儀器類專業機械課程教材新模式研究

王麗杰 殷金英 劉 博 秦 勇 羅中明

(哈爾濱理工大學 測控技術與通信工程學院， 哈爾濱 150080)

現階段，“互聯網+”還處于初級階段，各領域對其研究還在不斷地嘗試與探索[1]。近年來，隨著“互聯網+”的快速發展，教育已成為其中的一個加數。本文嘗試將“互聯網+”與高等院校理工科機械類教學融合，通過創新讓這個“+”更具價值及意義。

依托“互聯網+教育”宏觀框架和“大工程觀”的培養模式，本文探討高等院校理工科儀器類專業機械課程教學新模式。選擇理工科院校測控技術與儀器專業“精密機械設計基礎”課程為研究對象，基于國際工程認證體系OBE理念及產出成果導向評價體系，踐行機械設計類課程的優化。采用計算機輔助教學延伸出的3D版教材形式，利用互聯網，借助移動終端APP，基于手機掃碼等展示教學知識的各種形式，如文字、圖片、公式推導、Flash動畫、視頻映像等，進行“精密機械設計基礎”課程的立體化教材建設研究，藉此達到增強學生學習興趣、促進自主學習，提高學習效率的課程建設目標。

1 存在問題及解決方法

上個世紀末，教育部把電子測量儀器、計量儀器、光學儀器等11個儀器儀表類的專業合并調整為“測控技術與儀器”專業。作為儀器類專業的代表，測控專業課程體系一方面涉及機、電、光等多學科；另一方面，沿襲傳統機械工業部所屬高校精密儀器專業的特點，具有鮮明的幾何量精密測量特色。“精密機械設計基礎”課程隸屬于機械系列，作為測控技術與儀器等儀器類專業的構建基礎，是專業特色課程，由多門機械課程壓縮而成，包括“精密機械零件”“工程材料及熱處理”“機械原理”及“幾何量公差與檢測”等。上述專業及課程的調整優化，凸顯了儀器類專業特色，體現了“少而精”原則，但是也在一定程度上導致課程學時及內容很難鋪開。隨著一部分本科生畢業后直接進入企業工作，面臨的項目開發中多含機械設計問題，另一部分在研究生學習階段，也感到沒有一定機械設計的課題或理論基礎研究，會直接導致課題研究中缺乏解決實際工程問題的背景或依托。因此“精密機械設計基礎”課程作為培養工程師的基礎課，在本科教學階段急需優化改進并引起學生重視。

作為儀器類專業課程中的核心，“精密機械設計基礎”課程中零件多、公式多、學習知識點密集且繁瑣費解，但課時少，導致教師授課進度快。另一方面，學生工程實踐經歷少，工程背景知識掌握不足，雖然教師講解盡心盡力，但學生主動學習的意愿不強，課下預習、自主學習、課后復習及課程拓展等做得都很不夠，且主要依賴于聽課堂講授，所以大部分學生盡管掌握了基本概念和原理，但知識點掌握及理解不到位。針對上述問題，本文進行測控專業“精密機械設計基礎”課程教學的持續改進，探討“精密機械設計基礎”課程教學教材新模式、研究3D教材編寫方法，以期進行儀器類專業機械課程工程教育改革，凸顯學生為主體的教學理念。“精密機械設計基礎”課程教學及教材模式示意圖見圖1。

圖1 “精密機械設計基礎”課程教學及教材模式示意圖

通過圖1所示教學改革舉措，將工程實踐中零部件機械傳動過程、儀器運行原理等相關視頻、映像或者動畫演示，通過圖表公式等的二維碼掃碼鏈接傳遞給學生，有助于幫助學生在掌握紙質教材基本課程內容的基礎上進一步了解相關工程知識背景，彌補其由于實際工程經歷不足而造成的對課程知識點理解的不足。從另一層面而言，上述方式也相當于在課程學習過程中引入了信息形式的數字化教具。研究重點將圍繞3D文本教材、公式圖表二維碼設計和用以識別掃描的移動終端APP等多個層面關聯展開。

