以問題為導(dǎo)向的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與實(shí)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(jìn)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(shí)踐教學(xué)、強(qiáng)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(shí)踐環(huán)境的強(qiáng)化，因?yàn)槿藗円言絹碓角逍训卣J(rèn)識(shí)到，實(shí)踐教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)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(huì)職業(yè)素養(yǎng)和就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的重要途徑。

當(dāng)前，我國正處于發(fā)展的重要戰(zhàn)略機(jī)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(huì)提供堅(jiān)強(qiáng)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(duì)高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)提出了更高的要求，實(shí)驗(yàn)教學(xué)相對(duì)于理論教學(xué)具有直觀性、實(shí)踐性、綜合性、設(shè)計(jì)性與創(chuàng)新性。實(shí)驗(yàn)教學(xué)在培養(yǎng)學(xué)生的知識(shí)創(chuàng)造能力、知識(shí)應(yīng)用能力和創(chuàng)新實(shí)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(shí)創(chuàng)造與創(chuàng)新能力為主的實(shí)驗(yàn)教學(xué)得到了高校領(lǐng)導(dǎo)和教師的重視，實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革在高校中進(jìn)一步深入。

盡管國家近年對(duì)高校實(shí)驗(yàn)設(shè)備不斷加大投入，可是對(duì)于昂貴的精密儀器或前沿實(shí)驗(yàn)儀器，這些資金只能勉強(qiáng)購置一部分新實(shí)驗(yàn)所需設(shè)備，而不可能全部更換原有落后的實(shí)驗(yàn)設(shè)備［1］。但在精密儀器方面還顯不足，普遍存在多個(gè)同學(xué)使用一臺(tái)儀器，再加之傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)飽受詬?。?］，對(duì)理論教學(xué)的重視程度遠(yuǎn)勝于實(shí)驗(yàn)教學(xué)，學(xué)生做實(shí)驗(yàn)也是走馬觀花，上課時(shí)玩手機(jī)，編寫報(bào)告時(shí)沒有獨(dú)立操作測(cè)量數(shù)據(jù)而抄襲，根本不能培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)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(cè)量?jī)x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(jì)出新的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性與主動(dòng)性，從而培養(yǎng)對(duì)未知領(lǐng)域進(jìn)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(cè)量課程是機(jī)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(jì)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(shí)踐環(huán)節(jié)緊密相關(guān)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)正是將抽象的理論概念具體化，從而加深對(duì)有關(guān)概念進(jìn)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(duì)零件的使用性能和壽命有直接影響。會(huì)影響零件的耐磨性、強(qiáng)度和抗腐蝕性等，還會(huì)影響配合性質(zhì)的穩(wěn)定性。對(duì)間隙配合來說，相對(duì)運(yùn)動(dòng)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(duì)過盈配合來說，由于裝配時(shí)將微觀凸峰擠平，減小了實(shí)際有效過盈，從而降低了連接強(qiáng)度；對(duì)于過渡配合，表面粗糙度太大也會(huì)使配合變松。此外，表面粗糙度對(duì)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(píng)定產(chǎn)品質(zhì)量的一項(xiàng)重要指標(biāo)。

1 光切顯微鏡原理及測(cè)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(shí)驗(yàn)教學(xué)中不可或缺的精密測(cè)量?jī)x器。是以光切法測(cè)量和觀察機(jī)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(cè)出截面輪廓的微觀不平度和溝槽寬度的實(shí)際尺寸。此外，還可測(cè)量表面上個(gè)別位置的加工痕跡和破損［4］。儀器適用于測(cè)量▽3 ～▽9 級(jí)表面光潔度，但只能對(duì)外表面進(jìn)行測(cè)定，如需對(duì)內(nèi)表面進(jìn)行測(cè)定，而又不能破壞被測(cè)零件時(shí)，則可用一塊膠體把被測(cè)面模印下來，然后測(cè)量模印下來的膠體表面。在公差實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，主要用以測(cè)量微觀不平度10 點(diǎn)高度Rz，新標(biāo)準(zhǔn)輪廓最大高度Rz。測(cè)量方法不變。

微觀不平度10 點(diǎn)平均高度Rz，在取樣長度內(nèi)5個(gè)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(cè)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(diǎn)產(chǎn)生發(fā)射，波谷在s′點(diǎn)產(chǎn)生反射，通過觀測(cè)顯微鏡的物鏡，它們各自成像在分劃板的a 和a′點(diǎn)。在目鏡中觀察到的即為具有與被測(cè)表面一樣的齒狀亮帶。被測(cè)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(gè)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(shí)際從目鏡中觀察到綠色光帶，總會(huì)有虛光和重影，不可能完全消除，這是由原理決定，因此受測(cè)量者的主觀影響較大。

