基于啟發(fā)式教學(xué)的三坐標(biāo)測量機應(yīng)用課程的教學(xué)研究

梁強 馬斌 王敬

【摘 要】以重慶工商大學(xué)三坐標(biāo)測量課程為例，探討基于啟發(fā)式教學(xué)的應(yīng)用課程教學(xué)模式研究。首先，從三坐標(biāo)測量課程方案設(shè)計著手，闡述了三坐標(biāo)測量課程的建設(shè)、實踐與探索。其次，針對過往課堂中反映出的問題，提出了基于啟發(fā)式教學(xué)模式的優(yōu)化方案，形成一套具有綜合性、創(chuàng)新性和開放性的實踐應(yīng)用型實驗課程體系。實踐表明，啟發(fā)式教學(xué)模式能有效提高學(xué)生的創(chuàng)新應(yīng)用和工程實踐能力。

【關(guān)鍵詞】三坐標(biāo)測量機;啟發(fā)式教學(xué);工程訓(xùn)練

中圖分類號： TH721文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）03-0029-004

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.03.009

Research on the Application Course of Coordinate Measuring Machine based on Heuristic Education

LIANG Qiang MA Bin WANG Jing

（School of Mechanical Engineering，Chongqing Technology and Business University，Chongqing 400067，China）

【Abstract】Taking the measurement course of coordinate measuring machine（CMM）of Chongqing Technology and Business University as an example，the teaching model of applied courses is discussed based on heuristic education. Firstly，taking the design of the CMM course as the starting point，the construction，practice and exploration of the CMM course are expounded.Aiming at the problems in the past classrooms，the optimization scheme based on heuristic teaching mode is proposed.It can form a comprehensive，innovative and open of practical application experiment.The practice proved that the given experimental model could effectively enhance students engineering and innovative ability.

【Key words】Coordinate measuring machine;Heuristic education;Engineering training

三坐標(biāo)測量機作為現(xiàn)代幾何測量技術(shù)的代表，其具有功能強大、精度高、效率高、通用性強、能與柔性制造系統(tǒng)進行集成的優(yōu)點，因此在制造業(yè)中稱之為“測量中心”[1-2]。隨著現(xiàn)代化檢測技術(shù)的快速發(fā)展及檢測設(shè)備的日益更新，高校傳統(tǒng)的檢測儀器已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代企業(yè)對精密、快速和智能檢測的要求。如何通過引入新型智能化精密檢測設(shè)備以改進現(xiàn)有教學(xué)方式已成為當(dāng)今實驗教學(xué)改革的一項重要課題[3-4]。

當(dāng)前，國內(nèi)高校的機械、材料等專業(yè)均開設(shè)了互換性與測量技術(shù)或幾何量公差與檢測相關(guān)的課程，同時也開設(shè)了配套的實驗課程，兩者相互補充和促進，受到了學(xué)生的歡迎。但是相關(guān)實驗課程的配置只考慮課堂講授知識的單點應(yīng)用，實驗設(shè)備較傳統(tǒng)，配備三坐標(biāo)測量機的高校主要以演示性實驗為主，對工程能力的培養(yǎng)尚為缺乏[5]。因此在進行課程建設(shè)時，應(yīng)兼顧學(xué)生興趣和學(xué)生的工程能力、研究意識和創(chuàng)新意識的培養(yǎng)。本文以重慶工商大學(xué)三坐標(biāo)測量機應(yīng)用課程為例，分析三坐標(biāo)測量機測量功能的特點，提出了教學(xué)任務(wù)驅(qū)動、輔助引導(dǎo)式并存的啟發(fā)式教學(xué)模式，探索三坐標(biāo)測量機應(yīng)用綜合課程的開展。

