精密測(cè)量案例教學(xué)在教學(xué)活動(dòng)中的應(yīng)用

王紅敏

（山東理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 山東 淄博 255000）

精密測(cè)量技術(shù)融合了光學(xué)技術(shù)、電子信息技術(shù)、傳感器與探測(cè)技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、精密機(jī)械加工制造技術(shù)以及信息技術(shù)等多種高精尖技術(shù)，需要各個(gè)相關(guān)領(lǐng)域的支持來(lái)取得發(fā)展和進(jìn)步。隨著工業(yè)制造技術(shù)的不斷發(fā)展，以及現(xiàn)代科學(xué)研究的不斷深入，精密測(cè)量技術(shù)的發(fā)展方向主要趨向于高精度、智能集成、微型多樣、移動(dòng)便攜等。

精密測(cè)量技術(shù)課程是儀器儀表工程學(xué)科研究生的主干課程，課程內(nèi)容涵蓋誤差分析與數(shù)據(jù)處理、精密測(cè)量技術(shù)、智能測(cè)量控制系統(tǒng)等內(nèi)容，課程教學(xué)目前普遍存在的問(wèn)題為：一方面教學(xué)過(guò)程中存在單一的教師講、學(xué)生聽(tīng)的現(xiàn)象，缺乏雙向溝通，課堂上學(xué)生被動(dòng)接受知識(shí)，主動(dòng)性較差；另一方面實(shí)踐活動(dòng)相對(duì)欠缺，課堂教學(xué)與現(xiàn)實(shí)應(yīng)用相對(duì)脫節(jié)[1-2]。因此，基于儀器儀表工程類學(xué)科發(fā)展的特點(diǎn)，教學(xué)觀念亟待創(chuàng)新，需立足學(xué)科特點(diǎn)對(duì)研究生教學(xué)中教學(xué)方法和教學(xué)手段進(jìn)行總體方案設(shè)計(jì)和改進(jìn)。

1 案例教學(xué)的必要性

案例教學(xué)法通過(guò)工程實(shí)際案例將需要講授的知識(shí)融合其中，經(jīng)過(guò)教師的引導(dǎo)和講述，再現(xiàn)實(shí)際情景，并輔以課堂討論，使學(xué)生們對(duì)相關(guān)知識(shí)有更深層的理解。這種理論聯(lián)系實(shí)際的教學(xué)方式，十分符合理工科課程的教學(xué)實(shí)踐，也是教學(xué)模式改革的方向。而案例是案例教學(xué)的重要基礎(chǔ)，是在教學(xué)活動(dòng)中實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際生產(chǎn)生活中真實(shí)情況的再現(xiàn)，盡管案例應(yīng)用形式多樣，但服務(wù)教學(xué)是其最終目的。一方面，案例庫(kù)來(lái)源于經(jīng)驗(yàn)和總結(jié)，不同于一般的教材知識(shí)架構(gòu)，案例庫(kù)必須按照不同的教學(xué)要求形成不同的知識(shí)網(wǎng)絡(luò)以服務(wù)教學(xué)；另一方面，案例庫(kù)還應(yīng)注重培養(yǎng)學(xué)生靈活運(yùn)用所學(xué)知識(shí)的能力，突出知識(shí)應(yīng)用和能力培養(yǎng)。因此案例的選擇對(duì)教學(xué)質(zhì)量和效果有十分重要的影響，對(duì)案例進(jìn)行設(shè)計(jì)整理直接決定案例教學(xué)法的效果，因此課程案例庫(kù)的建設(shè)就成為亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題[3-4]。

