大型精密检测设备的数字化实验资源建设

王志琼， 谷东伟， 周淑红， 常奇志

(1.吉林大学 国家级机械基础实验教学示范中心，吉林 长春 130022；2.长春工业大学 机电工程学院,吉林 长春 130012)



大型精密检测设备的数字化实验资源建设

王志琼1， 谷东伟2， 周淑红1， 常奇志1

(1.吉林大学 国家级机械基础实验教学示范中心，吉林 长春 130022；2.长春工业大学 机电工程学院,吉林 长春 130012)

以丰富学生实践知识，贴近工程实际为目的，吉林大学利用检测领域里的前沿技术，首次在国内运用大型精密检测设备面向高校本科生开设机械精度设计基础实验。针对实验设备价格昂贵，台套数不足的问题，全面系统的研究建立基于大型精密检测仪器设备的数字化实验教学资源。通过虚实结合的新实验教学模式，能够使学生掌握现代化检测方法与设备，实现大型精密仪器设备在本科教学中的应用，培养学生实际动手能力和创新能力，体现高等学校的价值。

精密检测设备； 数字化； 机械精度； 实验资源

0 引 言

机械精度设计是机械产品设计不可或缺的重要成部分。在高校机械类和近机类专业中，机械精度设计是与实践紧密联系的一门本科生必修的技术基础课程。通过该门课程学习使学生掌握公差设计的基本知识与技能，提高学生机械精度设计的能力，为进行机械产品研究、设计与加工制造，成为机械工程领域的创新人才奠定良好的基础[1-3]。

国家级机械基础实验教学示范中心先后投入上百万文资金建设精密测量实验室，添置了桥式三坐标测量仪、齿轮测量中心、光学轮廓仪、测量投影仪等大型精密检测仪器设备，在全国首次利用精密检测仪器设备针对本科生开设机械精度检测实验[4]。通过大型精密检测仪器设备改革更新了尺寸误差测量内容、几何误差测量内容、齿轮精度测量等实验内容，同时开设了独立设课的综合实验，培养学生的实际动手能力，掌握现代化的检测仪器与方法，丰富实践知识[5-6]。

1 传统实验存在的问题

桥式三坐标测量仪、齿轮测量中心和光学轮廓仪是利用检测领域里的前沿技术，在现代化生产中，大、中型企业和科研机构进行机械产品检测的常用大型精密检测仪器设备，如图1、2所示。由于单台套大型精密仪器设备其精度高，价格昂贵，实验成本高，若要达到教育部对实践教学的要求，有效提高学生的实际动手能力和创新能力，将需要大量的实验仪器设备和大面积的实验场地，耗费巨额的经费[7]。因此在实验教学中不可能大量购置。

图1 桥式三坐标测量仪

图2 光学轮廓仪

机械精度设计基础实验为机械类和近机类5个学院10个专业1 100多名本科生开设机械精度实验课程。课程覆盖面广、受众量多、受益面大，并且大型仪器设备操作前必须进行一定的培训。因此在有限的学时内学生不可能亲自操作，导致实验效果不佳[8]。

2 建设目标与任务

建设大型精密检测仪器设备的数字化实验资源。采用网络技术，信息技术以及其它现代化技术手段相结合的方式，设计制作大型精密检测设备的数字化实验课程，并应用于网络中。通过数字化实验资源突破时空、校区和专业的限制，解决传统实验上学生无法预先掌握实验过程和复杂精密检测过程的问题，提高了教学效率，改善了教学环境[9-11]。

实验在数字化实验课程的基础上同时开设真实实验课程，如图3所示，通过虚实结合，在有限教育资源的情况下，保证实践教学质量[12-13]。培养学生的实际动手能力，掌握现代化检测方法与设备，贴近工程实际，与时俱进，以适应当前企业的需求，为将来从事现代化建设，打下坚实的基础[14]。

图3 虚实结合实验方案

3 数字化实验资源的设计

3.1 实验方案设计

基于大型精密检测设备的数字化实验资源建设的主要内容，如图4所示。数字化实验课程主要是运用视频讲解和动画演示来诠释精密检测仪器设备的基本结构、检测原理、检测方法、检测过程、检测数据形式、数据分析处理和企业应用场景等。在数字化实验资源建设中，所有视频都有配音和字幕，根据教学不同的要求，分别采用图像、视频、3D效果动画以获得最佳的教学效果。

图4 数字化实验主要内容

每项数字化实验课程包含2大部分，分别为基本实验和拓展实验。基本实验主要是根据本科生的实验教学大纲要求，结合精度检测真实实验建设数字化实验课程。主要目的是通过虚实结合，使学生系统地掌握机械精度设计的基本内容即几何误差、表面粗糙度、齿轮精度的检测方法，了解检测仪器的结构与原理，根据测得数据评定零件的合格性。拓展实验主要是在基本实验的基础上，增加仪器设备在工程实际中的应用实例，并结合企业实际应用情况，使学生了解现代化检测设备在企业实际检测环境与检测方法，培养工程实际应用能力。