1.2 傳統(tǒng)測(cè)量方法

根據(jù)Rz的定義，在一個(gè)取樣長度L內(nèi)測(cè)出輪廓上5 個(gè)最大峰高YP1～YP5和5 個(gè)最大低谷Yv1～Yv5（選擇物鏡14 倍，目鏡一個(gè)視場(chǎng)范圍正好是2.5，一個(gè)取樣長度范圍）。則該取樣長度內(nèi)的Rz值為：

其測(cè)量基準(zhǔn)是中線，測(cè)量時(shí)應(yīng)按每個(gè)取樣長度內(nèi)的中線的實(shí)際位置，來將目鏡千分尺對(duì)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(cè)量10 個(gè)峰谷高度的起點(diǎn)，如圖3（a）所示。實(shí)際如果把測(cè)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(cè)量方法

這樣測(cè)量就簡(jiǎn)便了。只要在垂直于中線的方向上測(cè)量并記取10 點(diǎn)的h 值，便可算出該評(píng)定長度內(nèi)的Rz。但h值是不能從目鏡中直接讀出的，因?yàn)槟跨R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(cè)微計(jì)測(cè)到的峰值ap和谷值av應(yīng)換成：

式中：a為目鏡測(cè)微計(jì)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(shí)際放大倍數(shù)。

這里實(shí)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(shí)間后引起的變動(dòng)造成），故量?jī)x的實(shí)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(shí)際放大倍數(shù)v，在進(jìn)行輪廓不平度測(cè)量時(shí)需對(duì)儀器備有的標(biāo)準(zhǔn)刻度尺進(jìn)行測(cè)量，首先將標(biāo)準(zhǔn)刻度尺放在儀器的工作臺(tái)上，調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)刻度尺刻線清晰地成像在目鏡視場(chǎng)中，并且使其刻線和狹縫像垂直，分劃板“十”字線的運(yùn)動(dòng)方向與狹縫像平行。然后將分劃板“十”字線交點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)刻度尺的一端，按測(cè)微目鏡的分劃與測(cè)微鼓進(jìn)行第1 次讀數(shù)［6］，如圖4 所示。把十字線交點(diǎn)移到標(biāo)準(zhǔn)刻度尺的另一端，再以同法進(jìn)行第2 次讀數(shù)。此時(shí)，測(cè)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(cè)微目鏡鼓輪分度值c 的標(biāo)定示意圖

為了使計(jì)算方便簡(jiǎn)單，可以用玻璃標(biāo)準(zhǔn)刻度尺校準(zhǔn)量?jī)x目鏡測(cè)微計(jì)的實(shí)際分度值c，即得h ＝ac，因此，可以直接計(jì)算：

顯然，c ＝1／（2v），故兩種核實(shí)作用相同，只是計(jì)算不同而已，只要測(cè)出評(píng)定長度L 所包含的n 個(gè)取樣長度內(nèi)的Rz1～Rzn，便可算出其平均值，即為被測(cè)面的微觀不平度10 點(diǎn)高度

1.3 測(cè)量存在的問題

測(cè)量時(shí)，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(shí)間一個(gè)視場(chǎng)范圍測(cè)量5 個(gè)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(cè)量。測(cè)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(gè)學(xué)生在同一臺(tái)儀器同一個(gè)取樣長度內(nèi)測(cè)1 組數(shù)據(jù)5 個(gè)波峰波谷，5 組數(shù)據(jù)測(cè)量平均值作為Rz結(jié)果。測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)樣板Rz ＝20 μm進(jìn)行微觀不平度10 點(diǎn)高度測(cè)量。測(cè)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(cè)量數(shù)據(jù)范圍應(yīng)是：Rz ＝19.8 ～20.2。

2 設(shè)計(jì)創(chuàng)新型測(cè)量項(xiàng)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(shí)際問題和應(yīng)用能力培養(yǎng)［7］。利用學(xué)生人手都有手機(jī)為媒介，以手機(jī)攝像功能做為基本工具，用手機(jī)鏡頭代替人眼在目鏡視場(chǎng)探視圖像，適時(shí)抓拍理想視圖，手機(jī)圖像穩(wěn)定、清晰，原本對(duì)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(shí)也理解了其他粗糙度相關(guān)的概念。通過手機(jī)觀察圖片僅建立感性觀認(rèn)識(shí)，但無法實(shí)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(jī)拍照功能拍出清晰圖片，將圖片導(dǎo)入計(jì)算機(jī)，再將圖片與AutoCAD或CAXA作圖軟件結(jié)合實(shí)現(xiàn)測(cè)量獲取數(shù)據(jù)，將抽象的理論概念在實(shí)踐中得到理解。

