精密儀器設(shè)計實驗教學(xué)改革探討

精密儀器設(shè)計實驗教學(xué)改革探討精密儀器設(shè)計實驗教學(xué)改革探討

Reformonexperimentteachingindesignofprecisioninstruments

WuShilin，ZhangQi，XiongJiulong

NationalUniversityofDefenseTechnology，Changsha，410073，China

Abstract：Thecontentsandtheexperimentitemsofdesignofprecisioninstrumentsareintroduced，andseveralproblemsthatappearintheexperimentteachingprocessareanalyzed.Teachingreformmeasureisputforward，inordertoimprovetheteachingeffect.

Keywords：designofprecisioninstruments；experiment；teachingreform

課內(nèi)實驗作為實踐教學(xué)的一局部，不但有助于學(xué)生加深對課內(nèi)知識的理解，同時也有助于教師及時發(fā)現(xiàn)學(xué)生在學(xué)習(xí)中存在的問題，便于“對癥下藥〞并改良教學(xué)。因此，課內(nèi)實驗對提高教學(xué)質(zhì)量起著非常重要的作用。精密儀器設(shè)計課程融合了光電、機械、電工電子、計算機多學(xué)科知識，波及的知識點多，難理解的問題也多。因此，其實踐教學(xué)的意義更為突出，合理設(shè)置課內(nèi)實驗尤為重要。

1精密儀器設(shè)計教學(xué)內(nèi)容

精密儀器設(shè)計是測控技術(shù)與儀器專業(yè)的一門專業(yè)必修課，是一門綜合性、實踐性很強的課程。該課程的教學(xué)目的是讓學(xué)生學(xué)會綜合運用測控技術(shù)與儀器專業(yè)所學(xué)的測控、機械、電工電子和計算機四大系列根底課程的知識。課程重點講授下列內(nèi)容：

〔1〕精密儀器的總體設(shè)計。內(nèi)容包括設(shè)計任務(wù)分析、工作原理選擇、結(jié)構(gòu)參數(shù)和技術(shù)指標確實定、造型設(shè)計以及總體設(shè)計中要遵守的設(shè)計原那么和設(shè)計原理。

〔2〕精密儀器各分系統(tǒng)設(shè)計。內(nèi)容包括光電系統(tǒng)設(shè)計、機械系統(tǒng)設(shè)計、電路系統(tǒng)設(shè)計、軟件系統(tǒng)設(shè)計四大局部。具體波及各分系統(tǒng)組成、作用、設(shè)計要求、設(shè)計準那么及設(shè)計要點等。

〔3〕精密儀器精度理論。儀器設(shè)計需要到達一定的技術(shù)指標要求，精度是其中最關(guān)鍵的技術(shù)指標。精度理論主要內(nèi)容包括儀器誤差來源、儀器誤差的分析、儀器誤差的綜合、儀器精度設(shè)計等。

〔4〕精密儀器可靠性設(shè)計?？煽啃?，是指產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力?？煽啃栽O(shè)計主要內(nèi)容包括儀器可靠性建模、可靠性預(yù)測、可靠性分配、提高儀器可靠性的技術(shù)措施等。

2精密儀器設(shè)計課內(nèi)實驗設(shè)置情況及存在的問題分析

2.1精密儀器設(shè)計課內(nèi)實驗設(shè)置情況

2.1.1教學(xué)目的

使學(xué)生更深刻地理解和掌握精密儀器的根本結(jié)構(gòu)、工作原理、主要技術(shù)和設(shè)計辦法，培養(yǎng)和提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力。