1 課程的設(shè)計理念

三坐標(biāo)測量機應(yīng)用課程作為幾何量公差與檢測的配套實驗課程，以輔助學(xué)生理解幾何量公差及檢測方法為基本目標(biāo)，通過結(jié)合工程制圖及配套的減速器測繪、機械原理及配套機構(gòu)運動課程設(shè)計、機械設(shè)計及配套的減速器設(shè)計和機械制造技術(shù)基礎(chǔ)及配套的機械夾具課程設(shè)計等課程內(nèi)容，以培養(yǎng)學(xué)生綜合運用相關(guān)專業(yè)知識和全面訓(xùn)練學(xué)生的實驗技能。教學(xué)內(nèi)容根據(jù)難易和復(fù)雜程度分為8個模塊，將課程設(shè)計為理論基礎(chǔ)充實，實踐豐富充分，學(xué)生自主實踐為主導(dǎo)、教師有效參與為輔助的啟發(fā)式教學(xué)新模式。

2 課程的設(shè)計內(nèi)容

2.1 課程方案設(shè)計

三坐標(biāo)測量機是將被測零件放入它允許的測量空間，通過機器運動帶動傳感器精密的獲得被測元素上各點的XYZ坐標(biāo)值，采用最小二乘法或其他算法，擬合形成相關(guān)幾何測量元素，如直線、點、圓、圓柱、曲面等，經(jīng)過數(shù)學(xué)計算得到尺寸、形位公差及其他幾何量數(shù)據(jù)[6-7]。精密檢測屬于國家重點發(fā)展的高端裝備制造業(yè)中的重要領(lǐng)域[8]。因為，為了適應(yīng)社會對高素質(zhì)和強技能人才的需求，培養(yǎng)具有職業(yè)核心能力和社會競爭力的學(xué)生，課程設(shè)計了8個模塊的項目內(nèi)容，通過由淺入深的課程設(shè)計，讓學(xué)生逐步領(lǐng)悟三坐標(biāo)測量的原理和方法、夯實幾何量公差與檢測部分的基礎(chǔ)知識、擴展學(xué)生對專業(yè)方向的視野、擴大學(xué)生的專業(yè)知識面。具體的課程內(nèi)容如下表1所示。最后一個模塊為綜合實踐模塊，學(xué)生隨機選擇典型機械零件完成手動和自動測量，輸出檢測報告并綜合判斷該零件是否為合格產(chǎn)品。

表1 三坐標(biāo)綜合實驗方案

2.2 課程內(nèi)容設(shè)計

課程內(nèi)容由淺入深劃分為8個模塊，模塊1-7為基礎(chǔ)模塊，模塊8為綜合實踐。各模塊對應(yīng)不同的知識要求且相互聯(lián)系，使知識點能夠串連，并通過最后的綜合實踐模塊，使學(xué)生對三坐標(biāo)測量有一個完整直觀的理解。各模塊對應(yīng)具體的課程內(nèi)容如下：

（1）模塊1——幾何量公差與檢測知識回顧。該模塊分為兩部分，第一部分通過課堂集中學(xué)習(xí)的方式對幾何量與檢測的知識進行回顧，知識點主要集中在幾何量測量基礎(chǔ)和幾何公差與誤差檢測，結(jié)合實際測量案例，使學(xué)生快速熟悉測量的組成要素、測量誤差概念、來源和分類、零件的幾何形狀要素、形位公差代號、分類和公差原則等基礎(chǔ)知識點。第二部分進行學(xué)生分組和實驗任務(wù)布置，分組采用自由分組原則，每組人數(shù)5-6名，實驗任務(wù)通過分發(fā)實驗手冊進行布置，保證每位學(xué)生均明確實驗要求。

（2）模塊2——三坐標(biāo)測量機原理及維護?；谌鴺?biāo)測量機展覽板，講解三坐標(biāo)測量機的分類、常見結(jié)構(gòu)形式;基于三坐標(biāo)測量機實體，講解三坐標(biāo)測量機原理、系統(tǒng)組成、主機結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng);基于精密檢測實驗室，講解三坐標(biāo)測量機的日常維護、開關(guān)機要求和工作環(huán)境要求。

