以问题为导向的实验教学改革与实践

彭 丽， 李刚俊， 李虹霖， 程 明

（成都工业学院智能制造学院，成都610031）

0 引 言

进入20 世纪80 年代以后，国际高教界逐渐形成了一股新的潮流，那就是普遍重视实践教学、强化应用技术型人才培养。国内的诸多高校近年也纷纷在教育教学改革的探索中注重实践环境的强化，因为人们已越来越清醒地认识到，实践教学是培养学生实践能力和创新能力的重要环节，也是提高学生社会职业素养和就业竞争力的重要途径。

当前，我国正处于发展的重要战略机遇期，大力培育创新型人才，为建设创新型国家、国家创新体系和全面建设小康社会提供坚强的人才保证和智力保障，显得尤为迫切和重要。培养创新型人才的国家需求，对高校实验教学提出了更高的要求，实验教学相对于理论教学具有直观性、实践性、综合性、设计性与创新性。实验教学在培养学生的知识创造能力、知识应用能力和创新实践能力方面起着举足轻重的作用。因而，以培养学生知识创造与创新能力为主的实验教学得到了高校领导和教师的重视，实验教学改革在高校中进一步深入。

尽管国家近年对高校实验设备不断加大投入，可是对于昂贵的精密仪器或前沿实验仪器，这些资金只能勉强购置一部分新实验所需设备，而不可能全部更换原有落后的实验设备［1］。但在精密仪器方面还显不足，普遍存在多个同学使用一台仪器，再加之传统实验教学中的验证性实验饱受诟病［2］，对理论教学的重视程度远胜于实验教学，学生做实验也是走马观花，上课时玩手机，编写报告时没有独立操作测量数据而抄袭，根本不能培养学生解决实际问题的能力和创新能力。怎样利用现有传统经典光学精密测量仪器设备与学生兴趣及现代智能工具相结合，设计出新的实验项目，激发学生的学习积极性与主动性，从而培养对未知领域进行探究的能力仍然是高校培养人才重要途径之一。

公差与技术测量课程是机械类各专业的一门技术基础课程之一，它是联系设计课程与工艺课程的纽带，是从基础课学习过渡到专业课学习的桥梁［3］。本课程与实践环节紧密相关，实验教学正是将抽象的理论概念具体化，从而加深对有关概念进一步理解，为后期专业学习打下重要的基础。表面粗糙度参数值的大小对零件的使用性能和寿命有直接影响。会影响零件的耐磨性、强度和抗腐蚀性等，还会影响配合性质的稳定性。对间隙配合来说，相对运动的表面因粗糙度未达标而迅速磨损，从而使间隙增大；对过盈配合来说，由于装配时将微观凸峰挤平，减小了实际有效过盈，从而降低了连接强度；对于过渡配合，表面粗糙度太大也会使配合变松。此外，表面粗糙度对接触刚度、密封性、产品外观及表面反射能力等都有明显的影响。因此，表面粗糙度是评定产品质量的一项重要指标。

1 光切显微镜原理及测量方法

1.1 光切显微镜工作原理

9J型双管显微镜是利用光切原理制成，故也称做光切显微镜，是一种贵重和精细的仪器，是公差实验教学中不可或缺的精密测量仪器。是以光切法测量和观察机械制造中零件加工表面的微观几何形状，在不破坏表面条件下，测出截面轮廓的微观不平度和沟槽宽度的实际尺寸。此外，还可测量表面上个别位置的加工痕迹和破损［4］。仪器适用于测量▽3 ～▽9 级表面光洁度，但只能对外表面进行测定，如需对内表面进行测定，而又不能破坏被测零件时，则可用一块胶体把被测面模印下来，然后测量模印下来的胶体表面。在公差实验教学中，主要用以测量微观不平度10 点高度Rz，新标准轮廓最大高度Rz。测量方法不变。

微观不平度10 点平均高度Rz，在取样长度内5个最大的轮廓峰高和谷深平均值之和［5］。仪器工作原理如图1 所示，狭缝被光源发出的光线照射后，通过物镜发出一束光带以倾斜45°方向照射在被测量的表面上。具有齿状的不平表面，被光亮的具有平直边缘的狭缝像的亮带照射后，表面的波峰在s点产生发射，波谷在s′点产生反射，通过观测显微镜的物镜，它们各自成像在分划板的a 和a′点。在目镜中观察到的即为具有与被测表面一样的齿状亮带。被测表面的微观不平度h即为：

