精密測量案例教學在教學活動中的應用

王紅敏

（山東理工大學機械工程學院 山東 淄博 255000）

精密測量技術融合了光學技術、電子信息技術、傳感器與探測技術、信號處理技術、精密機械加工制造技術以及信息技術等多種高精尖技術，需要各個相關領域的支持來取得發展和進步。隨著工業制造技術的不斷發展，以及現代科學研究的不斷深入，精密測量技術的發展方向主要趨向于高精度、智能集成、微型多樣、移動便攜等。

精密測量技術課程是儀器儀表工程學科研究生的主干課程，課程內容涵蓋誤差分析與數據處理、精密測量技術、智能測量控制系統等內容，課程教學目前普遍存在的問題為：一方面教學過程中存在單一的教師講、學生聽的現象，缺乏雙向溝通，課堂上學生被動接受知識，主動性較差；另一方面實踐活動相對欠缺，課堂教學與現實應用相對脫節[1-2]。因此，基于儀器儀表工程類學科發展的特點，教學觀念亟待創新，需立足學科特點對研究生教學中教學方法和教學手段進行總體方案設計和改進。

1 案例教學的必要性

案例教學法通過工程實際案例將需要講授的知識融合其中，經過教師的引導和講述，再現實際情景，并輔以課堂討論，使學生們對相關知識有更深層的理解。這種理論聯系實際的教學方式，十分符合理工科課程的教學實踐，也是教學模式改革的方向。而案例是案例教學的重要基礎，是在教學活動中實現對實際生產生活中真實情況的再現，盡管案例應用形式多樣，但服務教學是其最終目的。一方面，案例庫來源于經驗和總結，不同于一般的教材知識架構，案例庫必須按照不同的教學要求形成不同的知識網絡以服務教學；另一方面，案例庫還應注重培養學生靈活運用所學知識的能力，突出知識應用和能力培養。因此案例的選擇對教學質量和效果有十分重要的影響，對案例進行設計整理直接決定案例教學法的效果，因此課程案例庫的建設就成為亟待解決的關鍵問題[3-4]。

精密測量技術研究一直備受國內外廣泛關注，基于我國近幾年的重要文件，如“國家中長期科技發展規劃綱要”“中國制造2025”等，從國家對科技發展以及生產制造領域的規劃布局來看，精密測量技術的作用至關重要，精密測量、無損檢測及智能控制技術等受到各行業的極大關注，也是目前各國研究的熱點領域，但該領域本科生尤其研究生教學案例庫的建設相對較薄弱。案例教學能夠傳遞最新信息，引領學生主動思考，提高教學成效，因此其教學應用尤其是在研究生教學中前景廣闊。

2 案例教學與實踐

精密測量技術課程教學中，教師首先應引領學生打好基礎關，讓學生掌握誤差理論與數據處理相關技術，比如直線度、平面度、平行度、垂直度等各種形位誤差的數據處理方法，比較結果的異同和優缺點，從而保證在實踐中靈活運用，并對比結果的差異進行總結討論，拓寬研究生解決問題的思路；然后選用恰當的工程案例對精密測量和智能控制進行教學分析，通過大量案例幫助學生掌握精密測量和智能控制技術，所有選例的實訓鍛煉為研究生未來的科學實驗研究、測試數據分析、撰寫學術報告等提前做好理論鋪墊和技術準備，摘選課程案例如下：

2.1 掃描探針顯微鏡納米測量

掃描探針顯微鏡（Scanning Probe M icroscope，SPM）是近年來發展起來的表面分析用高科技儀器，包括掃描隧道顯微鏡、原子力顯微鏡、靜電力顯微鏡、磁力顯微鏡、掃描離子電導顯微鏡、掃描電化學顯微鏡等，SPM 的設計和制造交叉融合了眾多學科的知識，涉及光、機、電、算、控、測以及信號與圖像處理等多個領域，采用了多種加工制造和數據采集與控制技術，在材料表層形貌研究、生命科學及納米制造等領域都有較廣泛的應用。

