基于启发式教学的三坐标测量机应用课程的教学研究

梁强 马斌 王敬

【摘 要】以重庆工商大学三坐标测量课程为例，探讨基于启发式教学的应用课程教学模式研究。首先，从三坐标测量课程方案设计着手，阐述了三坐标测量课程的建设、实践与探索。其次，针对过往课堂中反映出的问题，提出了基于启发式教学模式的优化方案，形成一套具有综合性、创新性和开放性的实践应用型实验课程体系。实践表明，启发式教学模式能有效提高学生的创新应用和工程实践能力。

【关键词】三坐标测量机;启发式教学;工程训练

中图分类号： TH721文献标识码： A 文章编号： 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

三坐標测量机作为现代几何测量技术的代表，其具有功能强大、精度高、效率高、通用性强、能与柔性制造系统进行集成的优点，因此在制造业中称之为“测量中心”[1-2]。随着现代化检测技术的快速发展及检测设备的日益更新，高校传统的检测仪器已经不能满足现代企业对精密、快速和智能检测的要求。如何通过引入新型智能化精密检测设备以改进现有教学方式已成为当今实验教学改革的一项重要课题[3-4]。

当前，国内高校的机械、材料等专业均开设了互换性与测量技术或几何量公差与检测相关的课程，同时也开设了配套的实验课程，两者相互补充和促进，受到了学生的欢迎。但是相关实验课程的配置只考虑课堂讲授知识的单点应用，实验设备较传统，配备三坐标测量机的高校主要以演示性实验为主，对工程能力的培养尚为缺乏[5]。因此在进行课程建设时，应兼顾学生兴趣和学生的工程能力、研究意识和创新意识的培养。本文以重庆工商大学三坐标测量机应用课程为例，分析三坐标测量机测量功能的特点，提出了教学任务驱动、辅助引导式并存的启发式教学模式，探索三坐标测量机应用综合课程的开展。

1 课程的设计理念

三坐标测量机应用课程作为几何量公差与检测的配套实验课程，以辅助学生理解几何量公差及检测方法为基本目标，通过结合工程制图及配套的减速器测绘、机械原理及配套机构运动课程设计、机械设计及配套的减速器设计和机械制造技术基础及配套的机械夹具课程设计等课程内容，以培养学生综合运用相关专业知识和全面训练学生的实验技能。教学内容根据难易和复杂程度分为8个模块，将课程设计为理论基础充实，实践丰富充分，学生自主实践为主导、教师有效参与为辅助的启发式教学新模式。

2 课程的设计内容

2.1 课程方案设计

三坐标测量机是将被测零件放入它允许的测量空间，通过机器运动带动传感器精密的获得被测元素上各点的XYZ坐标值，采用最小二乘法或其他算法，拟合形成相关几何测量元素，如直线、点、圆、圆柱、曲面等，经过数学计算得到尺寸、形位公差及其他几何量数据[6-7]。精密检测属于国家重点发展的高端装备制造业中的重要领域[8]。因为，为了适应社会对高素质和强技能人才的需求，培养具有职业核心能力和社会竞争力的学生，课程设计了8个模块的项目内容，通过由浅入深的课程设计，让学生逐步领悟三坐标测量的原理和方法、夯实几何量公差与检测部分的基础知识、扩展学生对专业方向的视野、扩大学生的专业知识面。具体的课程内容如下表1所示。最后一个模块为综合实践模块，学生随机选择典型机械零件完成手动和自动测量，输出检测报告并综合判断该零件是否为合格产品。

表1 三坐标综合实验方案

2.2 课程内容设计

课程内容由浅入深划分为8个模块，模块1-7为基础模块，模块8为综合实践。各模块对应不同的知识要求且相互联系，使知识点能够串连，并通过最后的综合实践模块，使学生对三坐标测量有一个完整直观的理解。各模块对应具体的课程内容如下：

