科研成果转化为实验教学内容的研究与实践——以“光学零件的曲率半径在位检测”实验为例

熊玉朋 王建鹏 戴一帆 陈善勇 方剑委

（国防科技大学智能科学学院 湖南·长沙 410073）

2020年全国教育大会之后，教育部迅速出台了《关于加快建设高水平本科教育、全面提高人才培养能力的意见》和《关于加快建设发展新工科、实施卓越工程师教育培养计划2.0的意见》等指导性文件，为各高校工科专业培养具有国际视野的创新型工程技术人才指明了方向。

《光学与长度计量》是测控技术与仪器专业任职培训的一门重要课程，课程采取理论教学和实验教学相结合的教学形式，肩负着培养学生的系统思维能力、解决问题能力和实践创新能力的重任。《光学与长度计量》实验教学是课程教学的重要环节，占总课时的1/3，内容设置上注重将光学与长度计量领域的前沿科研成果渗透到课程内容中去，尽量反映光学与长度计量领域发展的成果，并结合各种具体的应用技术增加综合设计性、研究性和创新性的实验内容，探索教学与科研相结合，让学生能够学到更多、更新的实验技能，培养学生独立解决测量问题的能力。

按照上述理念，结合实验室在光学与长度计量领域的科研优势，将“复杂曲面光学零件超精密加工与在位检测关键技术研究”的相关的科研成果转为“光学零件的曲率半径在位检测”实验，收到较好的教学效果。

1 科研情况简介

超精密加工技术实验室现为湖南省重点实验室，其起源于1979年钱学森先生倡导下创建的机械学科。精密工程团队先后参与了高分、02等国家重大专项，在超精密加工和测量等领域创造了中国精度，重点研究了光学零件现代制造装备和工艺，建立跨尺度零件纳米精度制造的数字化创新理论和方法。目前已经取得了以国家技术发明二等奖1项、军队科技进步一等奖1项、湖南省科技进步一等奖1项、省部级二等奖2项等为代表的一系列高水平研究成果。实验室同时也是国防科技大学光学与长度计量实验室，拥有诸如原子力显微镜、白光干涉仪、各类型激光干涉仪等先进的光学测量仪器，具备较好的实验条件,丰富的学术资源,为科研成果转化为实验教学提供了基础条件。

2 科研成果向实验教学资源的转化实践

2.1 科研成果转化背景

曲率半径是光学零件的核心参数之一，是影响光学成像系统性能的重要指标，是测控技术与仪器专业必须认识和掌握的计量方法之一。在以往的实验教学的过程中，针对光学零件曲率半径测量一般采用球径仪测量的方法，尽管可以使学生对曲率半径的测量方法有一定的认识，但实验教学资源在综合性、先进性和前沿性以及与实际生产的贴近程度上存在较大的差距，难以激发和培养学生的创新能力。

图1：传统的球径仪测曲率半径方法

本团队在进行“复杂曲面光学零件超精密加工与在位检测关键技术研究”项目研究的过程中发现对于高形位精度要求的复杂曲面光学零件而言，传统的离线检测方法无法评估装夹应力的误差影响，且补偿加工时反复装夹带来的定位误差也难以消除，这些因素均不利于光学零件的精度提升，本团队采取了基于计算全息元件的在位干涉检测方法，有效地解决了复杂曲面光学零件的高精度制造与检测问题，相关成果发表SCI论文3篇，并申请国家发明专利1项。

图2：光学零件曲率半径在位检测方法

为了进一步提升测控技术与仪器专业实验教学的前沿性和创新性，使学生了解和掌握在位干涉测量的基本方法，开发了“光学零件的曲率半径在位检测”实验教学项目，用以提高学生的创新思维能力、动手操作能力和研究探索能力。

2.2 实验设计思路

为了使“光学零件的曲率半径在位检测”实验教学项目更加适合本科生来完成，在成果转化的过程中我们注意解决了一下几个问题，形成了实验指导书。

2.2.1 分析实验教学目的

将科研成果转化为“光学零件的曲率半径在位检测”教学实验的目的在于使学员掌握曲率半径在位干涉测量的基本原理，了解在位检测方法与球径仪检测方法的区别，了解在位检测方法相比于离线检测在实际生产中的优势。

