新工科背景下工程训练中现代测量教学模式分析和探索*

沈瑶 崔琦 栗茂林 张彦鹏

西安交通大学实践教学中心 西安 710049

0 引言

随着现代先进制造技术的发展，机械测量技术也迅猛发展起来。工程训练的教学实践应当注重产业需求，与当前工业主流技术相衔接。面对新工科系统级工程能力人才培养的需求，工程训练中心作为高校工程教育的实践教学平台，应当发挥其重要作用，将现代测量技术教学作为重要组成部分[1]。

1 构建现代测量实训的意义

我国高等教育经过“质量工程”“卓越工程师教育培养计划”等重大改革后，形成规模第一、层次完备、专业齐全的工程教育体系。工程训练是高等教育中工程能力的重要支撑，也是新工科教育的重要载体。在工程训练中体现新工科系统级工程人才的培养已成为我国高等工程教育改革的特点[2-5]。

现代制造业对机械零件的检测提出了高精度、高效率、高稳定性等要求，促使现代测量技术迅猛发展。测量技术是先进制造技术中的重要组成部分，更是贯穿产品生命全周期的重要内容。传统的工程训练教学过分重视理论教学和技能教学，忽略了基于产品生命全周期的工程意识培养和产品质量意识培养。根据大工程培养方案，为了使工科学生适应社会需求，培养其精度意识、质量意识，使其理解工业生产的内涵，这就需要在工程训练实践教学中构建更真实的工程环境[6]。现有的工程训练实践教学缺乏质量意识体系的构建，导致学生质量意识不足。所以高校在工程训练教学中引入现代测量实践是必要的，它不仅可以培养学生的质量意识，也有助于培养学生追求卓越的工匠精神。

2 当前测量实训的现状

现有工程训练各工种涉及的测量教学部分存在重复、单一、跟不上时代发展的缺点，无法与现代工业技术接轨，达不到现代化企业的要求，因此，现代测量实训不仅需要整合，还要与新技术接轨[7]。

部分现有工种的实训存在重体验过程、轻结果的现象，考核评价指标量化不够。例如，在陶艺实训中，对学生的泥板作品和拉坯作品，教师更倾向于从艺术性、主观性方面进行考核评价。而工程是可以量化的科学，现代测量技术与各工种的紧密结合应用可以帮助部分现有工种提高考核评价指标的量化程度，增强学生的工程意识和追求卓越的工匠精神。

对国内主要工科高校进行调研，发现目前高校测量实践教学中主要存在以下四个问题。

1）教学方法传统。由于课时的限制，理论教学多采用灌输式教学方法，教学以讲授为主，简单演示为辅，学生很难理解检测的相关原理，测量概念生涩难懂，学生对知识一知半解。这样的教学方法无法激发起学生的学习兴趣和学习主动性，教学效果不佳。

2）一些现代测量设备价格昂贵，台数少，对操作水平要求高，例如三坐标测量机，因此教学模式通常是“一人操作，众人围观”，显然无法满足工程训练的实践要求，导致理论教学与实践教学完全脱节。

3）测量实践课程的教学样件多是教师提供的已经加工好的固定种类样件。教学内容太单一，缺少与设计、加工工艺的关联性与交互性，缺乏综合性，无法培养学生的系统工程意识，不能培养学生的创新发散思维，无法满足高质量的工程训练教学的要求。

4）测量实践教学培养方向缺乏明确性，学生培养层次规格单一化。

3 现代测量实践的建设

高校现代测量实训中心应加强硬件建设投入，以学校工程训练中心为例，中心拥有较为先进的现代测量仪器设备，包括各种通用量具，如各种游标卡尺、万能角度尺、千分尺等，还有三坐标测量机1 台、万能测长仪1 台、光学影像测量仪一台、手持式三维扫描仪2 台、超声波探伤仪1 台、显微维氏硬度计1 台、表面粗糙度仪4 台和测齿仪等。实验室仪器不仅可以完成常规测量项目，还可以完成各种专项测量和精密测量项目，例如：螺纹和齿轮要素测量、表面粗糙度测量、几何公差测量、硬度测量、无损测量、逆向测量等。