2 3D文本教材

“精密機械設計基礎”3D教材，首先來源于傳統的以文字為主的印刷教材，其次將學習資源相關信息的鏈接以二維碼的方式存儲、并將二維碼圖片印刷到教材上。相應的學習資源是以網絡存儲服務器為載體、移動設備為播放終端。由于傳統平面教材版面有限，采用移動終端掃描二維碼上網后，教材的信息范圍由線下拓展到線上，這樣，學生就能獲取囊括文字、圖表、視音頻等在內的與課程所學相關的海量信息，滿足有進一步學習意愿的學生對學習在廣度和深度上雙層面的需求。二維碼包含的網絡地址，能夠使得學生或教材用戶無需繁瑣地手動輸入網址，直接便可以直達信息頁面，不僅提高閱讀效率，而且方便快捷。

研究中，教材文本的編寫，主要包括文本知識點的組織、公式和文本插圖的設置展現兩部分。考慮到3D教材模式是基于認知主義學習理論和構建學習主義理論下的、以學生為中心的自主的互動的學習模式，表現在展示形式上就是交互形式的體現。研究中，在闡述教學大綱要求的相關基本知識點的基礎上，輔以適量的公式、表格及二維插圖。根據表述需要，適當增設區別于傳統教材二維插圖的三維立體模型仿真插圖或二維碼掃描標識。

2.1 文本知識點的組織

如前所述，測控專業的“精密機械設計基礎”課程，是由多門課程合并組成。作為測控專業必修的核心課程，該課程一方面要體現現代精密機械設計基礎理論與方法，設置了精密機械設計基礎知識、機械工程常用材料及其熱處理工藝、幾何精度設計、精密機械零件設計等內容，整體知識點比例設置為1:1:2:24。另一方面通過課程設計環節對學生進行實際訓練，加深學生對課程基礎知識的理解和運用。與傳統不同，進入信息化時代的現代精密儀器儀表具有信息化、智能化、集成化的發展趨勢，因此“精密機械設計基礎”課程教材的文本知識設置還囊括了精密機械儀器常用裝置簡介和機械結構計算機輔助設計等內容，這些內容設置為教學自行選修內容。

2.2 公式及文本插圖的設置展現

研究中，基于教材文本的知識組織框架，根據內容編寫及論述需要，采用文本闡述、公式編輯、圖表說明、舉例分析等形式進行系統安排。考慮到精密機械工程實踐背景是引發學生理解障礙的主因之一，通過設置策略性的支架(關聯二維碼)來激發學生學習的興趣，利用印在教材上的二維碼作為媒介或橋梁，鏈接教材與網絡資源。

涉及應用數學或物理背景的運動學、動力學分析等內容，可通過設置在公式或圖表右側的二維碼，掃描鏈接至網絡圖文混排資源、公式推導、動畫映射或視頻等進行延拓性展示。

涉及工程實踐應用背景下的傳動展示或關聯運行等內容，通過設置在二維圖形右側的二維碼，鏈接至網絡資源展示；一些復雜結構的表述，可在簡單二維圖形表述的基礎上，進一步呈現三維立體模型仿真插圖。上述鏈接的掃描識別將通過移動終端及其APP實現。

3 二維碼的生成設計

研究中采用QR二維碼作為3D教材掃描鏈接中間手段[2-3]。研究中分兩種情況解決問題：①對應應用擴展知識利用的現行網絡網頁、數據庫等鏈接公開展示的情況，則利用微信APP小程序解決二維碼生成識讀等功能實現；②對應應用擴展知識使用的自行編寫移動終端APP功能實現的情況，則采用文中所述編碼、解碼等方法實現。

QR碼的生成即其編碼，研究中設置數據分析、數據編碼、糾錯、掩模等步驟完成[4]。編碼正確與否直接決定解碼結果是否可靠，因此數據編碼及其糾錯必不可少，進一步構造信息的最終碼字序列，以矩陣格式進行模塊排列，經交織掩模處理，加入格式和版本信息后即可實現QR碼編碼。圖2為教材圖例加二維碼編排形式圖。

