仪器类专业机械课程教材新模式研究

王丽杰 殷金英 刘 博 秦 勇 罗中明

(哈尔滨理工大学 测控技术与通信工程学院， 哈尔滨 150080)

现阶段，“互联网+”还处于初级阶段，各领域对其研究还在不断地尝试与探索[1]。近年来，随着“互联网+”的快速发展，教育已成为其中的一个加数。本文尝试将“互联网+”与高等院校理工科机械类教学融合，通过创新让这个“+”更具价值及意义。

依托“互联网+教育”宏观框架和“大工程观”的培养模式，本文探讨高等院校理工科仪器类专业机械课程教学新模式。选择理工科院校测控技术与仪器专业“精密机械设计基础”课程为研究对象，基于国际工程认证体系OBE理念及产出成果导向评价体系，践行机械设计类课程的优化。采用计算机辅助教学延伸出的3D版教材形式，利用互联网，借助移动终端APP，基于手机扫码等展示教学知识的各种形式，如文字、图片、公式推导、Flash动画、视频映像等，进行“精密机械设计基础”课程的立体化教材建设研究，藉此达到增强学生学习兴趣、促进自主学习，提高学习效率的课程建设目标。

1 存在问题及解决方法

上个世纪末，教育部把电子测量仪器、计量仪器、光学仪器等11个仪器仪表类的专业合并调整为“测控技术与仪器”专业。作为仪器类专业的代表，测控专业课程体系一方面涉及机、电、光等多学科；另一方面，沿袭传统机械工业部所属高校精密仪器专业的特点，具有鲜明的几何量精密测量特色。“精密机械设计基础”课程隶属于机械系列，作为测控技术与仪器等仪器类专业的构建基础，是专业特色课程，由多门机械课程压缩而成，包括“精密机械零件”“工程材料及热处理”“机械原理”及“几何量公差与检测”等。上述专业及课程的调整优化，凸显了仪器类专业特色，体现了“少而精”原则，但是也在一定程度上导致课程学时及内容很难铺开。随着一部分本科生毕业后直接进入企业工作，面临的项目开发中多含机械设计问题，另一部分在研究生学习阶段，也感到没有一定机械设计的课题或理论基础研究，会直接导致课题研究中缺乏解决实际工程问题的背景或依托。因此“精密机械设计基础”课程作为培养工程师的基础课，在本科教学阶段急需优化改进并引起学生重视。

作为仪器类专业课程中的核心，“精密机械设计基础”课程中零件多、公式多、学习知识点密集且繁琐费解，但课时少，导致教师授课进度快。另一方面，学生工程实践经历少，工程背景知识掌握不足，虽然教师讲解尽心尽力，但学生主动学习的意愿不强，课下预习、自主学习、课后复习及课程拓展等做得都很不够，且主要依赖于听课堂讲授，所以大部分学生尽管掌握了基本概念和原理，但知识点掌握及理解不到位。针对上述问题，本文进行测控专业“精密机械设计基础”课程教学的持续改进，探讨“精密机械设计基础”课程教学教材新模式、研究3D教材编写方法，以期进行仪器类专业机械课程工程教育改革，凸显学生为主体的教学理念。“精密机械设计基础”课程教学及教材模式示意图见图1。

图1 “精密机械设计基础”课程教学及教材模式示意图

通过图1所示教学改革举措，将工程实践中零部件机械传动过程、仪器运行原理等相关视频、映像或者动画演示，通过图表公式等的二维码扫码链接传递给学生，有助于帮助学生在掌握纸质教材基本课程内容的基础上进一步了解相关工程知识背景，弥补其由于实际工程经历不足而造成的对课程知识点理解的不足。从另一层面而言，上述方式也相当于在课程学习过程中引入了信息形式的数字化教具。研究重点将围绕3D文本教材、公式图表二维码设计和用以识别扫描的移动终端APP等多个层面关联展开。

2 3D文本教材

“精密机械设计基础”3D教材，首先来源于传统的以文字为主的印刷教材，其次将学习资源相关信息的链接以二维码的方式存储、并将二维码图片印刷到教材上。相应的学习资源是以网络存储服务器为载体、移动设备为播放终端。由于传统平面教材版面有限，采用移动终端扫描二维码上网后，教材的信息范围由线下拓展到线上，这样，学生就能获取囊括文字、图表、视音频等在内的与课程所学相关的海量信息，满足有进一步学习意愿的学生对学习在广度和深度上双层面的需求。二维码包含的网络地址，能够使得学生或教材用户无需繁琐地手动输入网址，直接便可以直达信息页面，不仅提高阅读效率，而且方便快捷。

研究中，教材文本的编写，主要包括文本知识点的组织、公式和文本插图的设置展现两部分。考虑到3D教材模式是基于认知主义学习理论和构建学习主义理论下的、以学生为中心的自主的互动的学习模式，表现在展示形式上就是交互形式的体现。研究中，在阐述教学大纲要求的相关基本知识点的基础上，辅以适量的公式、表格及二维插图。根据表述需要，适当增设区别于传统教材二维插图的三维立体模型仿真插图或二维码扫描标识。