2.2.2 降低科研实验难度

基于计算全息元件的在位干涉检测方法适用于自由曲面光学零件等各类型复杂曲面光学元件的检测，内容涉及包括衍射光学和补偿检测等难度较大的理论方法，学生掌握难度较大，不适合直接作为实验教学项目。因此，我们将科研项目中针对的自由曲面光学元件改成球面光学元件，球面光学元件的曲率半径的在位干涉检测相对简单，只需要利用带球面镜头的干涉仪即可完成，不需要计算全息补偿光学元件，避免使学生陷入衍射光学元件的复杂理论，而将学生的关注点转向在位测量的物理思想和实践实施上。

2.2.3 兼顾安全可操作性

光学零件的曲率半径在位检测是在超精密车削机床上进行的，涉及机床操作、循环冷却等诸多不安全因素，必须高度重视实验教学的安全性，本实验项目在操作安全的基础上进行了适当的简化和保护性处理，只需学生操控机床沿Z轴运动，无需进行其它复杂操作。

2.3 实验具体实施

实验采取实验小组的形式组织，学生每3-4人为一组，待测球面为凹球面，具体的实验实施过程如下：

2.3.1 球径仪法测量曲率半径

每组学员先利用球径仪测量曲率半径的方法测量凹球面的曲率半径，得到该方法下凹球面的曲率半径值。

2.3.2 选择干涉仪球面镜头

根据已知的凹球面口径和上述测得凹球面的曲率半径值R0，根据R0选择合适的干涉仪球面镜头。

2.3.3 搭建测量光路

装上合适f数的球面镜头，装好待测凹球面，在机床上搭建在位干涉测量系统。

2.3.4 记录零条纹位置

打开干涉仪，通过超精密车床沿Z轴的移动找到干涉图案为零条纹的位置，记录此时超精密车床Z轴的位置坐标Z0。

2.3.5 记录猫眼位置

按照0.2 m的移动间隔沿Z轴继续向前移动Z轴，在此找到干涉图案为零条纹的位置，此处为凹球面的猫眼位置，记录此时超精密车床Z轴的位置坐标Z1。

2.3.6 数据处理与结果分析

计算超精密车床Z轴的坐标差Z1-Z0即为凹球面的曲率半径R，与球径仪的测量结果进行对比分析，形成实验报告。

3 教学效果

目前“光学零件的曲率半径在位检测”等系列科研成果转化的实验教学项目已经进行了2个学年的课程实践，各实验小组在实验过程中能够独立完成实验操作过程，整理处理实验数据并形成实验报告。通过随堂交流、课后访谈和学生评教的结果发现，学生们普遍认为“光学零件的曲率半径在位检测”实验教学项目给他们创造了亲自参与研究性的科研过程，充分地将《光学与长度计量》的理论知识运用到实验设计、实验实施和数据处理等多个过程中，并体验了光学零件加工和检测的具体过程，感觉学有所用，极大地调动了学生学习的主动性。在该项目的基础上，教学团队获批学校教学成果培育项目1项，另有4名学生申报了学校创新训练项目1项，他们希望通过创新训练项目的研究，能够在本科阶段发表高水平学术论文或者申请国家发明专利。

4 结语

本文介绍了将科研成果转化为“光学零件的曲率半径在位检测”的实验教学资源的过程，实现了科研与教学的相互促进，提升了学生的综合素质和动手能力，增强了学生的学习兴趣。该实验教学项目的设计过程对于其它科研成果向实验教学内容的转化提供了有益借鉴，在今后的教学工作中，《光学与长度计量》将继续以科教融合的建设理念为引领，将更多、更新鲜和更高质量的科研成果转化为教学资源融入课程体系，协同推进教学科研的同频共振，进一步提升教学和人才培养质量。