能全部更換原有落后的實驗設(shè)備［1］。但在精密儀器方面還顯不足，普遍存在多個同學(xué)使用一臺儀器，再加之傳統(tǒng)實驗教學(xué)中的驗證性實驗飽受詬病［2］，對理論教學(xué)的重視程度遠(yuǎn)勝于實驗教學(xué)，學(xué)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(shù)據(jù)而抄襲，根本不能培養(yǎng)學(xué)生解決實際問題的能力和創(chuàng)新能力。怎樣利用現(xiàn)有傳統(tǒng)經(jīng)典光學(xué)精密測量儀器設(shè)備與學(xué)生興趣及現(xiàn)代智能工具相結(jié)合，設(shè)計出新的實驗項目，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性與主動性，從而培養(yǎng)對未知領(lǐng)域進行探究的能力仍然是高校培養(yǎng)人才重要途徑之一。

公差與技術(shù)測量課程是機械類各專業(yè)的一門技術(shù)基礎(chǔ)課程之一，它是聯(lián)系設(shè)計課程與工藝課程的紐帶，是從基礎(chǔ)課學(xué)習(xí)過渡到專業(yè)課學(xué)習(xí)的橋梁［3］。本課程與實踐環(huán)節(jié)緊密相關(guān)，實驗教學(xué)正是將抽象的理論概念具體化，從而加深對有關(guān)概念進一步理解，為后期專業(yè)學(xué)習(xí)打下重要的基礎(chǔ)。表面粗糙度參數(shù)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(zhì)的穩(wěn)定性。對間隙配合來說，相對運動的表面因粗糙度未達(dá)標(biāo)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(chǎn)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(chǎn)品質(zhì)量的一項重要指標(biāo)。

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(xì)的儀器，是公差實驗教學(xué)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(nèi)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(xué)中，主要用以測量微觀不平度10 點高度Rz，新標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)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(fā)出的光線照射后，通過物鏡發(fā)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(chǎn)生發(fā)射，波谷在s′點產(chǎn)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(shù)。

圖1 光切顯微鏡工作原理

圖2 目鏡所示圖像

儀器經(jīng)過調(diào)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(diào)整到光帶的一邊，并使之在一個取樣范圍內(nèi)處于與同側(cè)波峰或波谷相切的位置。圖示理想狀態(tài)，可以捕捉到?jīng)]有虛光和重影狀態(tài)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(tǒng)測量方法

根據(jù)Rz的定義，在一個取樣長度L內(nèi)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(nèi)的Rz值為：

其測量基準(zhǔn)是中線，測量時應(yīng)按每個取樣長度內(nèi)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(shù)作零位數(shù)，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(zhǔn)換成一條平行中線的直線（位置不必規(guī)定），則有圖3（b）所示的關(guān)系：

圖3 Rz的傳統(tǒng)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(nèi)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(jīng)過物鏡放大，并經(jīng)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(yīng)換成：

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

這里實際放大倍數(shù)v絕不等于物鏡的公稱放大倍數(shù)（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(shù)要利用儀器附帶的一塊玻璃標(biāo)準(zhǔn)刻度尺來校準(zhǔn)。為了確定公式中物鏡的實際放大倍數(shù)v，在進行輪廓不平度測量時需對儀器備有的標(biāo)準(zhǔn)刻度尺進行測量，首先將標(biāo)準(zhǔn)刻度尺放在儀器的工作臺上，調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)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(shù)［6］，如圖4 所示。把十字線交點移到標(biāo)準(zhǔn)刻度尺的另一端，再以同法進行第2 次讀數(shù)。此時，測微目鏡的兩次讀數(shù)差與標(biāo)準(zhǔn)刻度尺選擇段刻度數(shù)之比，就是顯微鏡物鏡的放大倍數(shù)v。

圖4 測微目鏡鼓輪分度值c 的標(biāo)定示意圖

為了使計算方便簡單，可以用玻璃標(biāo)準(zhǔn)刻度尺校準(zhǔn)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(nèi)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(xù)波峰波谷都非常困難，容易視疲勞，學(xué)生更容易厭倦，導(dǎo)致放棄測量。測量出數(shù)據(jù)誤差較大，最后結(jié)果遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離真值。教學(xué)中，采用5 個學(xué)生在同一臺儀器同一個取樣長度內(nèi)測1 組數(shù)據(jù)5 個波峰波谷，5 組數(shù)據(jù)測量平均值作為Rz結(jié)果。測量標(biāo)準(zhǔn)樣板Rz ＝20 μm進行微觀不平度10 點高度測量。測量數(shù)據(jù)從最小Rz ＝20.338 ～38.192 μm不等。結(jié)果遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(shù)據(jù)范圍應(yīng)是：Rz ＝19.8 ～20.2。

