新工科背景下工程訓(xùn)練中現(xiàn)代測量教學(xué)模式分析和探索*

沈瑤 崔琦 栗茂林 張彥鵬

西安交通大學(xué)實踐教學(xué)中心 西安 710049

0 引言

隨著現(xiàn)代先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展，機械測量技術(shù)也迅猛發(fā)展起來。工程訓(xùn)練的教學(xué)實踐應(yīng)當(dāng)注重產(chǎn)業(yè)需求，與當(dāng)前工業(yè)主流技術(shù)相銜接。面對新工科系統(tǒng)級工程能力人才培養(yǎng)的需求，工程訓(xùn)練中心作為高校工程教育的實踐教學(xué)平臺，應(yīng)當(dāng)發(fā)揮其重要作用，將現(xiàn)代測量技術(shù)教學(xué)作為重要組成部分[1]。

1 構(gòu)建現(xiàn)代測量實訓(xùn)的意義

我國高等教育經(jīng)過“質(zhì)量工程”“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”等重大改革后，形成規(guī)模第一、層次完備、專業(yè)齊全的工程教育體系。工程訓(xùn)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(xùn)練中體現(xiàn)新工科系統(tǒng)級工程人才的培養(yǎng)已成為我國高等工程教育改革的特點[2-5]。

現(xiàn)代制造業(yè)對機械零件的檢測提出了高精度、高效率、高穩(wěn)定性等要求，促使現(xiàn)代測量技術(shù)迅猛發(fā)展。測量技術(shù)是先進(jìn)制造技術(shù)中的重要組成部分，更是貫穿產(chǎn)品生命全周期的重要內(nèi)容。傳統(tǒng)的工程訓(xùn)練教學(xué)過分重視理論教學(xué)和技能教學(xué)，忽略了基于產(chǎn)品生命全周期的工程意識培養(yǎng)和產(chǎn)品質(zhì)量意識培養(yǎng)。根據(jù)大工程培養(yǎng)方案，為了使工科學(xué)生適應(yīng)社會需求，培養(yǎng)其精度意識、質(zhì)量意識，使其理解工業(yè)生產(chǎn)的內(nèi)涵，這就需要在工程訓(xùn)練實踐教學(xué)中構(gòu)建更真實的工程環(huán)境[6]。現(xiàn)有的工程訓(xùn)練實踐教學(xué)缺乏質(zhì)量意識體系的構(gòu)建，導(dǎo)致學(xué)生質(zhì)量意識不足。所以高校在工程訓(xùn)練教學(xué)中引入現(xiàn)代測量實踐是必要的，它不僅可以培養(yǎng)學(xué)生的質(zhì)量意識，也有助于培養(yǎng)學(xué)生追求卓越的工匠精神。

2 當(dāng)前測量實訓(xùn)的現(xiàn)狀

現(xiàn)有工程訓(xùn)練各工種涉及的測量教學(xué)部分存在重復(fù)、單一、跟不上時代發(fā)展的缺點，無法與現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)接軌，達(dá)不到現(xiàn)代化企業(yè)的要求，因此，現(xiàn)代測量實訓(xùn)不僅需要整合，還要與新技術(shù)接軌[7]。

部分現(xiàn)有工種的實訓(xùn)存在重體驗過程、輕結(jié)果的現(xiàn)象，考核評價指標(biāo)量化不夠。例如，在陶藝實訓(xùn)中，對學(xué)生的泥板作品和拉坯作品，教師更傾向于從藝術(shù)性、主觀性方面進(jìn)行考核評價。而工程是可以量化的科學(xué)，現(xiàn)代測量技術(shù)與各工種的緊密結(jié)合應(yīng)用可以幫助部分現(xiàn)有工種提高考核評價指標(biāo)的量化程度，增強學(xué)生的工程意識和追求卓越的工匠精神。

對國內(nèi)主要工科高校進(jìn)行調(diào)研，發(fā)現(xiàn)目前高校測量實踐教學(xué)中主要存在以下四個問題。

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

2）一些現(xiàn)代測量設(shè)備價格昂貴，臺數(shù)少，對操作水平要求高，例如三坐標(biāo)測量機，因此教學(xué)模式通常是“一人操作，眾人圍觀”，顯然無法滿足工程訓(xùn)練的實踐要求，導(dǎo)致理論教學(xué)與實踐教學(xué)完全脫節(jié)。