3.2 实验内容设计

基本实验内容主要包含实验目的、仪器设备、实验内容、实验原理、实验演示、实验操作、数据处理和实验思考。实验目的根据实验指导书和真实实验要求确定，教学目的明确[15-16]。仪器设备主要介绍仪器设备的基本结构，简单操作以及仪器设备在使用过程中的注意事项，如图5所示。实验内容主要具体描述实际实验的内容，运用CAD和CATIA等绘图软件将所测量的工件绘制出来，标注检测零部件名称，检测内容，检测要求等，如图6所示。实验原理主要介绍整个实验的检测原理，采用图文并茂的方式和3D效果动画形象的表达。实验操作中具体的描述了实验该如何进行操作，每一操作步骤由实际操作的照片和文字说明组成，条理清晰，如图7所示。同时配有实验视频演示，如图8所示，实验视频主要包括实验过程的录制、视频配音、视频文字编辑三项工作，首先运用录像机将实际实验操作进行录制，然后运用视频编辑软件对所录制的视频进行声音和文字编辑，使视频达到最佳效果，对于测头动态检测过程运用3D效果动画进行局部放大，实时同步。分别运用机械精度合格和不合格等不同的检测曲线、图像和检测数据进行数据分析、处理与判断。最后针对所做的实验进行总结，对基础知识的掌握，对拓展知识的了解，使学生对所做的实验进行归纳总结与引申。

图5 实验内容

图6 仪器设备

图7 实验演示

图8 实验操作

拓展实验主要包括其他检测实验和企业实际检测。其他检测实验主要是在基本实验的基础上进一步进行检测研究。如齿轮测量中心在基本实验中主要是检测圆柱直齿轮的齿距、齿廓和螺旋线总偏差。而在拓展实验中将以文字、图片和视频的形式介绍齿轮测量中心检测斜齿轮、锥齿轮和蜗轮蜗杆等零部件齿轮精度检测内容。同时录制企业或者科研当中实际检测过程视频。通过拓展实验增加了学生实验教学的知识面。有效地改善了学生学习条件，增强学生实验及实践的广度和深度，为学有余力的学生提供了一个很好的学习平台。

4 数字化实验资源的应用

大型精密检测设备的数字化实验资源已于2013在吉林大学校园网上运行，与吉林大学机械精度设计基础课程和机械工程综合实验Ⅱ课程的真实实验相结合，每年为吉林大学机械类和近机类5个学院10个专业1 100名学生开设机械精度实验课程。同时通过数字化实验资源，可为其他校区其他专业的学生提供数字化实验课程、为学校成人教育提供网络学习、为研究生提供科研学习。学生可通过网络自主学习，目前数字化实验教学资源网上浏览次数约有9万多次。大型精密检测仪器设备应用于本科生教学当中，目前在国内其它高校还没有发现。因此，基于大型精密检测设备的数字化实验资源建设可以进一步与国内其它高校实行资源共享。

5 结 语

大型精密检查设备的数字化实验资源建设提出了“将现场实验与数字化实验有机结合”的实验教学模式，进行了网络架构下机械精度设计课程的实验项目建设。该教学模式为学生提供了更加自由、丰富的教学资源。在此基础上，中心根据国家虚拟仿真实验教学中心“虚实结合、相互补充、能实不虚”的建设原则，进一步全面系统的建立基于高精密检测仪器设备的虚拟检测实验平台，形成具有应用性、共享性和特色性的虚拟仿真实验项目，为建设吉林大学国家级机械虚拟仿真实验教学中心提供强有力的支持。

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[2] 李 瑜，崔志恒.基于激光干涉仪的机床精度检测机误差补偿创新实验设计[J].实验技术与管理，2012，29(3)：49-51.

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Digital Experimental Resource Construction Based on Large- Scale Precision Testing Equipment

WANGZhi-qiong1,GUDong-wei2,ZHOUShu-hong1,CHANGQi-zhi1

(1. National Machinery Basic Experimental Teaching Demonstration Center, Jilin University, Changchun 130022, China; 2. School of Mechatronic Engineering, Changchun University of Technology, Changchun 130012, China)

Using advanced technology of inspection field, facing on undergraduates of colleges and universities, a basic mechanical precision design experiment is set up with large-scale sophisticated testing equipment. It establishes digital experimental teaching resources based on large-scale sophisticated testing equipment. It solves the problems of lacking experimental equipment because of high costs by virtuality and reality combination. It fosters students to know about advanced technology of inspection field, master modern testing methods and equipment. It realizes the application of large-scale sophisticated testing equipment to undergraduate teaching, and increases students' practical ability and innovation ability and embodies the value of colleges and universities.

sophisticated testing equipment; digitalization; mechanical precision; lab resources

2015-08-10

王志琼 (1986-)，女，吉林通化人，硕士，工程师，机械基础实验教学示范中心副主任，研究方向：实验教学研究和实验教学管理、数控机床可靠性领域的研究。

Tel.：13944852656；E-mail：wzq2012@jlu.edu.cn

谷东伟 (1983-)，男，吉林农安人，博士，讲师，研究方向：机械制造基础教学工作、数控机床可靠性领域的研究。

E-mail：gdw2000@163.com

TH-3

A

1006-7167(2016)05-0261-03