精密測(cè)量技術(shù)研究一直備受國(guó)內(nèi)外廣泛關(guān)注，基于我國(guó)近幾年的重要文件，如“國(guó)家中長(zhǎng)期科技發(fā)展規(guī)劃綱要”“中國(guó)制造2025”等，從國(guó)家對(duì)科技發(fā)展以及生產(chǎn)制造領(lǐng)域的規(guī)劃布局來(lái)看，精密測(cè)量技術(shù)的作用至關(guān)重要，精密測(cè)量、無(wú)損檢測(cè)及智能控制技術(shù)等受到各行業(yè)的極大關(guān)注，也是目前各國(guó)研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域，但該領(lǐng)域本科生尤其研究生教學(xué)案例庫(kù)的建設(shè)相對(duì)較薄弱。案例教學(xué)能夠傳遞最新信息，引領(lǐng)學(xué)生主動(dòng)思考，提高教學(xué)成效，因此其教學(xué)應(yīng)用尤其是在研究生教學(xué)中前景廣闊。

2 案例教學(xué)與實(shí)踐

精密測(cè)量技術(shù)課程教學(xué)中，教師首先應(yīng)引領(lǐng)學(xué)生打好基礎(chǔ)關(guān)，讓學(xué)生掌握誤差理論與數(shù)據(jù)處理相關(guān)技術(shù)，比如直線度、平面度、平行度、垂直度等各種形位誤差的數(shù)據(jù)處理方法，比較結(jié)果的異同和優(yōu)缺點(diǎn)，從而保證在實(shí)踐中靈活運(yùn)用，并對(duì)比結(jié)果的差異進(jìn)行總結(jié)討論，拓寬研究生解決問(wèn)題的思路；然后選用恰當(dāng)?shù)墓こ贪咐龑?duì)精密測(cè)量和智能控制進(jìn)行教學(xué)分析，通過(guò)大量案例幫助學(xué)生掌握精密測(cè)量和智能控制技術(shù)，所有選例的實(shí)訓(xùn)鍛煉為研究生未來(lái)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究、測(cè)試數(shù)據(jù)分析、撰寫(xiě)學(xué)術(shù)報(bào)告等提前做好理論鋪墊和技術(shù)準(zhǔn)備，摘選課程案例如下：

2.1 掃描探針顯微鏡納米測(cè)量

掃描探針顯微鏡（Scanning Probe M icroscope，SPM）是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的表面分析用高科技儀器，包括掃描隧道顯微鏡、原子力顯微鏡、靜電力顯微鏡、磁力顯微鏡、掃描離子電導(dǎo)顯微鏡、掃描電化學(xué)顯微鏡等，SPM 的設(shè)計(jì)和制造交叉融合了眾多學(xué)科的知識(shí)，涉及光、機(jī)、電、算、控、測(cè)以及信號(hào)與圖像處理等多個(gè)領(lǐng)域，采用了多種加工制造和數(shù)據(jù)采集與控制技術(shù)，在材料表層形貌研究、生命科學(xué)及納米制造等領(lǐng)域都有較廣泛的應(yīng)用。

其中掃描隧道顯微鏡（Scanning Tunneling M icroscope，STM）是一種新型的電子顯微鏡，由于其分辨率高，被廣泛應(yīng)用于納米級(jí)測(cè)量。其設(shè)計(jì)原理來(lái)源于量子隧道效應(yīng)，通過(guò)一個(gè)探針對(duì)樣品表面進(jìn)行掃描，根據(jù)兩者之間電、光、力、熱等物理量同針尖與樣品之間的距離等關(guān)系，來(lái)獲取樣品的表面信息。STM 具有較高的分辨率，其分辨能力可達(dá)原子級(jí)別，通過(guò)其針尖所在的位置可以獲取被測(cè)材料表面的信息，時(shí)間延遲小，且不受材料物理性質(zhì)和環(huán)境因素等限制，可在真空、大氣、常溫等氣體、固體、溶液等各種環(huán)境下成像工作。無(wú)論是在物理、化學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科領(lǐng)域，還是納米技術(shù)、材料科學(xué)等高新技術(shù)領(lǐng)域，STM都得到了廣泛應(yīng)用，例如STM可以利用探針對(duì)被測(cè)材料表層進(jìn)行掃描，以獲取空間表面的三維圖像，還可以觀察單原子層的局部表面結(jié)構(gòu)，獲取表面電荷密度、表面勢(shì)壘、能隙結(jié)構(gòu)等信息，根據(jù)探針豎直方向的位移或探針電流參數(shù)的改變得到被測(cè)材料表面的圖像，由此可以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)操縱微觀粒子和表面處理功能。掃描隧道顯微鏡工作模式如圖1 所示。