3）測量實踐課程的教學(xué)樣件多是教師提供的已經(jīng)加工好的固定種類樣件。教學(xué)內(nèi)容太單一，缺少與設(shè)計、加工工藝的關(guān)聯(lián)性與交互性，缺乏綜合性，無法培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)工程意識，不能培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新發(fā)散思維，無法滿足高質(zhì)量的工程訓(xùn)練教學(xué)的要求。

4）測量實踐教學(xué)培養(yǎng)方向缺乏明確性，學(xué)生培養(yǎng)層次規(guī)格單一化。

3 現(xiàn)代測量實踐的建設(shè)

高?，F(xiàn)代測量實訓(xùn)中心應(yīng)加強硬件建設(shè)投入，以學(xué)校工程訓(xùn)練中心為例，中心擁有較為先進(jìn)的現(xiàn)代測量儀器設(shè)備，包括各種通用量具，如各種游標(biāo)卡尺、萬能角度尺、千分尺等，還有三坐標(biāo)測量機1 臺、萬能測長儀1 臺、光學(xué)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(guī)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(xiàn)代測量實訓(xùn)教學(xué)旨在讓學(xué)生系統(tǒng)地掌握工業(yè)測量的基礎(chǔ)性知識與相關(guān)技能，熟悉零檢測量的常用工具和測量方法，使學(xué)生了解現(xiàn)代檢測技術(shù)的發(fā)展，提升學(xué)生的專業(yè)知識水平，培養(yǎng)學(xué)生的質(zhì)量意識及質(zhì)量控制意識、大工程意識和工程能力，從而培養(yǎng)現(xiàn)代企業(yè)所需要的復(fù)合型人才[8]。本課程注重學(xué)生系統(tǒng)解決實際工程問題的能力、工程綜合應(yīng)用能力、團隊協(xié)作能力和綜合創(chuàng)新能力。對現(xiàn)代測量實踐的建設(shè)應(yīng)當(dāng)遵循以下原則。

1）現(xiàn)代測量實訓(xùn)應(yīng)強調(diào)真實的工業(yè)環(huán)境，使學(xué)生的工程訓(xùn)練實訓(xùn)環(huán)境與真實的生產(chǎn)環(huán)境更趨一致。

2）現(xiàn)有工程訓(xùn)練各工種已存在的測量教學(xué)內(nèi)容比較松散、單一、傳統(tǒng)，現(xiàn)代測量實訓(xùn)應(yīng)整合各工種測量教學(xué)內(nèi)容，實現(xiàn)更系統(tǒng)、更全面的測量實訓(xùn)教學(xué)。

3）現(xiàn)代測量實訓(xùn)的教學(xué)內(nèi)容應(yīng)緊隨現(xiàn)代工程產(chǎn)業(yè)發(fā)展的步伐，承接智能制造前沿，對新技術(shù)、新應(yīng)用保持敏感，使學(xué)生能獲取最新的測量技術(shù)并加以應(yīng)用，開闊學(xué)生的視野，從而滿足現(xiàn)代化企業(yè)對本科人才的要求。

4）現(xiàn)代測量實訓(xùn)教學(xué)中的理論知識多，測量概念生澀難懂，應(yīng)當(dāng)增加具有應(yīng)用性、設(shè)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(diào)多學(xué)科交叉融合，同時豐富教學(xué)形式，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)主動性，保證教學(xué)效果。

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

3.2 構(gòu)建多層次育人體系、豐富教學(xué)內(nèi)容

面對新工科系統(tǒng)級工程能力人才培養(yǎng)的需求，針對現(xiàn)代測量技術(shù)在工程訓(xùn)練教學(xué)體系中的全面落地問題，需構(gòu)建以實踐為基礎(chǔ)的多層次育人體系，同時充分利用工程測量實驗室現(xiàn)有的教學(xué)資源，從橫向和縱向兩個維度深化教學(xué)內(nèi)容，將現(xiàn)代測量技術(shù)更全面、緊密地滲透進(jìn)工程訓(xùn)練教學(xué)體系中。