其中掃描隧道顯微鏡（Scanning Tunneling M icroscope，STM）是一種新型的電子顯微鏡，由于其分辨率高，被廣泛應用于納米級測量。其設計原理來源于量子隧道效應，通過一個探針對樣品表面進行掃描，根據兩者之間電、光、力、熱等物理量同針尖與樣品之間的距離等關系，來獲取樣品的表面信息。STM 具有較高的分辨率，其分辨能力可達原子級別，通過其針尖所在的位置可以獲取被測材料表面的信息，時間延遲小，且不受材料物理性質和環境因素等限制，可在真空、大氣、常溫等氣體、固體、溶液等各種環境下成像工作。無論是在物理、化學等基礎學科領域，還是納米技術、材料科學等高新技術領域，STM都得到了廣泛應用，例如STM可以利用探針對被測材料表層進行掃描，以獲取空間表面的三維圖像，還可以觀察單原子層的局部表面結構，獲取表面電荷密度、表面勢壘、能隙結構等信息，根據探針豎直方向的位移或探針電流參數的改變得到被測材料表面的圖像，由此可以實現移動操縱微觀粒子和表面處理功能。掃描隧道顯微鏡工作模式如圖1 所示。

圖1 掃描隧道顯微鏡工作模式

2.2 機器人控制系統

機器人控制系統是一種基于機構學、運動學和動力學相關理論的控制系統，系統呈非線性、時變、多變量的控制特點，一般由計算單元和伺服控制單元構成。機器人控制系統可按照其作業任務需求，對其執行機構施加力/力矩作用，使其狀態變量（關節空間或任務空間）按期望的狀態改變，從而執行給定的任務。機器人控制按照其被控目標（狀態變量）類型分類如圖2 所示。

圖2 機器人控制方法

機器人控制中柔順控制的應用較為廣泛，指通過力傳感器獲取控制信號來控制機器人的執行動作。柔順控制分為主動柔順和被動柔順，例如主動柔順控制中的力/位混合控制，是指機器人在其作業過程中，當末端執行機構的相關自由度受到外在環境約束時，對其執行機構實現力與位置的雙重控制，由力/位混合控制器來實現，即一部分自由度進行位姿控制（由末端位姿選擇矩陣S確定），其余自由度進行力控制（由末端廣義力選擇矩陣確定），體現對環境的適應性[5-6]。該控制方法應用廣泛，當機器人執行系統與環境有接觸時，采用柔順控制可以實現有效可靠的控制，其作業任務包括裝配、打磨、鑄件表面光滑處理、控制具有鉸支結構件的開合及安裝拆卸連接件等。柔順控制具有獨特的優點：①接觸時力感知高敏感，使力控精度更高、設備更安全：對玻璃、雞蛋等易碎作業對象尤為有利；②可及時避障：當機器人末端執行機構與障礙物即將發生接觸碰撞時，通過力控制可以回避障礙，或降低碰撞產生的損害，從而可以保護機器人、操作對象等；③可實現拖拽功能：用手直接拖動機器人末端進行相關操作，簡單方便。

2.3 慣性網絡傳遞對準系統

當今立體化戰場上，掌握制空權已成為打贏戰爭的一項重要的先決條件。對戰斗機而言，武器系統的性能是決定能否實現作戰目標的關鍵，為滿足快速、精準、裝備可移動性強、具備全時段、全方位打擊能力等新型作戰要求，在武器發射前，需對其慣性導航系統在動基座條件下進行初始對準。