2.1.2教學(xué)要求

〔1〕了解精密儀器中機械系統(tǒng)的工作原理及主要結(jié)構(gòu)。

〔2〕掌握低噪聲電路設(shè)計辦法，完成一種低噪聲電路的設(shè)計與制作。

〔3〕掌握儀器電路系統(tǒng)的設(shè)計辦法，采用單片機系統(tǒng)實現(xiàn)步進電動機的運動控制。

〔4〕掌握儀器軟件系統(tǒng)設(shè)計辦法，實現(xiàn)步進電動機運動參數(shù)采集系統(tǒng)處理算法。

〔5〕掌握光機電一體化的精密儀器的設(shè)計辦法，完成精密儀器的總體設(shè)計。

2.1.3教學(xué)內(nèi)容

實驗1：精密儀器系統(tǒng)總體設(shè)計〔必做〕

內(nèi)容提要：完成一種儀器總體設(shè)計。題目任選，示例：

〔1〕便攜式近紅外光譜儀器總體設(shè)計

〔2〕便攜式波形發(fā)生器總體設(shè)計

〔3〕體溫及心率動態(tài)監(jiān)護儀總體設(shè)計

〔4〕電子秤總體設(shè)計

實驗類型：設(shè)計

學(xué)時分配：2

主要儀器設(shè)備：計算機、投影儀

實驗地點：教室或?qū)嶒炇?/p>

備注：課外利用4～6學(xué)時完成設(shè)計，課上進行總體計劃論證辯論

實驗2：低噪聲電路設(shè)計〔必做〕

內(nèi)容提要：任選其一

〔1〕低噪聲前置放大電路的設(shè)計、制作及評價

〔2〕低噪聲差動放大電路的設(shè)計、制作及評價

實驗類型：設(shè)計

學(xué)時分配：2

主要儀器設(shè)備：具有噪聲測量功能的鎖相放大器、晶體管交流毫伏表、示波器、信號源

實驗地點：實驗室

備注：課外利用2～4學(xué)時完成設(shè)計，課上焊接電路、調(diào)試

實驗3：步進電動機控制系統(tǒng)設(shè)計〔選作〕

內(nèi)容提要：實現(xiàn)步進電動機轉(zhuǎn)角、速度、方向、定位的控制

實驗類型：設(shè)計

學(xué)時分配：2

主要儀器設(shè)備：單片機開發(fā)系統(tǒng)、步進電動機

實驗地點：實驗室

備注：課外利用2～4學(xué)時完成設(shè)計，課上焊接電路、調(diào)試系統(tǒng)

實驗4：步進電動機運動參數(shù)采集系統(tǒng)處理算法設(shè)計〔必做〕

內(nèi)容提要：實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對步進電動機轉(zhuǎn)角、速度、方向、定位等參數(shù)的數(shù)據(jù)處理算法

實驗類型：設(shè)計

學(xué)時分配：2主要儀器設(shè)備：計算機

實驗地點：實驗室

備注：課外利用2～4學(xué)時完成設(shè)計，課上完成軟件調(diào)試

2.2存在的問題分析

教學(xué)實踐證明，以上課內(nèi)實驗設(shè)置存在下列幾方面的問題：

〔1〕學(xué)時緊張導(dǎo)致教學(xué)效果達不到預(yù)期

精密儀器設(shè)計課內(nèi)實驗要求學(xué)生利用課外時間完成設(shè)計，而學(xué)生進行課內(nèi)實驗時正處在緊張的考研復(fù)習(xí)階段，能保證課上認真實驗已是不錯了，課外準備時間基本無法保證，因此，所設(shè)實驗均不能按大綱規(guī)定保質(zhì)保量完成，從而很難到達預(yù)期的教學(xué)效果。

〔2〕不足具體應(yīng)用背景導(dǎo)致實驗特色不突出

由實驗內(nèi)容可以看出，實驗2～4均是相對單一的、針對某一知識點設(shè)立的，實驗未結(jié)合具體的儀器進行，總體上感覺與精密儀器設(shè)計關(guān)系不密切，實驗2更像是電子技術(shù)相關(guān)課程的實驗，實驗3和4更像是機械項目類課程的實驗，沒有鮮明的儀器特色。

〔3〕實驗內(nèi)容要求與課程內(nèi)涵結(jié)合不緊密

除實驗1波及儀器總體設(shè)計的知識點外，實驗2～4的要求不能明確反映課程內(nèi)涵要求，精密儀器設(shè)計的精華內(nèi)容，主要是總體設(shè)計、精度理論及可靠性設(shè)計。精度理論和可靠性設(shè)計如何落實，應(yīng)該在各分系統(tǒng)設(shè)計中予以考慮。實驗2～4是對儀器電路系統(tǒng)、機械系統(tǒng)及軟件系統(tǒng)知識點的落實，但并未從精密儀器的角度予以強調(diào)，未突出精密儀器設(shè)計中的精度問題及可靠性問題，而僅僅從儀器根本功能實現(xiàn)的角度設(shè)立，因此與課程的內(nèi)涵結(jié)合不緊密。