3 創(chuàng)新性測(cè)量實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容

學(xué)生進(jìn)入創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目之前，須經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)觀察，圖片和目鏡視場(chǎng)結(jié)合理解相關(guān)概念，認(rèn)識(shí)同側(cè)的波峰波谷，區(qū)分光帶寬度。光帶在目鏡視場(chǎng)中是清晰的，將光帶實(shí)際尺寸測(cè)量準(zhǔn)確，為消除誤差至少在同一部位測(cè)量3 次甚至更多，取平均值作為結(jié)果。

將測(cè)量光帶寬度值作為標(biāo)準(zhǔn)，利用拍出的圖片在電腦上進(jìn)行Rz值的測(cè)量。怎么測(cè)量，測(cè)量出實(shí)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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)理念將教學(xué)實(shí)驗(yàn)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(jìn)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(jìn)一步探究解決問題的積極性，在興趣實(shí)驗(yàn)中激發(fā)創(chuàng)新性思維，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)目的。教師進(jìn)一步提示，利用學(xué)生對(duì)自己所熟悉的繪圖軟件進(jìn)行Rz值測(cè)量。利用相關(guān)軟件還可進(jìn)一步在圖片上拓展到表面粗糙度其他參數(shù)的測(cè)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(cè)量實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是大學(xué)教學(xué)的一個(gè)重要組成部分，是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力、創(chuàng)造能力的主要手段［9］，對(duì)人才培養(yǎng)具有重要作用。怎樣利用現(xiàn)有儀器設(shè)備進(jìn)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(cè)量項(xiàng)目的開設(shè)，不僅開啟了學(xué)生對(duì)解決實(shí)際問題的探究精神，提升學(xué)生創(chuàng)新和實(shí)踐能力［11］，提升參與濃厚興趣，對(duì)存在的問題自發(fā)進(jìn)行小組討論，自主設(shè)計(jì)測(cè)量方案，虛實(shí)結(jié)合，在線下線上不斷反復(fù)測(cè)量，以此尋找測(cè)量誤差，在同一個(gè)圖形測(cè)量多次，尋找最佳測(cè)量方案，減小測(cè)量誤差。從學(xué)生反饋情況看，主要有幾種方式：直接測(cè)量輪廓峰到輪廓谷距離，有從前面視圖測(cè)量同側(cè)波峰波谷，有從后視圖測(cè)量同側(cè)波峰波谷；以先找出中線，用定義測(cè)量Rz；有用簡(jiǎn)化方法測(cè)量Rz。更有同學(xué)用不同的測(cè)量方法測(cè)量，找出誤差大小，最后結(jié)果測(cè)量誤差遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于在目鏡測(cè)量的讀數(shù)誤差。

其中關(guān)鍵要素是以線下儀器測(cè)量實(shí)際的光帶寬度尺寸作為標(biāo)準(zhǔn)，最后進(jìn)行換算。圖片不論怎么放大縮小，只要以儀器測(cè)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(yàn)證這一新的創(chuàng)新型測(cè)量方式自主以不同的測(cè)量方法與不同軟件測(cè)量得到驗(yàn)證。測(cè)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(yàn)及其他原因，比如未找到峰谷切點(diǎn)，視角誤差等，教師將問題交由學(xué)生進(jìn)一步去探討。學(xué)生不僅建立測(cè)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(shí)解決實(shí)際問題能力得以提高，創(chuàng)新能力也得到進(jìn)一步鍛煉［12］。創(chuàng)新型測(cè)量實(shí)驗(yàn)不僅延伸課堂教學(xué)，將實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開放及培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)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(shí)期學(xué)生不再為了驗(yàn)證測(cè)量誤差而到實(shí)驗(yàn)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(jìn)行講解，還探索出線上與線下實(shí)驗(yàn)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(cè)量方式，由于篇幅有限，計(jì)算略。

圖5 學(xué)生采用的幾種粗糙度測(cè)量方式

5 結(jié) 語

創(chuàng)新性測(cè)量實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，豐富了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和測(cè)量實(shí)驗(yàn)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(qiáng)化解決實(shí)際問題能力、創(chuàng)新能力的同時(shí)，進(jìn)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(duì)探究的濃厚興趣［14］。通過以問題為導(dǎo)向?qū)嶒?yàn)教學(xué)嘗試，學(xué)生普遍反映與以前的簡(jiǎn)單驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)教學(xué)相比，在知識(shí)點(diǎn)理解、知識(shí)點(diǎn)之間相互關(guān)系方面有了很大改進(jìn)?，F(xiàn)今教育理念，需要堅(jiān)持以本為本，突出問題導(dǎo)向，從轉(zhuǎn)變教育理念、推進(jìn)課堂革命，加快推進(jìn)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(shí)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。