3.1 整体思路原则

现代测量实训教学旨在让学生系统地掌握工业测量的基础性知识与相关技能，熟悉零检测量的常用工具和测量方法，使学生了解现代检测技术的发展，提升学生的专业知识水平，培养学生的质量意识及质量控制意识、大工程意识和工程能力，从而培养现代企业所需要的复合型人才[8]。本课程注重学生系统解决实际工程问题的能力、工程综合应用能力、团队协作能力和综合创新能力。对现代测量实践的建设应当遵循以下原则。

1）现代测量实训应强调真实的工业环境，使学生的工程训练实训环境与真实的生产环境更趋一致。

2）现有工程训练各工种已存在的测量教学内容比较松散、单一、传统，现代测量实训应整合各工种测量教学内容，实现更系统、更全面的测量实训教学。

3）现代测量实训的教学内容应紧随现代工程产业发展的步伐，承接智能制造前沿，对新技术、新应用保持敏感，使学生能获取最新的测量技术并加以应用，开阔学生的视野，从而满足现代化企业对本科人才的要求。

4）现代测量实训教学中的理论知识多，测量概念生涩难懂，应当增加具有应用性、设计性和综合性的实验项目，减少演示性、验证性的实验项目，强调多学科交叉融合，同时丰富教学形式，激发学生的学习兴趣和学习主动性，保证教学效果。

5）应具有开放性，不仅面向参加工程训练的学生，也为学生的自主实践、科技竞赛等提供有力的支撑。

3.2 构建多层次育人体系、丰富教学内容

面对新工科系统级工程能力人才培养的需求，针对现代测量技术在工程训练教学体系中的全面落地问题，需构建以实践为基础的多层次育人体系，同时充分利用工程测量实验室现有的教学资源，从横向和纵向两个维度深化教学内容，将现代测量技术更全面、紧密地渗透进工程训练教学体系中。

针对学生专业背景的不同、工程能力的不同，设计并建立多层次的菜单式测量实训方案，培养满足多种社会需求的复合型人才。综合性大学工程训练的学生包括人文类专业、近机械类专业和机械类专业，学生学科背景不同，对测量实践的需求和接受度也不同，故需对不同专业背景的学生设置有针对性的教学内容，并开发丰富的综合训练项目，采用菜单式选择模式，充分激发学生的自主学习能力和学习兴趣，实现教学目标。

现代测量工程训练的教学体系如图1 所示，测量教学内容设为基础模块、进阶模块和创新应用模块。基础模块的教学课时为8 个课时，面向所有工训学生，教学内容包括工业测量的发展历史、测量的基础概念等，通过基本测量仪器的操作实践，让学生建立测量技术的认知，掌握基本测量技能；进阶模块的教学课时为16 个课时，面向机械类专业学生，结合专业培养需求，进行教学内容的深度挖掘，作为机械类学生互换性测量等专业课的实践补充，目的是培养专业性更强，测量实践能力更强的专业人才；创新应用模块是结合现有各工种教学资源，以解决实际工程问题为目标，以应用测量结果为实施方式，开发出针对各工种的综合检测实践项目，将各工种串联起来，实现多工种交叉、多材料交叉和多学科交叉的三个交叉效果。

图1 现代测量工程训练教学体系

测量实践育人体系有“三个面向”的特点，分别为面向不同层次、面向不同专业背景、面向不同工种模块，以学生为中心，学生可以根据自身特点和专业背景需求，自主选择相应的测量实践教学模块，更具有科学性。

结合各工种的实际情况，可以深化测量教学内容的挖掘，开设有针对性的测量实践项目，如图2所示。结合学生的需求和兴趣可以开设综合检测实践项目，比如利用逆向测量技术的文创作品的开发。各工种间的串联可以利用反求技术或者验证性实验的方法来实现，以丰富测量教学内容。

图2 现代测量实践项目

3.3 教学方法的探索与实践

受检测仪器设备台套数的限制，实践教学采用分组制。建立问题导向、项目导向、任务导向的驱动模式：以提出问题和派发测量任务为实施方式，启发学生思考，让学生采用合适的测量仪器、测量方法完成测量过程，培养学生分析问题、思考问题和解决问题的能力，培养学生的团队合作精神和创新设计能力。利用多媒体、虚拟仿真技术等多种手段丰富教学资源，弥补测量设备台（套）数不足的问题，为学生提供更全面的实践环境，提升实践教学质量。授课团队采用多教师形式，各工种教师合作辅导学生的实践过程，充分实现多学科交叉，提升实践教学效果。