2 設(shè)計創(chuàng)新型測量項目思路

按照新工科專業(yè)明確的培養(yǎng)目標(biāo)和豐富多變的教學(xué)內(nèi)容要求，注重提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、學(xué)習(xí)參與度、解決實際問題和應(yīng)用能力培養(yǎng)［7］。利用學(xué)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(wěn)定、清晰，原本對同側(cè)波峰波谷不理解的同學(xué)，在教師指導(dǎo)下，憑借視圖深刻理解了同側(cè)波峰、波谷概念，同時也理解了其他粗糙度相關(guān)的概念。通過手機觀察圖片僅建立感性觀認(rèn)識，但無法實現(xiàn)數(shù)據(jù)分析。解決數(shù)據(jù)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(dǎo)入計算機，再將圖片與AutoCAD或CAXA作圖軟件結(jié)合實現(xiàn)測量獲取數(shù)據(jù)，將抽象的理論概念在實踐中得到理解。

3 創(chuàng)新性測量實驗教學(xué)內(nèi)容

學(xué)生進入創(chuàng)新型實驗項目之前，須經(jīng)過現(xiàn)場觀察，圖片和目鏡視場結(jié)合理解相關(guān)概念，認(rèn)識同側(cè)的波峰波谷，區(qū)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(zhǔn)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(jié)果。

將測量光帶寬度值作為標(biāo)準(zhǔn)，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(fā)，以一種開放性、創(chuàng)新性的實驗設(shè)計理念將教學(xué)實驗呈現(xiàn)在學(xué)生的思維中［8］，學(xué)生通過問題導(dǎo)向思維方式進行相關(guān)資料查詢，從而引導(dǎo)學(xué)生掌握解決問題的方法與手段。激發(fā)學(xué)生進一步探究解決問題的積極性，在興趣實驗中激發(fā)創(chuàng)新性思維，實現(xiàn)創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)目的。教師進一步提示，利用學(xué)生對自己所熟悉的繪圖軟件進行Rz值測量。利用相關(guān)軟件還可進一步在圖片上拓展到表面粗糙度其他參數(shù)的測量，輪廓算術(shù)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(chuàng)新性測量實驗教學(xué)效果

實驗教學(xué)是大學(xué)教學(xué)的一個重要組成部分，是培養(yǎng)學(xué)生實踐能力、創(chuàng)造能力的主要手段［9］，對人才培養(yǎng)具有重要作用。怎樣利用現(xiàn)有儀器設(shè)備進行創(chuàng)新一直以來都是高校不斷探索的話題［10］，創(chuàng)新性測量項目的開設(shè)，不僅開啟了學(xué)生對解決實際問題的探究精神，提升學(xué)生創(chuàng)新和實踐能力［11］，提升參與濃厚興趣，對存在的問題自發(fā)進行小組討論，自主設(shè)計測量方案，虛實結(jié)合，在線下線上不斷反復(fù)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(xué)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(cè)波峰波谷，有從后視圖測量同側(cè)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(xué)用不同的測量方法測量，找出誤差大小，最后結(jié)果測量誤差遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于在目鏡測量的讀數(shù)誤差。

其中關(guān)鍵要素是以線下儀器測量實際的光帶寬度尺寸作為標(biāo)準(zhǔn)，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(zhǔn)，最后可以換算出放大縮小比列，相應(yīng)最后Rz值結(jié)果放大或縮小相同倍數(shù)即可。學(xué)生為了驗證這一新的創(chuàng)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(shù)據(jù)Rz ＝18.707 ～22.052，誤差減小，偏離真值程度減低。但還存在經(jīng)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(xué)生進一步去探討。學(xué)生不僅建立測量精確度的理念，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，應(yīng)用綜合知識解決實際問題能力得以提高，創(chuàng)新能力也得到進一步鍛煉［12］。創(chuàng)新型測量實驗不僅延伸課堂教學(xué)，將實驗教學(xué)的開放及培養(yǎng)學(xué)生解決實際問題能力得以充分的發(fā)揮，極大提高學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)探究精神。在特殊時期學(xué)生不再為了驗證測量誤差而到實驗室，可以利用此教學(xué)方法在線上授課。不僅可將圖片利用互聯(lián)網(wǎng)進行講解，還探索出線上與線下實驗教學(xué)路徑，及與學(xué)生線上線下交流路徑等［13］。圖5 所示4 組圖為學(xué)生采用的不同測量方式，由于篇幅有限，計算略。

圖5 學(xué)生采用的幾種粗糙度測量方式

5 結(jié) 語

創(chuàng)新性測量實驗教學(xué)項目的設(shè)計，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，豐富了傳統(tǒng)實驗教學(xué)內(nèi)容和測量實驗方法，完全顛覆了以往的教學(xué)模式，開辟了教學(xué)改革的新篇章。不僅激發(fā)了學(xué)生的好奇心、和好學(xué)心，使學(xué)生在強化解決實際問題能力、創(chuàng)新能力的同時，進一步提高科學(xué)研究興趣與探究能力。在探究式學(xué)習(xí)的引導(dǎo)下，學(xué)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(dǎo)向?qū)嶒灲虒W(xué)嘗試，學(xué)生普遍反映與以前的簡單驗證實驗教學(xué)相比，在知識點理解、知識點之間相互關(guān)系方面有了很大改進。現(xiàn)今教育理念，需要堅持以本為本，突出問題導(dǎo)向，從轉(zhuǎn)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(xiàn)有資源引導(dǎo)學(xué)生與現(xiàn)代理念相結(jié)合從而轉(zhuǎn)變?yōu)樘骄啃院蛣?chuàng)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(yǎng)創(chuàng)新型的應(yīng)用人才。