式中：N 为分划板a、a′之间的距离；v 为物镜放大倍数。

图1 光切显微镜工作原理

图2 目镜所示图像

仪器经过调整后，从目镜观察到一条绿色光带，如图2 所示将十字线的水平线调整到光带的一边，并使之在一个取样范围内处于与同侧波峰或波谷相切的位置。图示理想状态，可以捕捉到没有虚光和重影状态图，但实际从目镜中观察到绿色光带，总会有虚光和重影，不可能完全消除，这是由原理决定，因此受测量者的主观影响较大。

1.2 传统测量方法

根据Rz的定义，在一个取样长度L内测出轮廓上5 个最大峰高YP1～YP5和5 个最大低谷Yv1～Yv5（选择物镜14 倍，目镜一个视场范围正好是2.5，一个取样长度范围）。则该取样长度内的Rz值为：

其测量基准是中线，测量时应按每个取样长度内的中线的实际位置，来将目镜千分尺对0，或者记下中线位置的目镜读数作零位数，并以它作为测量10 个峰谷高度的起点，如图3（a）所示。实际如果把测量基准换成一条平行中线的直线（位置不必规定），则有图3（b）所示的关系：

图3 Rz的传统测量方法

这样测量就简便了。只要在垂直于中线的方向上测量并记取10 点的h 值，便可算出该评定长度内的Rz。但h值是不能从目镜中直接读出的，因为目镜中读的不是表面轮廓本身，而是经过物镜放大，并经过两次45°倾斜的轮廓光带，所以目镜测微计测到的峰值ap和谷值av应换成：

式中：a为目镜测微计的公称读数（其公称分度值为0.01 mm。即10 μm）；v为物镜的实际放大倍数。

这里实际放大倍数v绝不等于物镜的公称放大倍数（由于制造，安装误差和使用一段时间后引起的变动造成），故量仪的实际放大倍数要利用仪器附带的一块玻璃标准刻度尺来校准。为了确定公式中物镜的实际放大倍数v，在进行轮廓不平度测量时需对仪器备有的标准刻度尺进行测量，首先将标准刻度尺放在仪器的工作台上，调整标准刻度尺刻线清晰地成像在目镜视场中，并且使其刻线和狭缝像垂直，分划板“十”字线的运动方向与狭缝像平行。然后将分划板“十”字线交点对准标准刻度尺的一端，按测微目镜的分划与测微鼓进行第1 次读数［6］，如图4 所示。把十字线交点移到标准刻度尺的另一端，再以同法进行第2 次读数。此时，测微目镜的两次读数差与标准刻度尺选择段刻度数之比，就是显微镜物镜的放大倍数v。

图4 测微目镜鼓轮分度值c 的标定示意图

为了使计算方便简单，可以用玻璃标准刻度尺校准量仪目镜测微计的实际分度值c，即得h ＝ac，因此，可以直接计算：

显然，c ＝1／（2v），故两种核实作用相同，只是计算不同而已，只要测出评定长度L 所包含的n 个取样长度内的Rz1～Rzn，便可算出其平均值，即为被测面的微观不平度10 点高度

1.3 测量存在的问题

测量时，从目镜中观察到绿色光带，总存在虚光和重影。如果从视图角度观察，从前往后观察到波峰清晰，波谷不清晰；从后往前看观察到波峰不清晰，波谷较清晰。在有效时间一个视场范围测量5 个连续波峰波谷都非常困难，容易视疲劳，学生更容易厌倦，导致放弃测量。测量出数据误差较大，最后结果远远偏离真值。教学中，采用5 个学生在同一台仪器同一个取样长度内测1 组数据5 个波峰波谷，5 组数据测量平均值作为Rz结果。测量标准样板Rz ＝20 μm进行微观不平度10 点高度测量。测量数据从最小Rz ＝20.338 ～38.192 μm不等。结果远远偏离真值。按照光切显微镜示值误差，14 倍物镜是±10%。不考虑其他误差，测量数据范围应是：Rz ＝19.8 ～20.2。

2 设计创新型测量项目思路

按照新工科专业明确的培养目标和丰富多变的教学内容要求，注重提高学生的学习兴趣、学习参与度、解决实际问题和应用能力培养［7］。利用学生人手都有手机为媒介，以手机摄像功能做为基本工具，用手机镜头代替人眼在目镜视场探视图像，适时抓拍理想视图，手机图像稳定、清晰，原本对同侧波峰波谷不理解的同学，在教师指导下，凭借视图深刻理解了同侧波峰、波谷概念，同时也理解了其他粗糙度相关的概念。通过手机观察图片仅建立感性观认识，但无法实现数据分析。解决数据分析问题的思路是利用手机拍照功能拍出清晰图片，将图片导入计算机，再将图片与AutoCAD或CAXA作图软件结合实现测量获取数据，将抽象的理论概念在实践中得到理解。