〔4〕系統(tǒng)性不強，實踐驗證欠缺

實驗1波及儀器總體設(shè)計內(nèi)容，但僅要求學(xué)生完成總體設(shè)計，然后在課堂上進行總體計劃的論證辯論。學(xué)生僅從理論上對總體計劃進行了探索，并未進行實踐操作與驗證，理論脫離實際，該實驗的設(shè)置違背了課內(nèi)實驗的初衷。

此外，4個實驗間關(guān)聯(lián)不強，互相脫節(jié)，不足系統(tǒng)性，不利于學(xué)生對精密儀器設(shè)計知識體系的系統(tǒng)學(xué)習(xí)。

3實驗教學(xué)改革的初步思路與擬設(shè)實驗工程

3.1實驗教學(xué)改革的初步思路

課內(nèi)實驗主要針對課程內(nèi)容中抽象、艱深而適合通過實驗解釋的局部開設(shè)，一般穿插在理論教學(xué)期間，對切實提高教學(xué)質(zhì)量起著重要作用，這也是其他實踐教學(xué)伎倆難以比較的。精密儀器設(shè)計課程課內(nèi)實驗的開設(shè)面臨兩個主要難點：一是實驗點設(shè)置較難，如何合理選擇實驗知識點，對取得最正確的教學(xué)效果、突出課程特色、緊扣學(xué)科內(nèi)涵至關(guān)重要；二是實驗點設(shè)置之后，實驗的具體實施較難，包括實驗設(shè)備配置、實驗難易程度的把控及實驗過程的輔導(dǎo)等。

根據(jù)目前所開設(shè)實驗現(xiàn)狀及實驗教學(xué)實施過程中發(fā)現(xiàn)的實際問題，筆者對實驗工程設(shè)置進行了大幅度改革。利用8學(xué)時的課內(nèi)實驗課時，僅開設(shè)1個實驗工程：從精密儀器總體設(shè)計的角度，對某一具體的精密儀器進行分析，重點是其各分系統(tǒng)的組成，各分系統(tǒng)是如何保證儀器精度的，儀器的誤差源，儀器的數(shù)據(jù)處理，儀器的可靠性設(shè)計等。這樣，用一個實驗從不同角度對課程知識點進行檢驗，不但不用課外附加學(xué)時，而且能保證學(xué)生理解精密儀器設(shè)計所有知識，且能滿足課程內(nèi)涵的要求。

3.2擬設(shè)實驗工程〔任選其一〕

〔1〕立式光學(xué)計結(jié)構(gòu)原理與調(diào)試

實驗內(nèi)容如下：

①拆分立式光學(xué)計，了解其機械分系統(tǒng)、光學(xué)分系統(tǒng)、電路分系統(tǒng)及軟件分系統(tǒng)的作用與組成，對立式光學(xué)計工作原理進行分析；②根據(jù)其光學(xué)結(jié)構(gòu)分析其放大倍數(shù)；③分析立式光學(xué)計原理誤差產(chǎn)生的原因，通過調(diào)整光學(xué)計結(jié)構(gòu)參數(shù)，對立式光學(xué)計進行原理誤差補償；④用立式光學(xué)計測量某物體高度，正確進行測量標定和數(shù)據(jù)處理；⑤分析如何提高測量精度，保證儀器系統(tǒng)的可靠性。

〔2〕測量顯微鏡結(jié)構(gòu)原理與調(diào)試

實驗內(nèi)容如下：

①用測量顯微鏡測量電路板過孔的直徑尺寸，并給出測量結(jié)果〔D±△D〕；②分析測量顯微鏡的結(jié)構(gòu)和功能，給出該儀器的性能指標，畫出系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)布局圖；③分析測量顯微鏡的誤差來源及其對測量結(jié)果的影響；④設(shè)計一個針對小孔直徑尺寸自動測量的測量顯微鏡的結(jié)構(gòu)，畫出系統(tǒng)框圖、結(jié)構(gòu)布局圖；⑤分析提高測量精度的措施，保證儀器系統(tǒng)可靠性。

〔3〕自選實驗工程

由學(xué)生自己選擇某綜合性精密儀器進行分析，重