圖1 掃描隧道顯微鏡工作模式

2.2 機(jī)器人控制系統(tǒng)

機(jī)器人控制系統(tǒng)是一種基于機(jī)構(gòu)學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)相關(guān)理論的控制系統(tǒng)，系統(tǒng)呈非線性、時(shí)變、多變量的控制特點(diǎn)，一般由計(jì)算單元和伺服控制單元構(gòu)成。機(jī)器人控制系統(tǒng)可按照其作業(yè)任務(wù)需求，對(duì)其執(zhí)行機(jī)構(gòu)施加力/力矩作用，使其狀態(tài)變量（關(guān)節(jié)空間或任務(wù)空間）按期望的狀態(tài)改變，從而執(zhí)行給定的任務(wù)。機(jī)器人控制按照其被控目標(biāo)（狀態(tài)變量）類型分類如圖2 所示。

圖2 機(jī)器人控制方法

機(jī)器人控制中柔順控制的應(yīng)用較為廣泛，指通過(guò)力傳感器獲取控制信號(hào)來(lái)控制機(jī)器人的執(zhí)行動(dòng)作。柔順控制分為主動(dòng)柔順和被動(dòng)柔順，例如主動(dòng)柔順控制中的力/位混合控制，是指機(jī)器人在其作業(yè)過(guò)程中，當(dāng)末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的相關(guān)自由度受到外在環(huán)境約束時(shí)，對(duì)其執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)力與位置的雙重控制，由力/位混合控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)，即一部分自由度進(jìn)行位姿控制（由末端位姿選擇矩陣S確定），其余自由度進(jìn)行力控制（由末端廣義力選擇矩陣確定），體現(xiàn)對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性[5-6]。該控制方法應(yīng)用廣泛，當(dāng)機(jī)器人執(zhí)行系統(tǒng)與環(huán)境有接觸時(shí)，采用柔順控制可以實(shí)現(xiàn)有效可靠的控制，其作業(yè)任務(wù)包括裝配、打磨、鑄件表面光滑處理、控制具有鉸支結(jié)構(gòu)件的開(kāi)合及安裝拆卸連接件等。柔順控制具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：①接觸時(shí)力感知高敏感，使力控精度更高、設(shè)備更安全：對(duì)玻璃、雞蛋等易碎作業(yè)對(duì)象尤為有利；②可及時(shí)避障：當(dāng)機(jī)器人末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)與障礙物即將發(fā)生接觸碰撞時(shí)，通過(guò)力控制可以回避障礙，或降低碰撞產(chǎn)生的損害，從而可以保護(hù)機(jī)器人、操作對(duì)象等；③可實(shí)現(xiàn)拖拽功能：用手直接拖動(dòng)機(jī)器人末端進(jìn)行相關(guān)操作，簡(jiǎn)單方便。

2.3 慣性網(wǎng)絡(luò)傳遞對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)

當(dāng)今立體化戰(zhàn)場(chǎng)上，掌握制空權(quán)已成為打贏戰(zhàn)爭(zhēng)的一項(xiàng)重要的先決條件。對(duì)戰(zhàn)斗機(jī)而言，武器系統(tǒng)的性能是決定能否實(shí)現(xiàn)作戰(zhàn)目標(biāo)的關(guān)鍵，為滿足快速、精準(zhǔn)、裝備可移動(dòng)性強(qiáng)、具備全時(shí)段、全方位打擊能力等新型作戰(zhàn)要求，在武器發(fā)射前，需對(duì)其慣性導(dǎo)航系統(tǒng)在動(dòng)基座條件下進(jìn)行初始對(duì)準(zhǔn)。

