新工科背景下工程訓練中現代測量教學模式分析和探索*

沈瑤 崔琦 栗茂林 張彥鵬

西安交通大學實踐教學中心 西安 710049

0 引言

隨著現代先進制造技術的發展，機械測量技術也迅猛發展起來。工程訓練的教學實踐應當注重產業需求，與當前工業主流技術相銜接。面對新工科系統級工程能力人才培養的需求，工程訓練中心作為高校工程教育的實踐教學平臺，應當發揮其重要作用，將現代測量技術教學作為重要組成部分[1]。

1 構建現代測量實訓的意義

我國高等教育經過“質量工程”“卓越工程師教育培養計劃”等重大改革后，形成規模第一、層次完備、專業齊全的工程教育體系。工程訓練是高等教育中工程能力的重要支撐，也是新工科教育的重要載體。在工程訓練中體現新工科系統級工程人才的培養已成為我國高等工程教育改革的特點[2-5]。

現代制造業對機械零件的檢測提出了高精度、高效率、高穩定性等要求，促使現代測量技術迅猛發展。測量技術是先進制造技術中的重要組成部分，更是貫穿產品生命全周期的重要內容。傳統的工程訓練教學過分重視理論教學和技能教學，忽略了基于產品生命全周期的工程意識培養和產品質量意識培養。根據大工程培養方案，為了使工科學生適應社會需求，培養其精度意識、質量意識，使其理解工業生產的內涵，這就需要在工程訓練實踐教學中構建更真實的工程環境[6]。現有的工程訓練實踐教學缺乏質量意識體系的構建，導致學生質量意識不足。所以高校在工程訓練教學中引入現代測量實踐是必要的，它不僅可以培養學生的質量意識，也有助于培養學生追求卓越的工匠精神。

2 當前測量實訓的現狀

現有工程訓練各工種涉及的測量教學部分存在重復、單一、跟不上時代發展的缺點，無法與現代工業技術接軌，達不到現代化企業的要求，因此，現代測量實訓不僅需要整合，還要與新技術接軌[7]。

部分現有工種的實訓存在重體驗過程、輕結果的現象，考核評價指標量化不夠。例如，在陶藝實訓中，對學生的泥板作品和拉坯作品，教師更傾向于從藝術性、主觀性方面進行考核評價。而工程是可以量化的科學，現代測量技術與各工種的緊密結合應用可以幫助部分現有工種提高考核評價指標的量化程度，增強學生的工程意識和追求卓越的工匠精神。

對國內主要工科高校進行調研，發現目前高校測量實踐教學中主要存在以下四個問題。

1）教學方法傳統。由于課時的限制，理論教學多采用灌輸式教學方法，教學以講授為主，簡單演示為輔，學生很難理解檢測的相關原理，測量概念生澀難懂，學生對知識一知半解。這樣的教學方法無法激發起學生的學習興趣和學習主動性，教學效果不佳。

2）一些現代測量設備價格昂貴，臺數少，對操作水平要求高，例如三坐標測量機，因此教學模式通常是“一人操作，眾人圍觀”，顯然無法滿足工程訓練的實踐要求，導致理論教學與實踐教學完全脫節。

3）測量實踐課程的教學樣件多是教師提供的已經加工好的固定種類樣件。教學內容太單一，缺少與設計、加工工藝的關聯性與交互性，缺乏綜合性，無法培養學生的系統工程意識，不能培養學生的創新發散思維，無法滿足高質量的工程訓練教學的要求。

4）測量實踐教學培養方向缺乏明確性，學生培養層次規格單一化。

3 現代測量實踐的建設

高校現代測量實訓中心應加強硬件建設投入，以學校工程訓練中心為例，中心擁有較為先進的現代測量儀器設備，包括各種通用量具，如各種游標卡尺、萬能角度尺、千分尺等，還有三坐標測量機1 臺、萬能測長儀1 臺、光學影像測量儀一臺、手持式三維掃描儀2 臺、超聲波探傷儀1 臺、顯微維氏硬度計1 臺、表面粗糙度儀4 臺和測齒儀等。實驗室儀器不僅可以完成常規測量項目，還可以完成各種專項測量和精密測量項目，例如：螺紋和齒輪要素測量、表面粗糙度測量、幾何公差測量、硬度測量、無損測量、逆向測量等。