針對學(xué)生專業(yè)背景的不同、工程能力的不同，設(shè)計并建立多層次的菜單式測量實訓(xùn)方案，培養(yǎng)滿足多種社會需求的復(fù)合型人才。綜合性大學(xué)工程訓(xùn)練的學(xué)生包括人文類專業(yè)、近機械類專業(yè)和機械類專業(yè)，學(xué)生學(xué)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(yè)背景的學(xué)生設(shè)置有針對性的教學(xué)內(nèi)容，并開發(fā)豐富的綜合訓(xùn)練項目，采用菜單式選擇模式，充分激發(fā)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和學(xué)習(xí)興趣，實現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)。

現(xiàn)代測量工程訓(xùn)練的教學(xué)體系如圖1 所示，測量教學(xué)內(nèi)容設(shè)為基礎(chǔ)模塊、進(jìn)階模塊和創(chuàng)新應(yīng)用模塊?；A(chǔ)模塊的教學(xué)課時為8 個課時，面向所有工訓(xùn)學(xué)生，教學(xué)內(nèi)容包括工業(yè)測量的發(fā)展歷史、測量的基礎(chǔ)概念等，通過基本測量儀器的操作實踐，讓學(xué)生建立測量技術(shù)的認(rèn)知，掌握基本測量技能；進(jìn)階模塊的教學(xué)課時為16 個課時，面向機械類專業(yè)學(xué)生，結(jié)合專業(yè)培養(yǎng)需求，進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容的深度挖掘，作為機械類學(xué)生互換性測量等專業(yè)課的實踐補充，目的是培養(yǎng)專業(yè)性更強，測量實踐能力更強的專業(yè)人才；創(chuàng)新應(yīng)用模塊是結(jié)合現(xiàn)有各工種教學(xué)資源，以解決實際工程問題為目標(biāo)，以應(yīng)用測量結(jié)果為實施方式，開發(fā)出針對各工種的綜合檢測實踐項目，將各工種串聯(lián)起來，實現(xiàn)多工種交叉、多材料交叉和多學(xué)科交叉的三個交叉效果。

圖1 現(xiàn)代測量工程訓(xùn)練教學(xué)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(yè)背景、面向不同工種模塊，以學(xué)生為中心，學(xué)生可以根據(jù)自身特點和專業(yè)背景需求，自主選擇相應(yīng)的測量實踐教學(xué)模塊，更具有科學(xué)性。

結(jié)合各工種的實際情況，可以深化測量教學(xué)內(nèi)容的挖掘，開設(shè)有針對性的測量實踐項目，如圖2所示。結(jié)合學(xué)生的需求和興趣可以開設(shè)綜合檢測實踐項目，比如利用逆向測量技術(shù)的文創(chuàng)作品的開發(fā)。各工種間的串聯(lián)可以利用反求技術(shù)或者驗證性實驗的方法來實現(xiàn)，以豐富測量教學(xué)內(nèi)容。

圖2 現(xiàn)代測量實踐項目

3.3 教學(xué)方法的探索與實踐

受檢測儀器設(shè)備臺套數(shù)的限制，實踐教學(xué)采用分組制。建立問題導(dǎo)向、項目導(dǎo)向、任務(wù)導(dǎo)向的驅(qū)動模式：以提出問題和派發(fā)測量任務(wù)為實施方式，啟發(fā)學(xué)生思考，讓學(xué)生采用合適的測量儀器、測量方法完成測量過程，培養(yǎng)學(xué)生分析問題、思考問題和解決問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生的團隊合作精神和創(chuàng)新設(shè)計能力。利用多媒體、虛擬仿真技術(shù)等多種手段豐富教學(xué)資源，彌補測量設(shè)備臺（套）數(shù)不足的問題，為學(xué)生提供更全面的實踐環(huán)境，提升實踐教學(xué)質(zhì)量。授課團隊采用多教師形式，各工種教師合作輔導(dǎo)學(xué)生的實踐過程，充分實現(xiàn)多學(xué)科交叉，提升實踐教學(xué)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(xué)生進(jìn)行考核，注重對其實訓(xùn)過程、操作技能和創(chuàng)新能力的考核，從課前預(yù)習(xí)、上課表現(xiàn)、練習(xí)過程、測量報告完成情況、量具和設(shè)備的維護(hù)等多個方面進(jìn)行評價。將“德智勞”融入考核體系，體現(xiàn)在課前、課中和課后全過程。通過對預(yù)習(xí)準(zhǔn)入、課堂操作、實習(xí)報告的過程考核，實現(xiàn)安全教育、實驗實踐基本素質(zhì)、工程實踐能力、勞動態(tài)度、精益求精的工匠精神等重點課程的培養(yǎng)目標(biāo)。

