熊玉朋 王建鵬 戴一帆 陳善勇 方劍委

（國防科技大學(xué)智能科學(xué)學(xué)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(guān)于加快建設(shè)高水平本科教育、全面提高人才培養(yǎng)能力的意見》和《關(guān)于加快建設(shè)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(dǎo)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(shù)人才指明了方向。

《光學(xué)與長度計量》是測控技術(shù)與儀器專業(yè)任職培訓(xùn)的一門重要課程，課程采取理論教學(xué)和實驗教學(xué)相結(jié)合的教學(xué)形式，肩負(fù)著培養(yǎng)學(xué)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?！豆鈱W(xué)與長度計量》實驗教學(xué)是課程教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，占總課時的1/3，內(nèi)容設(shè)置上注重將光學(xué)與長度計量領(lǐng)域的前沿科研成果滲透到課程內(nèi)容中去，盡量反映光學(xué)與長度計量領(lǐng)域發(fā)展的成果，并結(jié)合各種具體的應(yīng)用技術(shù)增加綜合設(shè)計性、研究性和創(chuàng)新性的實驗內(nèi)容，探索教學(xué)與科研相結(jié)合，讓學(xué)生能夠?qū)W到更多、更新的實驗技能，培養(yǎng)學(xué)生獨立解決測量問題的能力。

按照上述理念，結(jié)合實驗室在光學(xué)與長度計量領(lǐng)域的科研優(yōu)勢，將“復(fù)雜曲面光學(xué)零件超精密加工與在位檢測關(guān)鍵技術(shù)研究”的相關(guān)的科研成果轉(zhuǎn)為“光學(xué)零件的曲率半徑在位檢測”實驗，收到較好的教學(xué)效果。

1 科研情況簡介

超精密加工技術(shù)實驗室現(xiàn)為湖南省重點實驗室，其起源于1979年錢學(xué)森先生倡導(dǎo)下創(chuàng)建的機械學(xué)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(lǐng)域創(chuàng)造了中國精度，重點研究了光學(xué)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(shù)發(fā)明二等獎1項、軍隊科技進(jìn)步一等獎1項、湖南省科技進(jìn)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(xué)光學(xué)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(jìn)的光學(xué)測量儀器，具備較好的實驗條件,豐富的學(xué)術(shù)資源,為科研成果轉(zhuǎn)化為實驗教學(xué)提供了基礎(chǔ)條件。

2 科研成果向?qū)嶒灲虒W(xué)資源的轉(zhuǎn)化實踐

2.1 科研成果轉(zhuǎn)化背景

曲率半徑是光學(xué)零件的核心參數(shù)之一，是影響光學(xué)成像系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)，是測控技術(shù)與儀器專業(yè)必須認(rèn)識和掌握的計量方法之一。在以往的實驗教學(xué)的過程中，針對光學(xué)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(xué)生對曲率半徑的測量方法有一定的認(rèn)識，但實驗教學(xué)資源在綜合性、先進(jìn)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(xué)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(jìn)行“復(fù)雜曲面光學(xué)零件超精密加工與在位檢測關(guān)鍵技術(shù)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(fù)雜曲面光學(xué)零件而言，傳統(tǒng)的離線檢測方法無法評估裝夾應(yīng)力的誤差影響，且補償加工時反復(fù)裝夾帶來的定位誤差也難以消除，這些因素均不利于光學(xué)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(fù)雜曲面光學(xué)零件的高精度制造與檢測問題，相關(guān)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(xué)零件曲率半徑在位檢測方法

為了進(jìn)一步提升測控技術(shù)與儀器專業(yè)實驗教學(xué)的前沿性和創(chuàng)新性，使學(xué)生了解和掌握在位干涉測量的基本方法，開發(fā)了“光學(xué)零件的曲率半徑在位檢測”實驗教學(xué)項目，用以提高學(xué)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(shè)計思路

為了使“光學(xué)零件的曲率半徑在位檢測”實驗教學(xué)項目更加適合本科生來完成，在成果轉(zhuǎn)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(dǎo)書。

2.2.1 分析實驗教學(xué)目的

將科研成果轉(zhuǎn)化為“光學(xué)零件的曲率半徑在位檢測”教學(xué)實驗的目的在于使學(xué)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(xué)零件等各類型復(fù)雜曲面光學(xué)元件的檢測，內(nèi)容涉及包括衍射光學(xué)和補償檢測等難度較大的理論方法，學(xué)生掌握難度較大，不適合直接作為實驗教學(xué)項目。因此，我們將科研項目中針對的自由曲面光學(xué)元件改成球面光學(xué)元件，球面光學(xué)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(xué)元件，避免使學(xué)生陷入衍射光學(xué)元件的復(fù)雜理論，而將學(xué)生的關(guān)注點轉(zhuǎn)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(xué)零件的曲率半徑在位檢測是在超精密車削機床上進(jìn)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(xué)的安全性，本實驗項目在操作安全的基礎(chǔ)上進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮喕捅Ｗo(hù)性處理，只需學(xué)生操控機床沿Z軸運動，無需進(jìn)行其它復(fù)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(xué)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(xué)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(biāo)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(biāo)Z1。

2.3.6 數(shù)據(jù)處理與結(jié)果分析

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

3 教學(xué)效果

目前“光學(xué)零件的曲率半徑在位檢測”等系列科研成果轉(zhuǎn)化的實驗教學(xué)項目已經(jīng)進(jìn)行了2個學(xué)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(xué)生評教的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，學(xué)生們普遍認(rèn)為“光學(xué)零件的曲率半徑在位檢測”實驗教學(xué)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(xué)與長度計量》的理論知識運用到實驗設(shè)計、實驗實施和數(shù)據(jù)處理等多個過程中，并體驗了光學(xué)零件加工和檢測的具體過程，感覺學(xué)有所用，極大地調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性。在該項目的基礎(chǔ)上，教學(xué)團隊獲批學(xué)校教學(xué)成果培育項目1項，另有4名學(xué)生申報了學(xué)校創(chuàng)新訓(xùn)練項目1項，他們希望通過創(chuàng)新訓(xùn)練項目的研究，能夠在本科階段發(fā)表高水平學(xué)術(shù)論文或者申請國家發(fā)明專利。

4 結(jié)語

本文介紹了將科研成果轉(zhuǎn)化為“光學(xué)零件的曲率半徑在位檢測”的實驗教學(xué)資源的過程，實現(xiàn)了科研與教學(xué)的相互促進(jìn)，提升了學(xué)生的綜合素質(zhì)和動手能力，增強了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。該實驗教學(xué)項目的設(shè)計過程對于其它科研成果向?qū)嶒灲虒W(xué)內(nèi)容的轉(zhuǎn)化提供了有益借鑒，在今后的教學(xué)工作中，《光學(xué)與長度計量》將繼續(xù)以科教融合的建設(shè)理念為引領(lǐng)，將更多、更新鮮和更高質(zhì)量的科研成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)資源融入課程體系，協(xié)同推進(jìn)教學(xué)科研的同頻共振，進(jìn)一步提升教學(xué)和人才培養(yǎng)質(zhì)量。