3.1 整體思路原則

現代測量實訓教學旨在讓學生系統地掌握工業測量的基礎性知識與相關技能，熟悉零檢測量的常用工具和測量方法，使學生了解現代檢測技術的發展，提升學生的專業知識水平，培養學生的質量意識及質量控制意識、大工程意識和工程能力，從而培養現代企業所需要的復合型人才[8]。本課程注重學生系統解決實際工程問題的能力、工程綜合應用能力、團隊協作能力和綜合創新能力。對現代測量實踐的建設應當遵循以下原則。

1）現代測量實訓應強調真實的工業環境，使學生的工程訓練實訓環境與真實的生產環境更趨一致。

2）現有工程訓練各工種已存在的測量教學內容比較松散、單一、傳統，現代測量實訓應整合各工種測量教學內容，實現更系統、更全面的測量實訓教學。

3）現代測量實訓的教學內容應緊隨現代工程產業發展的步伐，承接智能制造前沿，對新技術、新應用保持敏感，使學生能獲取最新的測量技術并加以應用，開闊學生的視野，從而滿足現代化企業對本科人才的要求。

4）現代測量實訓教學中的理論知識多，測量概念生澀難懂，應當增加具有應用性、設計性和綜合性的實驗項目，減少演示性、驗證性的實驗項目，強調多學科交叉融合，同時豐富教學形式，激發學生的學習興趣和學習主動性，保證教學效果。

5）應具有開放性，不僅面向參加工程訓練的學生，也為學生的自主實踐、科技競賽等提供有力的支撐。

3.2 構建多層次育人體系、豐富教學內容

面對新工科系統級工程能力人才培養的需求，針對現代測量技術在工程訓練教學體系中的全面落地問題，需構建以實踐為基礎的多層次育人體系，同時充分利用工程測量實驗室現有的教學資源，從橫向和縱向兩個維度深化教學內容，將現代測量技術更全面、緊密地滲透進工程訓練教學體系中。

針對學生專業背景的不同、工程能力的不同，設計并建立多層次的菜單式測量實訓方案，培養滿足多種社會需求的復合型人才。綜合性大學工程訓練的學生包括人文類專業、近機械類專業和機械類專業，學生學科背景不同，對測量實踐的需求和接受度也不同，故需對不同專業背景的學生設置有針對性的教學內容，并開發豐富的綜合訓練項目，采用菜單式選擇模式，充分激發學生的自主學習能力和學習興趣，實現教學目標。

現代測量工程訓練的教學體系如圖1 所示，測量教學內容設為基礎模塊、進階模塊和創新應用模塊。基礎模塊的教學課時為8 個課時，面向所有工訓學生，教學內容包括工業測量的發展歷史、測量的基礎概念等，通過基本測量儀器的操作實踐，讓學生建立測量技術的認知，掌握基本測量技能；進階模塊的教學課時為16 個課時，面向機械類專業學生，結合專業培養需求，進行教學內容的深度挖掘，作為機械類學生互換性測量等專業課的實踐補充，目的是培養專業性更強，測量實踐能力更強的專業人才；創新應用模塊是結合現有各工種教學資源，以解決實際工程問題為目標，以應用測量結果為實施方式，開發出針對各工種的綜合檢測實踐項目，將各工種串聯起來，實現多工種交叉、多材料交叉和多學科交叉的三個交叉效果。

圖1 現代測量工程訓練教學體系

測量實踐育人體系有“三個面向”的特點，分別為面向不同層次、面向不同專業背景、面向不同工種模塊，以學生為中心，學生可以根據自身特點和專業背景需求，自主選擇相應的測量實踐教學模塊，更具有科學性。

結合各工種的實際情況，可以深化測量教學內容的挖掘，開設有針對性的測量實踐項目，如圖2所示。結合學生的需求和興趣可以開設綜合檢測實踐項目，比如利用逆向測量技術的文創作品的開發。各工種間的串聯可以利用反求技術或者驗證性實驗的方法來實現，以豐富測量教學內容。

圖2 現代測量實踐項目

3.3 教學方法的探索與實踐

受檢測儀器設備臺套數的限制，實踐教學采用分組制。建立問題導向、項目導向、任務導向的驅動模式：以提出問題和派發測量任務為實施方式，啟發學生思考，讓學生采用合適的測量儀器、測量方法完成測量過程，培養學生分析問題、思考問題和解決問題的能力，培養學生的團隊合作精神和創新設計能力。利用多媒體、虛擬仿真技術等多種手段豐富教學資源，彌補測量設備臺（套）數不足的問題，為學生提供更全面的實踐環境，提升實踐教學質量。授課團隊采用多教師形式，各工種教師合作輔導學生的實踐過程，充分實現多學科交叉，提升實踐教學效果。