3.5 現(xiàn)代測量實訓(xùn)項目的開發(fā)范例：面向藝術(shù)的測量實訓(xùn)項目

現(xiàn)代測量實訓(xùn)教學(xué)內(nèi)容除了掃盲性的基礎(chǔ)模塊、專業(yè)性更強的進(jìn)階模塊之外，還可以結(jié)合各工種開設(shè)創(chuàng)新應(yīng)用模塊，開發(fā)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(shè)置為4 ～16課時，課時選擇更加自由，從而解決測量設(shè)備臺（套）數(shù)不足的問題。面向藝術(shù)的現(xiàn)代測量實訓(xùn)可以開設(shè)針對陶藝、雕塑、木藝、書法等人文藝術(shù)方向的實踐訓(xùn)練項目。結(jié)合本中心陶瓷制造模塊、3D 打印模塊，可開設(shè)具有藝術(shù)特色的測量實踐項目，面向工程訓(xùn)練學(xué)生，尤其適合對人文藝術(shù)感興趣的各專業(yè)學(xué)生。

針對陶瓷作品的特點，可以開設(shè)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(xué)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(zhì)量的一種指標(biāo)，讓學(xué)生進(jìn)行粗糙度測量訓(xùn)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(chǎn)品表面粗糙度的影響?？蛇x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(guī)格的砂紙，讓學(xué)生用電動輪廓儀進(jìn)行粗糙度測量實踐，另有粗糙度樣板供學(xué)生進(jìn)行目視測量，讓學(xué)生進(jìn)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(xué)生測量，讓學(xué)生在學(xué)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(biāo)測量。三坐標(biāo)測量機已成為復(fù)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(huán)節(jié)和泥板成型環(huán)節(jié)中的作品檢測和學(xué)生技能的考查可由三坐標(biāo)測量機實現(xiàn)。拉坯成型的作品多為各種回轉(zhuǎn)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(xiàn)。如果作品比較均勻?qū)ΨQ，則作品圓周方向上的坯體厚度應(yīng)當(dāng)一致，圓度應(yīng)當(dāng)比較小，從而將對成型技藝的考查變?yōu)榭闪炕?。泥板作品的質(zhì)量也可通過平面度、垂直度等形位公差表現(xiàn)出來，用三坐標(biāo)測量機可以快速地實現(xiàn)。學(xué)生的實踐作品的質(zhì)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(yǎng)學(xué)生精益求精的工匠精神。

5）逆向測量?？梢垣@取學(xué)生的藝術(shù)創(chuàng)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(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理可以得到三維模型，學(xué)生可以此三維模型作為基礎(chǔ)進(jìn)行再設(shè)計，后續(xù)可以結(jié)合3D 打印技術(shù)或激光內(nèi)雕技術(shù)等加工作品，從而實現(xiàn)復(fù)制、衍生以及創(chuàng)新創(chuàng)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(jìn)行掃描和建模，得到計算機三維模型。

面向藝術(shù)的測量實踐不僅能讓學(xué)生掌握現(xiàn)代測量方法，還能提升其學(xué)習(xí)興趣，實現(xiàn)多學(xué)科交叉、多材料交叉，提升學(xué)生的創(chuàng)新應(yīng)用能力和綜合實踐能力。

4 結(jié)束語

面對新工科系統(tǒng)級工程能力人才培養(yǎng)的需求，我們針對現(xiàn)代測量技術(shù)在工程訓(xùn)練教學(xué)體系中全面落地的問題，搭建現(xiàn)代測量工程訓(xùn)練教學(xué)體系，對現(xiàn)代測量工程訓(xùn)練教學(xué)建設(shè)的內(nèi)容和方法進(jìn)行探討并實踐，同時充分利用測量實驗室現(xiàn)有的教學(xué)資源，以“單點提升，串聯(lián)綜合”的具體實施方式，將現(xiàn)代測量技術(shù)更全面、緊密地滲透進(jìn)工程訓(xùn)練教學(xué)體系中，為高校開展現(xiàn)代測量教學(xué)和多學(xué)科交叉提供了新思路。后續(xù)我們會從加強校企聯(lián)合、建立虛擬仿真實驗室、加強網(wǎng)上資源建設(shè)、加強教師團隊建設(shè)等方面提升現(xiàn)代測量實訓(xùn)能力。