科研成果轉化為實驗教學內容的研究與實踐
——以“光學零件的曲率半徑在位檢測”實驗為例

熊玉朋 王建鵬 戴一帆 陳善勇 方劍委

（國防科技大學智能科學學院 湖南·長沙 410073）

2020年全國教育大會之后，教育部迅速出臺了《關于加快建設高水平本科教育、全面提高人才培養(yǎng)能力的意見》和《關于加快建設發(fā)展新工科、實施卓越工程師教育培養(yǎng)計劃2.0的意見》等指導性文件，為各高校工科專業(yè)培養(yǎng)具有國際視野的創(chuàng)新型工程技術人才指明了方向。

《光學與長度計量》是測控技術與儀器專業(yè)任職培訓的一門重要課程，課程采取理論教學和實驗教學相結合的教學形式，肩負著培養(yǎng)學生的系統(tǒng)思維能力、解決問題能力和實踐創(chuàng)新能力的重任。《光學與長度計量》實驗教學是課程教學的重要環(huán)節(jié)，占總課時的1/3，內容設置上注重將光學與長度計量領域的前沿科研成果滲透到課程內容中去，盡量反映光學與長度計量領域發(fā)展的成果，并結合各種具體的應用技術增加綜合設計性、研究性和創(chuàng)新性的實驗內容，探索教學與科研相結合，讓學生能夠學到更多、更新的實驗技能，培養(yǎng)學生獨立解決測量問題的能力。

按照上述理念，結合實驗室在光學與長度計量領域的科研優(yōu)勢，將“復雜曲面光學零件超精密加工與在位檢測關鍵技術研究”的相關的科研成果轉為“光學零件的曲率半徑在位檢測”實驗，收到較好的教學效果。

1 科研情況簡介

超精密加工技術實驗室現(xiàn)為湖南省重點實驗室，其起源于1979年錢學森先生倡導下創(chuàng)建的機械學科。精密工程團隊先后參與了高分、02等國家重大專項，在超精密加工和測量等領域創(chuàng)造了中國精度，重點研究了光學零件現(xiàn)代制造裝備和工藝，建立跨尺度零件納米精度制造的數(shù)字化創(chuàng)新理論和方法。目前已經(jīng)取得了以國家技術發(fā)明二等獎1項、軍隊科技進步一等獎1項、湖南省科技進步一等獎1項、省部級二等獎2項等為代表的一系列高水平研究成果。實驗室同時也是國防科技大學光學與長度計量實驗室，擁有諸如原子力顯微鏡、白光干涉儀、各類型激光干涉儀等先進的光學測量儀器，具備較好的實驗條件,豐富的學術資源,為科研成果轉化為實驗教學提供了基礎條件。

2 科研成果向實驗教學資源的轉化實踐

2.1 科研成果轉化背景

曲率半徑是光學零件的核心參數(shù)之一，是影響光學成像系統(tǒng)性能的重要指標，是測控技術與儀器專業(yè)必須認識和掌握的計量方法之一。在以往的實驗教學的過程中，針對光學零件曲率半徑測量一般采用球徑儀測量的方法，盡管可以使學生對曲率半徑的測量方法有一定的認識，但實驗教學資源在綜合性、先進性和前沿性以及與實際生產(chǎn)的貼近程度上存在較大的差距，難以激發(fā)和培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。

圖1：傳統(tǒng)的球徑儀測曲率半徑方法

本團隊在進行“復雜曲面光學零件超精密加工與在位檢測關鍵技術研究”項目研究的過程中發(fā)現(xiàn)對于高形位精度要求的復雜曲面光學零件而言，傳統(tǒng)的離線檢測方法無法評估裝夾應力的誤差影響，且補償加工時反復裝夾帶來的定位誤差也難以消除，這些因素均不利于光學零件的精度提升，本團隊采取了基于計算全息元件的在位干涉檢測方法，有效地解決了復雜曲面光學零件的高精度制造與檢測問題，相關成果發(fā)表SCI論文3篇，并申請國家發(fā)明專利1項。

圖2：光學零件曲率半徑在位檢測方法

為了進一步提升測控技術與儀器專業(yè)實驗教學的前沿性和創(chuàng)新性，使學生了解和掌握在位干涉測量的基本方法，開發(fā)了“光學零件的曲率半徑在位檢測”實驗教學項目，用以提高學生的創(chuàng)新思維能力、動手操作能力和研究探索能力。