（1）模块1——几何量公差与检测知识回顾。该模块分为两部分，第一部分通过课堂集中学习的方式对几何量与检测的知识进行回顾，知识点主要集中在几何量测量基础和几何公差与误差检测，结合实际测量案例，使学生快速熟悉测量的组成要素、测量误差概念、来源和分类、零件的几何形状要素、形位公差代号、分类和公差原则等基础知识点。第二部分进行学生分组和实验任务布置，分组采用自由分组原则，每组人数5-6名，实验任务通过分发实验手册进行布置，保证每位学生均明确实验要求。

（2）模块2——三坐标测量机原理及维护。基于三坐标测量机展览板，讲解三坐标测量机的分类、常见结构形式;基于三坐标测量机实体，讲解三坐标测量机原理、系统组成、主机结构及控制系统;基于精密检测实验室，讲解三坐标测量机的日常维护、开关机要求和工作环境要求。

（3）模块3——三坐标测量机测头校验和坐标系建立。基于三坐标测量机实际操作，讲解测头校验的目的、测头补偿的概念和测头安装及测头文件的添加，并指导学生上机进行测头校验操作。测头校验完成后，讲解三坐标测量机零件坐标系的概念和零件坐标系建立的方法（包括手动建立坐标系和自动建立坐标系），指导学生上机进行两种坐标系的建立。

（4）模块4——手动检测零件特征元素。以Hexagon公司提供的模型为教具，建立该零件坐标系，通过手柄操作，对简单的特征进行几何尺寸的测量。指导学生进行上机操作，较熟练的掌握零件坐标系建立和手动进行几何尺寸的测量。

（5）模块5——三坐标测量元素特征构造。手动模式下，分别建立点、直线、平面、圆、椭圆、圆槽、圆柱、圆锥和球体特征。自动模式下，基于hexagon三坐标测量软件PC-DIMS，分别建立点、直线、平面、圆、椭圆、圆槽、圆柱、圆锥和球体特征。指导学生在机房使用脱机版软件进行模拟操作，熟悉不同特征的构造方式。

（6）模块6——形位公差的评价及测量报告输出。三坐标测量机可用于形状误差、位置误差和尺寸误差进行评价，导入某教学模块后，分别对形状误差（直线度、平面度、圆度、圆柱度、线轮廓度、面轮廓度）、位置误差（平行度、垂直度、倾斜度、同心度、同轴度、对称度、位置度、圆跳动、全跳动）、尺寸误差（位置、夹角、距离）一一进行操作演示，最后将检测结果以报告形式输出，包括模板输出和自定义输出。

（7）模块7——自动编程策略及要点。基于PC-DIMS软件，以某CAD模型为案例，进行自动测量程序段编制和调试，并对程序段进行简单优化。指导学生使用脱机版软件进行模拟操作。

（8）模块8——典型零部件三坐标测量及报告输出。学生以小组形式随机选取典型零件后进行三坐标检测，需要完成测头校验、零件坐标系建立、手动测量和自动测量，检测结果以测量报告形式输出。测量报告作为小组考核成绩，结合学生平时成绩进行综合打分作为该实验课程的最终成绩。

2.3 实验效果

上述8个模块按照知识难易逐渐递进，最后一个模块为综合应用模块，学生将几何量公差与检测知识与三坐标测量技术有机的联系起来，不仅掌握了现代先进检测设备的使用，又加深了课堂理论知识，学与用相互促进，提高学生知识转化率，对提高学生的工程实践能力起到有益的促进作用。

3 综合项目的开发与探索

上述8个模块虽然已经在实际教学过程中取得了较好的教学效果，但是各个模块间仍存在较大的优化空间，存在3个较突出问题：教师讲授时间较多而学生上机操作或模拟操作时间较短、课程针对性较强而与其他专业课程关联度不够、课堂气氛不够活跃并且参与度需要加强。为了改善以上问题，学院近期对课程内容进行了优化和改进，保证学时不变的前提下，开发全新的启发式教学模式以激发学生参与热情、完善优化教学内容，从教师和学生的反馈情况来看效果达到了预期。模块内容调整见表2所示。