圖2 教材圖例加二維碼編排形式示意圖

QR碼識別首先進行圖像預處理、校正和定位，然后通過深淺模塊識別、版本格式信息確定、恢復數據及糾錯、譯碼后完成。

研究中采用手機自帶圖像傳輸及處理系統進行QR二維碼識別，包括預處理、定位、分塊及解碼等。考慮到手機攝像頭拍攝的多是24位真彩色圖像深度條件下的RGB格式圖片，所以，二維碼圖像預處理需要進行灰度處理、二值化、濾波等。采用加權平均值法進行灰度處理，二值化處理通過自適應動態閾值處理Otsu算法實現，具體來說，就是根據整幅圖像的統計特征來自適應選取閾值，即通過計算像素點和灰度的最大類間方差來作為圖像二值化的閾值[5]。QR碼具有獨立定位功能，通過3個位置探測圖形可快速定位。如果圖像有變或損毀，那么利用定位圖形的輔助信息可幫助再次定位符號、決定圖片旋轉方向以及模塊寬度，從而實現重新定位。校正圖形過程中，通過掃描相鄰的八鄰域方向估值點來確定圖像中心，然后篩選能滿足條件的圖形完成捕獲，有效率能達到99%以上。

4 移動終端APP

移動智能終端選擇Android系統、利用4G或者wifi訪問網絡。移動終端APP設計研究主要包括UI設計、模型優化及展現形式。

精密機械結構零件多、結構復雜，涉及自開發部分的工程背景繁雜多樣，知識點的展現形式設置存在一定難度。研究中，根據精密機械設計基礎的課程特征，采用 SolidWorks軟件設計相應機構立體模型圖，采用Flash軟件制作動畫素材。通過代表性工程示例及相應素材收集集成，制作對應APP拓展知識。

針對教材網絡拓展資源的閱讀需求和師生互動答疑等需求，研究中通過移動端UI設計實現。UI設計的關鍵是APP界面圖標文字按鈕，作為移動端UI設計師涉足的專業領域，初步研究只進行簡單顏色字體版式等設定，重點以解決功能為主，將插圖、公式等與App關聯，通過掃描識別鏈接至播放構件或機構傳動的映像，建立映像模型，確認展示形式，進行模型優化。移動終端APP功能界面見圖3。

(a) 主功能界面

(b) 視頻資源界面圖3 移動終端APP功能界面

研究中，模型建立及優化通過模型數據量和仿真效果優化兩個環節實現：

(1) 模型的數據量優化主要包含剔除重復點、線、面，修復對齊關系，賦予貼圖等。為保證建模的精確度，初次建模采用適合機械類實體建模軟件SolidWorks，二次建模時，將初模導入曲面建模軟件3ds Max中實現數據量的優化。

(2) 仿真效果優化時，調用處理好的模型，以 . FBX 格式導入Unity3D中，進行仿真效果優化。

“精密機械設計基礎”教材編碼、解碼基本功能已經調試完成，涉及具體章節編碼生成及其鏈接需大量時間將于后續進一步完成。目前，以上所述線上線下O2O教學模式已嘗試用于哈爾濱理工大學測控19級教學活動中，課程目標達成度為0.746～0.925。

5 結語

目前，立體化教材在圖書出版行業的應用還沒有形成規模，但其應用前景卻不可低估。通過二維碼掃碼鏈接至移動設備APP資源的形式組建3D教材，可以摒棄傳統教材附帶光盤或者將學習材料放到教育資源平臺上、用電腦下載打開等形式的不便，學生利用手機等移動設備能夠即刻進入資源界面，作業、通勤、吃飯等課余時間隨時隨地都可打開相關資料完成閱讀，拓展學習變得便捷高效。同時，二維碼信息容量大、用其橋連平面教材和網絡，不僅方便實現了閱讀的延展性，而且能夠滿足學生學習閱讀的深度，易于實現分層次教學教改。另一層面而言，利用二維碼掃碼鏈接設置3D教材，還能夠在一定程度上節約紙張，為實現綠色環保、低碳閱讀提供可實現手段。

基于二維碼識別的“精密機械設計基礎”3D教材編寫方法，可為同類機械課程教材的編寫提供參考，并能為“互聯網+”理工科專業課教育提供可實現手段。如果所有的圖書上都印有二維碼，讀者將會習慣使用，如果客戶端操作簡單易行，那么，3D教材極易大范圍應用起來，這將是適應數字信息時代理工科高等教育教學發展趨勢的重要舉措之一。