2.2 實驗設計思路

為了使“光學零件的曲率半徑在位檢測”實驗教學項目更加適合本科生來完成，在成果轉化的過程中我們注意解決了一下幾個問題，形成了實驗指導書。

2.2.1 分析實驗教學目的

將科研成果轉化為“光學零件的曲率半徑在位檢測”教學實驗的目的在于使學員掌握曲率半徑在位干涉測量的基本原理，了解在位檢測方法與球徑儀檢測方法的區(qū)別，了解在位檢測方法相比于離線檢測在實際生產(chǎn)中的優(yōu)勢。

2.2.2 降低科研實驗難度

基于計算全息元件的在位干涉檢測方法適用于自由曲面光學零件等各類型復雜曲面光學元件的檢測，內容涉及包括衍射光學和補償檢測等難度較大的理論方法，學生掌握難度較大，不適合直接作為實驗教學項目。因此，我們將科研項目中針對的自由曲面光學元件改成球面光學元件，球面光學元件的曲率半徑的在位干涉檢測相對簡單，只需要利用帶球面鏡頭的干涉儀即可完成，不需要計算全息補償光學元件，避免使學生陷入衍射光學元件的復雜理論，而將學生的關注點轉向在位測量的物理思想和實踐實施上。

2.2.3 兼顧安全可操作性

光學零件的曲率半徑在位檢測是在超精密車削機床上進行的，涉及機床操作、循環(huán)冷卻等諸多不安全因素，必須高度重視實驗教學的安全性，本實驗項目在操作安全的基礎上進行了適當?shù)暮喕捅Ｗo性處理，只需學生操控機床沿Z軸運動，無需進行其它復雜操作。

2.3 實驗具體實施

實驗采取實驗小組的形式組織，學生每3-4人為一組，待測球面為凹球面，具體的實驗實施過程如下：

2.3.1 球徑儀法測量曲率半徑

每組學員先利用球徑儀測量曲率半徑的方法測量凹球面的曲率半徑，得到該方法下凹球面的曲率半徑值。

2.3.2 選擇干涉儀球面鏡頭

根據(jù)已知的凹球面口徑和上述測得凹球面的曲率半徑值R0，根據(jù)R0選擇合適的干涉儀球面鏡頭。

2.3.3 搭建測量光路

裝上合適f數(shù)的球面鏡頭，裝好待測凹球面，在機床上搭建在位干涉測量系統(tǒng)。

2.3.4 記錄零條紋位置

打開干涉儀，通過超精密車床沿Z軸的移動找到干涉圖案為零條紋的位置，記錄此時超精密車床Z軸的位置坐標Z0。

2.3.5 記錄貓眼位置

按照0.2 m的移動間隔沿Z軸繼續(xù)向前移動Z軸，在此找到干涉圖案為零條紋的位置，此處為凹球面的貓眼位置，記錄此時超精密車床Z軸的位置坐標Z1。

2.3.6 數(shù)據(jù)處理與結果分析

計算超精密車床Z軸的坐標差Z1-Z0即為凹球面的曲率半徑R，與球徑儀的測量結果進行對比分析，形成實驗報告。

3 教學效果

目前“光學零件的曲率半徑在位檢測”等系列科研成果轉化的實驗教學項目已經(jīng)進行了2個學年的課程實踐，各實驗小組在實驗過程中能夠獨立完成實驗操作過程，整理處理實驗數(shù)據(jù)并形成實驗報告。通過隨堂交流、課后訪談和學生評教的結果發(fā)現(xiàn)，學生們普遍認為“光學零件的曲率半徑在位檢測”實驗教學項目給他們創(chuàng)造了親自參與研究性的科研過程，充分地將《光學與長度計量》的理論知識運用到實驗設計、實驗實施和數(shù)據(jù)處理等多個過程中，并體驗了光學零件加工和檢測的具體過程，感覺學有所用，極大地調動了學生學習的主動性。在該項目的基礎上，教學團隊獲批學校教學成果培育項目1項，另有4名學生申報了學校創(chuàng)新訓練項目1項，他們希望通過創(chuàng)新訓練項目的研究，能夠在本科階段發(fā)表高水平學術論文或者申請國家發(fā)明專利。

4 結語

本文介紹了將科研成果轉化為“光學零件的曲率半徑在位檢測”的實驗教學資源的過程，實現(xiàn)了科研與教學的相互促進，提升了學生的綜合素質和動手能力，增強了學生的學習興趣。該實驗教學項目的設計過程對于其它科研成果向實驗教學內容的轉化提供了有益借鑒，在今后的教學工作中，《光學與長度計量》將繼續(xù)以科教融合的建設理念為引領，將更多、更新鮮和更高質量的科研成果轉化為教學資源融入課程體系，協(xié)同推進教學科研的同頻共振，進一步提升教學和人才培養(yǎng)質量。