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是一種自主型導(dǎo)航系統(tǒng)，它能獨(dú)立判斷確定自己的位置；慣性網(wǎng)絡(luò)是由多個(gè)慣性測(cè)量單元組成的整體，其基本功能有：初始對(duì)準(zhǔn)、重心狀態(tài)估計(jì)、局部狀態(tài)估計(jì)、導(dǎo)航、故障檢測(cè)與隔離等，如甲板變形、協(xié)同編隊(duì)、運(yùn)動(dòng)感知等應(yīng)用；傳遞對(duì)準(zhǔn)是指高精度估算出慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中主、子慣導(dǎo)系統(tǒng)之間的角度誤差，其基本原理是：因慣導(dǎo)系統(tǒng)主、子慣導(dǎo)系統(tǒng)之間存在一定程度的角度誤差，因此而導(dǎo)致其導(dǎo)航參數(shù)信息不完全一致，如速度、角速度、位姿等，而主、子慣導(dǎo)系統(tǒng)之間的各種參數(shù)和其失準(zhǔn)角的大小程度相關(guān)，因此可通過(guò)對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行模型分析計(jì)算，從而得出它們和誤差角的關(guān)系，然后計(jì)算出相應(yīng)的誤差角。傳遞對(duì)準(zhǔn)即選用主、子慣導(dǎo)系統(tǒng)之間不同的導(dǎo)航參數(shù)信息進(jìn)行匹配，如速度匹配、速度加角速度匹配、姿態(tài)匹配、速度加姿態(tài)匹配等，其中速度加姿態(tài)匹配是對(duì)準(zhǔn)時(shí)間最快精度最準(zhǔn)的，因此傳遞對(duì)準(zhǔn)和傳統(tǒng)的初始對(duì)準(zhǔn)相比，在對(duì)準(zhǔn)時(shí)間和對(duì)準(zhǔn)精度方面優(yōu)勢(shì)明顯，如果合理選擇參數(shù)匹配則可以在更短時(shí)間內(nèi)獲得更佳的估計(jì)精度。另外，還需對(duì)慣性網(wǎng)絡(luò)主、子節(jié)點(diǎn)相對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行解算，即相對(duì)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是根據(jù)主、子慣導(dǎo)系統(tǒng)相關(guān)輸出信號(hào)，如陀螺儀、加速度計(jì)等慣性器件的信號(hào)輸出，解算出位于主慣導(dǎo)坐標(biāo)系內(nèi)的子慣導(dǎo)導(dǎo)航參數(shù)（如相對(duì)位置、相對(duì)速度和相對(duì)姿態(tài)等）[7-8]。慣性網(wǎng)絡(luò)傳遞對(duì)準(zhǔn)基本原理如圖3 所示。

圖3 慣性網(wǎng)絡(luò)傳遞對(duì)準(zhǔn)基本原理

誠(chéng)如上述案例，課程所有相關(guān)案例均具有很強(qiáng)的應(yīng)用性，能使學(xué)生更好地了解和認(rèn)知工程實(shí)踐，在實(shí)踐基礎(chǔ)上將應(yīng)用所學(xué)的理論知識(shí)，針對(duì)工作實(shí)踐中出現(xiàn)的問(wèn)題提出有效解決辦法，以培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探索精神和創(chuàng)新意識(shí)。相關(guān)案例結(jié)合學(xué)生專業(yè)和認(rèn)知程度，難度適中，既能突出強(qiáng)調(diào)教學(xué)的關(guān)鍵點(diǎn)，又能達(dá)到帶動(dòng)學(xué)生主動(dòng)思考問(wèn)題和處理問(wèn)題的目的，課程教學(xué)采用任務(wù)驅(qū)動(dòng)模式，首先制訂計(jì)劃任務(wù)，然后通過(guò)分組討論、案例教學(xué)、項(xiàng)目教學(xué)、現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)等方式組織實(shí)施；課程評(píng)價(jià)方面通過(guò)多層次、重過(guò)程、倡發(fā)展等手段，使學(xué)生通過(guò)線上線下、獨(dú)立思考、自主學(xué)習(xí)、活動(dòng)分享等方式進(jìn)行實(shí)踐活動(dòng)，最終提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和專業(yè)素養(yǎng)。課程教學(xué)模式和學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)總體方案的設(shè)計(jì)技術(shù)路線如圖4 所示（p68）。