三坐标综合实验方案的修订主要集中在以下几个方面：1）将原课堂授课的基础知识和任务布置通过在线学习平台和虚拟仿真平台提前发布，并及时访问后台通知学生完成该部分的学习。2）合并手动检测零件特征元素和特征元素的构造为零件手动测量，整合难度较低的内容。3）增加零件自动测量实训，该部分为实际应用较多的部分，教师演示后学生进行脱机实操，充分利用教师与学生、学生与学生间的互动，启发学生思维，让学生通过动手操作理解三坐标测量的知识内涵。4）将原典型零件检测修订整合为综合项目实训，该实训分为零件制造和零件检测两部分，学生以组为单位，通过组内讨论和分析、教师的研判和指导，制订该零件的制造工艺并由学生自主完成零件制造，这一过程充分融合了多门课程和金工实习的知识，通过创造性的启发，大大提高了教学内容的灵活性;零件检测同样由小组讨论分析，通过学生自主的进行测头选择及加载、坐标系建立、自动测量程序编制及模拟运行，达到调动学生积极性、主动性和创造性，最后联机实测，输出检测报告并分析零件制造误差，激发学生的工程意识和创新意识，同时使学生对零件制造与检测知识有一个更深刻的理解。图1所示为学生使用三坐标测量机进行某减速器输入轴的综合实训。

学生通过搭建好的三坐标测量课程体系，由浅入深的学习和实践，深入学习了三坐标测量技术。学生完成了图纸设计、零件制造、程序编写和三坐标测量，学生为主体，教师启发式教学，将工程制图、几何量公差与检测和机械制造技术基础等课程有机结合起来形成一个系统的实训项目，完成一套从图纸到零件制造再到零件检测的完整机械加工流程，是对学生实验技能的进一步提升和相关专业知识的综合应用，对培养高素质、强能力、应用型人才具有一定的指导意义[9]。

4 结束语

三坐标测量作为现代几何检测的重要方式之一，已成为常规的几何检测工具。综合分析我校目前三坐标测量实验课程存在的问题，重新组合优化了各模块内容，通过引入启发式、案例式、头脑风暴等教学新模式，并应用建成的在线教学平台和虚拟仿真平台等在线平台，调动学生的积极性，提高学生的参与度，灵活高效的完成相关教学内容。同时，综合实训项目的优化更是对三坐标测量课程的一个强化和升华，对于巩固学生的理论知识，提高学生的工程实践能力和就业竞争力起到了积极作用，符合学校工科专业高素质、强能力、应用型人才培养体系的要求。

【参考文献】

[1]郑堤，邵国栋.三坐标测量机与柔性制造系统的集成[J]. 吉林工业大学自然科学学报，1997（1）：33-38.

[2]孔庆玲，李宗山，肖志勇.浅析三坐标测量机的使用与维护[J].科技创业家，2013（1）：94-94.

[3]林祖胜，兰靛靛，柯晓龙，等.基于三坐标测量机的综合性实验设计与实践[J].实验室科学，2015，18（6）：33-35.

[4]杨雪荣，成思源，马登富，等.基于三坐标测量机实验教学的探索与实践[J].实验室研究与探索，2011，30（11）：112-115.

[5]陆春元.简易三坐标测量机的设计[J].实验技术与管理， 2010，27（12）：101-103.

[6]郑春龙，邵红艳，钟振余，等.创新性开放实验项目建设的探索与实践[J].实验室研究与探索，2009，28（10）：17-20.

[7]林祖胜，廖文海.充分运用三坐标测量机促进应用型创新人才培养[J].实验科学与技术，2015，13（5）：182-185.

[8]李鵬，林迎星.高端装备制造业技术创新效率评价指标体系的构建[J].科技和产业，2013，13（7）：66-68.

[9]谭金铃.基于启发式教学的激光加工技术课程教学研究[J].高教学刊，2018，No.87（15）：97-99.