3.4 多維度綜合考核

建立多維度的綜合考核評價體系，以小組為單位對學生進行考核，注重對其實訓過程、操作技能和創新能力的考核，從課前預習、上課表現、練習過程、測量報告完成情況、量具和設備的維護等多個方面進行評價。將“德智勞”融入考核體系，體現在課前、課中和課后全過程。通過對預習準入、課堂操作、實習報告的過程考核，實現安全教育、實驗實踐基本素質、工程實踐能力、勞動態度、精益求精的工匠精神等重點課程的培養目標。

3.5 現代測量實訓項目的開發范例：面向藝術的測量實訓項目

現代測量實訓教學內容除了掃盲性的基礎模塊、專業性更強的進階模塊之外，還可以結合各工種開設創新應用模塊，開發有特色的綜合測量實踐項目。綜合測量實踐項目的課時可以設置為4 ～16課時，課時選擇更加自由，從而解決測量設備臺（套）數不足的問題。面向藝術的現代測量實訓可以開設針對陶藝、雕塑、木藝、書法等人文藝術方向的實踐訓練項目。結合本中心陶瓷制造模塊、3D 打印模塊，可開設具有藝術特色的測量實踐項目，面向工程訓練學生，尤其適合對人文藝術感興趣的各專業學生。

針對陶瓷作品的特點，可以開設如下測量實踐項目。

1）基本尺寸測量。用通用量具測量陶瓷作品燒制前后的基本尺寸，計算收縮率，學生在實踐測量操作的同時，可以更深刻地感受陶瓷材料的特性。

2）粗糙度測量。粗糙度屬于表面質量的一種指標，讓學生進行粗糙度測量訓練，可以使其更直觀地感受粗糙度，加深理解，并了解不同加工過程對產品表面粗糙度的影響。可選擇一些不同的陶瓷樣片（例如陶泥的、瓷泥的、繪了釉下彩的、施了釉的等等）、金屬加工樣件等，提供不同規格的砂紙，讓學生用電動輪廓儀進行粗糙度測量實踐，另有粗糙度樣板供學生進行目視測量，讓學生進行不同測量方法的實踐。

3）顯微維氏硬度測量。除了不同釉料的陶瓷樣片之外，還可提供鋁合金樣件、鋼件等供學生測量，讓學生在學會硬度測量的原理、掌握操作方法的同時，不僅對硬度的概念有更深刻直觀的了解，還加深對陶瓷等工程材料性能的理解。

4）三坐標測量。三坐標測量機已成為復雜的精密機械零件形位誤差檢測及評定的重要儀器。它可以快速精確地檢測出機械零件的形位誤差。陶瓷制作實踐課程中，拉坯成型環節和泥板成型環節中的作品檢測和學生技能的考查可由三坐標測量機實現。拉坯成型的作品多為各種回轉體作品，對拉坯和修坯技藝的考查可以通過考查作品的圓度以及厚度來實現。如果作品比較均勻對稱，則作品圓周方向上的坯體厚度應當一致，圓度應當比較小，從而將對成型技藝的考查變為可量化的。泥板作品的質量也可通過平面度、垂直度等形位公差表現出來，用三坐標測量機可以快速地實現。學生的實踐作品的質量和操作技法可以采用更多的量化考核方式，這有利于培養學生精益求精的工匠精神。

5）逆向測量。可以獲取學生的藝術創作品（例如手捏陶瓷作品）或者生活中的實體的外形輪廓信息，得到點云數據，經過數據處理可以得到三維模型，學生可以此三維模型作為基礎進行再設計，后續可以結合3D 打印技術或激光內雕技術等加工作品，從而實現復制、衍生以及創新創作。本文以手捏陶瓷小泥人為例，采用非接觸式測量方法對模型進行掃描和建模，得到計算機三維模型。

面向藝術的測量實踐不僅能讓學生掌握現代測量方法，還能提升其學習興趣，實現多學科交叉、多材料交叉，提升學生的創新應用能力和綜合實踐能力。

4 結束語

面對新工科系統級工程能力人才培養的需求，我們針對現代測量技術在工程訓練教學體系中全面落地的問題，搭建現代測量工程訓練教學體系，對現代測量工程訓練教學建設的內容和方法進行探討并實踐，同時充分利用測量實驗室現有的教學資源，以“單點提升，串聯綜合”的具體實施方式，將現代測量技術更全面、緊密地滲透進工程訓練教學體系中，為高校開展現代測量教學和多學科交叉提供了新思路。后續我們會從加強校企聯合、建立虛擬仿真實驗室、加強網上資源建設、加強教師團隊建設等方面提升現代測量實訓能力。