慣性導航系統是一種自主型導航系統，它能獨立判斷確定自己的位置；慣性網絡是由多個慣性測量單元組成的整體，其基本功能有：初始對準、重心狀態估計、局部狀態估計、導航、故障檢測與隔離等，如甲板變形、協同編隊、運動感知等應用；傳遞對準是指高精度估算出慣性導航系統中主、子慣導系統之間的角度誤差，其基本原理是：因慣導系統主、子慣導系統之間存在一定程度的角度誤差，因此而導致其導航參數信息不完全一致，如速度、角速度、位姿等，而主、子慣導系統之間的各種參數和其失準角的大小程度相關，因此可通過對相關參數進行模型分析計算，從而得出它們和誤差角的關系，然后計算出相應的誤差角。傳遞對準即選用主、子慣導系統之間不同的導航參數信息進行匹配，如速度匹配、速度加角速度匹配、姿態匹配、速度加姿態匹配等，其中速度加姿態匹配是對準時間最快精度最準的，因此傳遞對準和傳統的初始對準相比，在對準時間和對準精度方面優勢明顯，如果合理選擇參數匹配則可以在更短時間內獲得更佳的估計精度。另外，還需對慣性網絡主、子節點相對運動進行解算，即相對慣性導航系統是根據主、子慣導系統相關輸出信號，如陀螺儀、加速度計等慣性器件的信號輸出，解算出位于主慣導坐標系內的子慣導導航參數（如相對位置、相對速度和相對姿態等）[7-8]。慣性網絡傳遞對準基本原理如圖3 所示。

圖3 慣性網絡傳遞對準基本原理

誠如上述案例，課程所有相關案例均具有很強的應用性，能使學生更好地了解和認知工程實踐，在實踐基礎上將應用所學的理論知識，針對工作實踐中出現的問題提出有效解決辦法，以培養學生的科學探索精神和創新意識。相關案例結合學生專業和認知程度，難度適中，既能突出強調教學的關鍵點，又能達到帶動學生主動思考問題和處理問題的目的，課程教學采用任務驅動模式，首先制訂計劃任務，然后通過分組討論、案例教學、項目教學、現場教學等方式組織實施；課程評價方面通過多層次、重過程、倡發展等手段，使學生通過線上線下、獨立思考、自主學習、活動分享等方式進行實踐活動，最終提高學生的自主學習能力和專業素養。課程教學模式和學習評價總體方案的設計技術路線如圖4 所示（p68）。

圖4 課程教學模式和學習評價總體技術路線

3 結語

教學過程結束后的課程考核是為了檢測和評估課堂教學成效，反饋并解決教學過程中出現的問題。合理利用課程考核手段和方法，可以在很大程度上鍛煉和提升學生的工程應用能力和創新精神。研究生以往的期末考核多采用開卷或寫論文技術報告等形式，學生成績的考核評定方式不夠靈活，學生成績構成比較集中，結構層次不夠多樣，不容易反映學生平時的努力程度和付出的多少，不利于教學信息的反饋和總結，因而會影響教學決策。案例教學后實行最終總評成績由平時成績、作業成績、階段成績、任務成績等構成。通過案例教學，可以提高學生的參與度，從最終考核結果來看，案例教學實施后，學生成績構成明顯多樣化，通過分析相關信息對課堂教學進行改進，最終促進教學工作的不斷進步和持續發展。

案例教學的實施是一個完整的教學過程，首先由教師結合學科知識與生產實踐，基于教學要求選擇一批典型的教學案例，使學生主動參與課堂討論，激勵學生獨立思考并自由交流觀點，可以得出各自不同的結論，并加以比較、評選，得出最優方案，最終讓學生養成獨立思考和科學創新的科研習慣。同時師生角色發生較大轉變，教師由單純的傳授轉化為引導和促進，學生由被動變主動，在課堂交流中，學生的創新精神得以提升，主動進行探究性學習，將所學知識轉化為實踐技能。

在實際教學中，教師可以基于作業練習、小組討論、團結協作、場景模擬等靈活運用案例教學，引導學生由傳統聽講轉變為探究性學習，同時增進師生交流，讓學生主動參與課堂活動，提高課堂活躍度，以提高學生對本學科的興趣。案例教學既能充分體現知行合一、學以致用的教學理念，又能真實切入工程實際中的科技研發，使案例開發更具實用性，同時也利于教師及時總結和調整教學方法和手段，以培養研究生的科學素養和主動性，促使其開展探究性學習，這對于提升研究生的創新精神、科學思維和工程實踐能力等均具有重要的意義和作用。