圖4 課程教學(xué)模式和學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)總體技術(shù)路線

3 結(jié)語(yǔ)

教學(xué)過(guò)程結(jié)束后的課程考核是為了檢測(cè)和評(píng)估課堂教學(xué)成效，反饋并解決教學(xué)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題。合理利用課程考核手段和方法，可以在很大程度上鍛煉和提升學(xué)生的工程應(yīng)用能力和創(chuàng)新精神。研究生以往的期末考核多采用開(kāi)卷或?qū)懻撐募夹g(shù)報(bào)告等形式，學(xué)生成績(jī)的考核評(píng)定方式不夠靈活，學(xué)生成績(jī)構(gòu)成比較集中，結(jié)構(gòu)層次不夠多樣，不容易反映學(xué)生平時(shí)的努力程度和付出的多少，不利于教學(xué)信息的反饋和總結(jié)，因而會(huì)影響教學(xué)決策。案例教學(xué)后實(shí)行最終總評(píng)成績(jī)由平時(shí)成績(jī)、作業(yè)成績(jī)、階段成績(jī)、任務(wù)成績(jī)等構(gòu)成。通過(guò)案例教學(xué)，可以提高學(xué)生的參與度，從最終考核結(jié)果來(lái)看，案例教學(xué)實(shí)施后，學(xué)生成績(jī)構(gòu)成明顯多樣化，通過(guò)分析相關(guān)信息對(duì)課堂教學(xué)進(jìn)行改進(jìn)，最終促進(jìn)教學(xué)工作的不斷進(jìn)步和持續(xù)發(fā)展。

案例教學(xué)的實(shí)施是一個(gè)完整的教學(xué)過(guò)程，首先由教師結(jié)合學(xué)科知識(shí)與生產(chǎn)實(shí)踐，基于教學(xué)要求選擇一批典型的教學(xué)案例，使學(xué)生主動(dòng)參與課堂討論，激勵(lì)學(xué)生獨(dú)立思考并自由交流觀點(diǎn)，可以得出各自不同的結(jié)論，并加以比較、評(píng)選，得出最優(yōu)方案，最終讓學(xué)生養(yǎng)成獨(dú)立思考和科學(xué)創(chuàng)新的科研習(xí)慣。同時(shí)師生角色發(fā)生較大轉(zhuǎn)變，教師由單純的傳授轉(zhuǎn)化為引導(dǎo)和促進(jìn)，學(xué)生由被動(dòng)變主動(dòng)，在課堂交流中，學(xué)生的創(chuàng)新精神得以提升，主動(dòng)進(jìn)行探究性學(xué)習(xí)，將所學(xué)知識(shí)轉(zhuǎn)化為實(shí)踐技能。

在實(shí)際教學(xué)中，教師可以基于作業(yè)練習(xí)、小組討論、團(tuán)結(jié)協(xié)作、場(chǎng)景模擬等靈活運(yùn)用案例教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生由傳統(tǒng)聽(tīng)講轉(zhuǎn)變?yōu)樘骄啃詫W(xué)習(xí)，同時(shí)增進(jìn)師生交流，讓學(xué)生主動(dòng)參與課堂活動(dòng)，提高課堂活躍度，以提高學(xué)生對(duì)本學(xué)科的興趣。案例教學(xué)既能充分體現(xiàn)知行合一、學(xué)以致用的教學(xué)理念，又能真實(shí)切入工程實(shí)際中的科技研發(fā)，使案例開(kāi)發(fā)更具實(shí)用性，同時(shí)也利于教師及時(shí)總結(jié)和調(diào)整教學(xué)方法和手段，以培養(yǎng)研究生的科學(xué)素養(yǎng)和主動(dòng)性，促使其開(kāi)展探究性學(xué)習(xí)，這對(duì)于提升研究生的創(chuàng)新精神、科學(xué)思維和工程實(shí)踐能力等均具有重要的意義和作用。