（3）模塊3——三坐標(biāo)測量機測頭校驗和坐標(biāo)系建立?；谌鴺?biāo)測量機實際操作，講解測頭校驗的目的、測頭補償?shù)母拍詈蜏y頭安裝及測頭文件的添加，并指導(dǎo)學(xué)生上機進行測頭校驗操作。測頭校驗完成后，講解三坐標(biāo)測量機零件坐標(biāo)系的概念和零件坐標(biāo)系建立的方法（包括手動建立坐標(biāo)系和自動建立坐標(biāo)系），指導(dǎo)學(xué)生上機進行兩種坐標(biāo)系的建立。

（4）模塊4——手動檢測零件特征元素。以Hexagon公司提供的模型為教具，建立該零件坐標(biāo)系，通過手柄操作，對簡單的特征進行幾何尺寸的測量。指導(dǎo)學(xué)生進行上機操作，較熟練的掌握零件坐標(biāo)系建立和手動進行幾何尺寸的測量。

（5）模塊5——三坐標(biāo)測量元素特征構(gòu)造。手動模式下，分別建立點、直線、平面、圓、橢圓、圓槽、圓柱、圓錐和球體特征。自動模式下，基于hexagon三坐標(biāo)測量軟件PC-DIMS，分別建立點、直線、平面、圓、橢圓、圓槽、圓柱、圓錐和球體特征。指導(dǎo)學(xué)生在機房使用脫機版軟件進行模擬操作，熟悉不同特征的構(gòu)造方式。

（6）模塊6——形位公差的評價及測量報告輸出。三坐標(biāo)測量機可用于形狀誤差、位置誤差和尺寸誤差進行評價，導(dǎo)入某教學(xué)模塊后，分別對形狀誤差（直線度、平面度、圓度、圓柱度、線輪廓度、面輪廓度）、位置誤差（平行度、垂直度、傾斜度、同心度、同軸度、對稱度、位置度、圓跳動、全跳動）、尺寸誤差（位置、夾角、距離）一一進行操作演示，最后將檢測結(jié)果以報告形式輸出，包括模板輸出和自定義輸出。

（7）模塊7——自動編程策略及要點。基于PC-DIMS軟件，以某CAD模型為案例，進行自動測量程序段編制和調(diào)試，并對程序段進行簡單優(yōu)化。指導(dǎo)學(xué)生使用脫機版軟件進行模擬操作。

（8）模塊8——典型零部件三坐標(biāo)測量及報告輸出。學(xué)生以小組形式隨機選取典型零件后進行三坐標(biāo)檢測，需要完成測頭校驗、零件坐標(biāo)系建立、手動測量和自動測量，檢測結(jié)果以測量報告形式輸出。測量報告作為小組考核成績，結(jié)合學(xué)生平時成績進行綜合打分作為該實驗課程的最終成績。

2.3 實驗效果

上述8個模塊按照知識難易逐漸遞進，最后一個模塊為綜合應(yīng)用模塊，學(xué)生將幾何量公差與檢測知識與三坐標(biāo)測量技術(shù)有機的聯(lián)系起來，不僅掌握了現(xiàn)代先進檢測設(shè)備的使用，又加深了課堂理論知識，學(xué)與用相互促進，提高學(xué)生知識轉(zhuǎn)化率，對提高學(xué)生的工程實踐能力起到有益的促進作用。

3 綜合項目的開發(fā)與探索

上述8個模塊雖然已經(jīng)在實際教學(xué)過程中取得了較好的教學(xué)效果，但是各個模塊間仍存在較大的優(yōu)化空間，存在3個較突出問題：教師講授時間較多而學(xué)生上機操作或模擬操作時間較短、課程針對性較強而與其他專業(yè)課程關(guān)聯(lián)度不夠、課堂氣氛不夠活躍并且參與度需要加強。為了改善以上問題，學(xué)院近期對課程內(nèi)容進行了優(yōu)化和改進，保證學(xué)時不變的前提下，開發(fā)全新的啟發(fā)式教學(xué)模式以激發(fā)學(xué)生參與熱情、完善優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，從教師和學(xué)生的反饋情況來看效果達到了預(yù)期。模塊內(nèi)容調(diào)整見表2所示。