3.4 多维度综合考核

建立多维度的综合考核评价体系，以小组为单位对学生进行考核，注重对其实训过程、操作技能和创新能力的考核，从课前预习、上课表现、练习过程、测量报告完成情况、量具和设备的维护等多个方面进行评价。将“德智劳”融入考核体系，体现在课前、课中和课后全过程。通过对预习准入、课堂操作、实习报告的过程考核，实现安全教育、实验实践基本素质、工程实践能力、劳动态度、精益求精的工匠精神等重点课程的培养目标。

3.5 现代测量实训项目的开发范例：面向艺术的测量实训项目

现代测量实训教学内容除了扫盲性的基础模块、专业性更强的进阶模块之外，还可以结合各工种开设创新应用模块，开发有特色的综合测量实践项目。综合测量实践项目的课时可以设置为4 ～16课时，课时选择更加自由，从而解决测量设备台（套）数不足的问题。面向艺术的现代测量实训可以开设针对陶艺、雕塑、木艺、书法等人文艺术方向的实践训练项目。结合本中心陶瓷制造模块、3D 打印模块，可开设具有艺术特色的测量实践项目，面向工程训练学生，尤其适合对人文艺术感兴趣的各专业学生。

针对陶瓷作品的特点，可以开设如下测量实践项目。

1）基本尺寸测量。用通用量具测量陶瓷作品烧制前后的基本尺寸，计算收缩率，学生在实践测量操作的同时，可以更深刻地感受陶瓷材料的特性。

2）粗糙度测量。粗糙度属于表面质量的一种指标，让学生进行粗糙度测量训练，可以使其更直观地感受粗糙度，加深理解，并了解不同加工过程对产品表面粗糙度的影响。可选择一些不同的陶瓷样片（例如陶泥的、瓷泥的、绘了釉下彩的、施了釉的等等）、金属加工样件等，提供不同规格的砂纸，让学生用电动轮廓仪进行粗糙度测量实践，另有粗糙度样板供学生进行目视测量，让学生进行不同测量方法的实践。

3）显微维氏硬度测量。除了不同釉料的陶瓷样片之外，还可提供铝合金样件、钢件等供学生测量，让学生在学会硬度测量的原理、掌握操作方法的同时，不仅对硬度的概念有更深刻直观的了解，还加深对陶瓷等工程材料性能的理解。

4）三坐标测量。三坐标测量机已成为复杂的精密机械零件形位误差检测及评定的重要仪器。它可以快速精确地检测出机械零件的形位误差。陶瓷制作实践课程中，拉坯成型环节和泥板成型环节中的作品检测和学生技能的考查可由三坐标测量机实现。拉坯成型的作品多为各种回转体作品，对拉坯和修坯技艺的考查可以通过考查作品的圆度以及厚度来实现。如果作品比较均匀对称，则作品圆周方向上的坯体厚度应当一致，圆度应当比较小，从而将对成型技艺的考查变为可量化的。泥板作品的质量也可通过平面度、垂直度等形位公差表现出来，用三坐标测量机可以快速地实现。学生的实践作品的质量和操作技法可以采用更多的量化考核方式，这有利于培养学生精益求精的工匠精神。

5）逆向测量。可以获取学生的艺术创作品（例如手捏陶瓷作品）或者生活中的实体的外形轮廓信息，得到点云数据，经过数据处理可以得到三维模型，学生可以此三维模型作为基础进行再设计，后续可以结合3D 打印技术或激光内雕技术等加工作品，从而实现复制、衍生以及创新创作。本文以手捏陶瓷小泥人为例，采用非接触式测量方法对模型进行扫描和建模，得到计算机三维模型。

面向艺术的测量实践不仅能让学生掌握现代测量方法，还能提升其学习兴趣，实现多学科交叉、多材料交叉，提升学生的创新应用能力和综合实践能力。

4 结束语

面对新工科系统级工程能力人才培养的需求，我们针对现代测量技术在工程训练教学体系中全面落地的问题，搭建现代测量工程训练教学体系，对现代测量工程训练教学建设的内容和方法进行探讨并实践，同时充分利用测量实验室现有的教学资源，以“单点提升，串联综合”的具体实施方式，将现代测量技术更全面、紧密地渗透进工程训练教学体系中，为高校开展现代测量教学和多学科交叉提供了新思路。后续我们会从加强校企联合、建立虚拟仿真实验室、加强网上资源建设、加强教师团队建设等方面提升现代测量实训能力。