3 创新性测量实验教学内容

学生进入创新型实验项目之前，须经过现场观察，图片和目镜视场结合理解相关概念，认识同侧的波峰波谷，区分光带宽度。光带在目镜视场中是清晰的，将光带实际尺寸测量准确，为消除误差至少在同一部位测量3 次甚至更多，取平均值作为结果。

将测量光带宽度值作为标准，利用拍出的图片在电脑上进行Rz值的测量。怎么测量，测量出实际宽度有什么用等。教师带着问题逐步启发，以一种开放性、创新性的实验设计理念将教学实验呈现在学生的思维中［8］，学生通过问题导向思维方式进行相关资料查询，从而引导学生掌握解决问题的方法与手段。激发学生进一步探究解决问题的积极性，在兴趣实验中激发创新性思维，实现创新型人才的培养目的。教师进一步提示，利用学生对自己所熟悉的绘图软件进行Rz值测量。利用相关软件还可进一步在图片上拓展到表面粗糙度其他参数的测量，轮廓算术平均偏差Ra 轮廓单元的平均宽度RSm及轮廓的支承长度率Rmr等。

4 创新性测量实验教学效果

实验教学是大学教学的一个重要组成部分，是培养学生实践能力、创造能力的主要手段［9］，对人才培养具有重要作用。怎样利用现有仪器设备进行创新一直以来都是高校不断探索的话题［10］，创新性测量项目的开设，不仅开启了学生对解决实际问题的探究精神，提升学生创新和实践能力［11］，提升参与浓厚兴趣，对存在的问题自发进行小组讨论，自主设计测量方案，虚实结合，在线下线上不断反复测量，以此寻找测量误差，在同一个图形测量多次，寻找最佳测量方案，减小测量误差。从学生反馈情况看，主要有几种方式：直接测量轮廓峰到轮廓谷距离，有从前面视图测量同侧波峰波谷，有从后视图测量同侧波峰波谷；以先找出中线，用定义测量Rz；有用简化方法测量Rz。更有同学用不同的测量方法测量，找出误差大小，最后结果测量误差远远小于在目镜测量的读数误差。

其中关键要素是以线下仪器测量实际的光带宽度尺寸作为标准，最后进行换算。图片不论怎么放大缩小，只要以仪器测量光带宽度为准，最后可以换算出放大缩小比列，相应最后Rz值结果放大或缩小相同倍数即可。学生为了验证这一新的创新型测量方式自主以不同的测量方法与不同软件测量得到验证。测量数据Rz ＝18.707 ～22.052，误差减小，偏离真值程度减低。但还存在经验及其他原因，比如未找到峰谷切点，视角误差等，教师将问题交由学生进一步去探讨。学生不仅建立测量精确度的理念，严谨的科学态度，应用综合知识解决实际问题能力得以提高，创新能力也得到进一步锻炼［12］。创新型测量实验不仅延伸课堂教学，将实验教学的开放及培养学生解决实际问题能力得以充分的发挥，极大提高学生严谨的科学探究精神。在特殊时期学生不再为了验证测量误差而到实验室，可以利用此教学方法在线上授课。不仅可将图片利用互联网进行讲解，还探索出线上与线下实验教学路径，及与学生线上线下交流路径等［13］。图5 所示4 组图为学生采用的不同测量方式，由于篇幅有限，计算略。

图5 学生采用的几种粗糙度测量方式

5 结 语

创新性测量实验教学项目的设计，激发学生学习兴趣，丰富了传统实验教学内容和测量实验方法，完全颠覆了以往的教学模式，开辟了教学改革的新篇章。不仅激发了学生的好奇心、和好学心，使学生在强化解决实际问题能力、创新能力的同时，进一步提高科学研究兴趣与探究能力。在探究式学习的引导下，学生获得的是一种探究能力，是对探究的浓厚兴趣［14］。通过以问题为导向实验教学尝试，学生普遍反映与以前的简单验证实验教学相比，在知识点理解、知识点之间相互关系方面有了很大改进。现今教育理念，需要坚持以本为本，突出问题导向，从转变教育理念、推进课堂革命，加快推进本科教育改革［15］。怎样将现有资源引导学生与现代理念相结合从而转变为探究性和创新性的模式，既解决仪器少，课时短的问题，也是以后要探索的问题。从而更加有利于培养创新型的应用人才。