三坐標(biāo)綜合實驗方案的修訂主要集中在以下幾個方面：1）將原課堂授課的基礎(chǔ)知識和任務(wù)布置通過在線學(xué)習(xí)平臺和虛擬仿真平臺提前發(fā)布，并及時訪問后臺通知學(xué)生完成該部分的學(xué)習(xí)。2）合并手動檢測零件特征元素和特征元素的構(gòu)造為零件手動測量，整合難度較低的內(nèi)容。3）增加零件自動測量實訓(xùn)，該部分為實際應(yīng)用較多的部分，教師演示后學(xué)生進行脫機實操，充分利用教師與學(xué)生、學(xué)生與學(xué)生間的互動，啟發(fā)學(xué)生思維，讓學(xué)生通過動手操作理解三坐標(biāo)測量的知識內(nèi)涵。4）將原典型零件檢測修訂整合為綜合項目實訓(xùn)，該實訓(xùn)分為零件制造和零件檢測兩部分，學(xué)生以組為單位，通過組內(nèi)討論和分析、教師的研判和指導(dǎo)，制訂該零件的制造工藝并由學(xué)生自主完成零件制造，這一過程充分融合了多門課程和金工實習(xí)的知識，通過創(chuàng)造性的啟發(fā)，大大提高了教學(xué)內(nèi)容的靈活性;零件檢測同樣由小組討論分析，通過學(xué)生自主的進行測頭選擇及加載、坐標(biāo)系建立、自動測量程序編制及模擬運行，達到調(diào)動學(xué)生積極性、主動性和創(chuàng)造性，最后聯(lián)機實測，輸出檢測報告并分析零件制造誤差，激發(fā)學(xué)生的工程意識和創(chuàng)新意識，同時使學(xué)生對零件制造與檢測知識有一個更深刻的理解。圖1所示為學(xué)生使用三坐標(biāo)測量機進行某減速器輸入軸的綜合實訓(xùn)。

學(xué)生通過搭建好的三坐標(biāo)測量課程體系，由淺入深的學(xué)習(xí)和實踐，深入學(xué)習(xí)了三坐標(biāo)測量技術(shù)。學(xué)生完成了圖紙設(shè)計、零件制造、程序編寫和三坐標(biāo)測量，學(xué)生為主體，教師啟發(fā)式教學(xué)，將工程制圖、幾何量公差與檢測和機械制造技術(shù)基礎(chǔ)等課程有機結(jié)合起來形成一個系統(tǒng)的實訓(xùn)項目，完成一套從圖紙到零件制造再到零件檢測的完整機械加工流程，是對學(xué)生實驗技能的進一步提升和相關(guān)專業(yè)知識的綜合應(yīng)用，對培養(yǎng)高素質(zhì)、強能力、應(yīng)用型人才具有一定的指導(dǎo)意義[9]。

4 結(jié)束語

三坐標(biāo)測量作為現(xiàn)代幾何檢測的重要方式之一，已成為常規(guī)的幾何檢測工具。綜合分析我校目前三坐標(biāo)測量實驗課程存在的問題，重新組合優(yōu)化了各模塊內(nèi)容，通過引入啟發(fā)式、案例式、頭腦風(fēng)暴等教學(xué)新模式，并應(yīng)用建成的在線教學(xué)平臺和虛擬仿真平臺等在線平臺，調(diào)動學(xué)生的積極性，提高學(xué)生的參與度，靈活高效的完成相關(guān)教學(xué)內(nèi)容。同時，綜合實訓(xùn)項目的優(yōu)化更是對三坐標(biāo)測量課程的一個強化和升華，對于鞏固學(xué)生的理論知識，提高學(xué)生的工程實踐能力和就業(yè)競爭力起到了積極作用，符合學(xué)校工科專業(yè)高素質(zhì)、強能力、應(yīng)用型人才培養(yǎng)體系的要求。

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