2.1 文本知识点的组织

如前所述，测控专业的“精密机械设计基础”课程，是由多门课程合并组成。作为测控专业必修的核心课程，该课程一方面要体现现代精密机械设计基础理论与方法，设置了精密机械设计基础知识、机械工程常用材料及其热处理工艺、几何精度设计、精密机械零件设计等内容，整体知识点比例设置为1:1:2:24。另一方面通过课程设计环节对学生进行实际训练，加深学生对课程基础知识的理解和运用。与传统不同，进入信息化时代的现代精密仪器仪表具有信息化、智能化、集成化的发展趋势，因此“精密机械设计基础”课程教材的文本知识设置还囊括了精密机械仪器常用装置简介和机械结构计算机辅助设计等内容，这些内容设置为教学自行选修内容。

2.2 公式及文本插图的设置展现

研究中，基于教材文本的知识组织框架，根据内容编写及论述需要，采用文本阐述、公式编辑、图表说明、举例分析等形式进行系统安排。考虑到精密机械工程实践背景是引发学生理解障碍的主因之一，通过设置策略性的支架(关联二维码)来激发学生学习的兴趣，利用印在教材上的二维码作为媒介或桥梁，链接教材与网络资源。

涉及应用数学或物理背景的运动学、动力学分析等内容，可通过设置在公式或图表右侧的二维码，扫描链接至网络图文混排资源、公式推导、动画映射或视频等进行延拓性展示。

涉及工程实践应用背景下的传动展示或关联运行等内容，通过设置在二维图形右侧的二维码，链接至网络资源展示；一些复杂结构的表述，可在简单二维图形表述的基础上，进一步呈现三维立体模型仿真插图。上述链接的扫描识别将通过移动终端及其APP实现。

3 二维码的生成设计

研究中采用QR二维码作为3D教材扫描链接中间手段[2-3]。研究中分两种情况解决问题：①对应应用扩展知识利用的现行网络网页、数据库等链接公开展示的情况，则利用微信APP小程序解决二维码生成识读等功能实现；②对应应用扩展知识使用的自行编写移动终端APP功能实现的情况，则采用文中所述编码、解码等方法实现。

QR码的生成即其编码，研究中设置数据分析、数据编码、纠错、掩模等步骤完成[4]。编码正确与否直接决定解码结果是否可靠，因此数据编码及其纠错必不可少，进一步构造信息的最终码字序列，以矩阵格式进行模块排列，经交织掩模处理，加入格式和版本信息后即可实现QR码编码。图2为教材图例加二维码编排形式图。

图2 教材图例加二维码编排形式示意图

QR码识别首先进行图像预处理、校正和定位，然后通过深浅模块识别、版本格式信息确定、恢复数据及纠错、译码后完成。

研究中采用手机自带图像传输及处理系统进行QR二维码识别，包括预处理、定位、分块及解码等。考虑到手机摄像头拍摄的多是24位真彩色图像深度条件下的RGB格式图片，所以，二维码图像预处理需要进行灰度处理、二值化、滤波等。采用加权平均值法进行灰度处理，二值化处理通过自适应动态阈值处理Otsu算法实现，具体来说，就是根据整幅图像的统计特征来自适应选取阈值，即通过计算像素点和灰度的最大类间方差来作为图像二值化的阈值[5]。QR码具有独立定位功能，通过3个位置探测图形可快速定位。如果图像有变或损毁，那么利用定位图形的辅助信息可帮助再次定位符号、决定图片旋转方向以及模块宽度，从而实现重新定位。校正图形过程中，通过扫描相邻的八邻域方向估值点来确定图像中心，然后筛选能满足条件的图形完成捕获，有效率能达到99%以上。

4 移动终端APP

移动智能终端选择Android系统、利用4G或者wifi访问网络。移动终端APP设计研究主要包括UI设计、模型优化及展现形式。

精密机械结构零件多、结构复杂，涉及自开发部分的工程背景繁杂多样，知识点的展现形式设置存在一定难度。研究中，根据精密机械设计基础的课程特征，采用 SolidWorks软件设计相应机构立体模型图，采用Flash软件制作动画素材。通过代表性工程示例及相应素材收集集成，制作对应APP拓展知识。

针对教材网络拓展资源的阅读需求和师生互动答疑等需求，研究中通过移动端UI设计实现。UI设计的关键是APP界面图标文字按钮，作为移动端UI设计师涉足的专业领域，初步研究只进行简单颜色字体版式等设定，重点以解决功能为主，将插图、公式等与App关联，通过扫描识别链接至播放构件或机构传动的映像，建立映像模型，确认展示形式，进行模型优化。移动终端APP功能界面见图3。

(a) 主功能界面

(b) 视频资源界面图3 移动终端APP功能界面

研究中，模型建立及优化通过模型数据量和仿真效果优化两个环节实现：

(1) 模型的数据量优化主要包含剔除重复点、线、面，修复对齐关系，赋予贴图等。为保证建模的精确度，初次建模采用适合机械类实体建模软件SolidWorks，二次建模时，将初模导入曲面建模软件3ds Max中实现数据量的优化。

(2) 仿真效果优化时，调用处理好的模型，以 . FBX 格式导入Unity3D中，进行仿真效果优化。

“精密机械设计基础”教材编码、解码基本功能已经调试完成，涉及具体章节编码生成及其链接需大量时间将于后续进一步完成。目前，以上所述线上线下O2O教学模式已尝试用于哈尔滨理工大学测控19级教学活动中，课程目标达成度为0.746～0.925。

5 结语

目前，立体化教材在图书出版行业的应用还没有形成规模，但其应用前景却不可低估。通过二维码扫码链接至移动设备APP资源的形式组建3D教材，可以摒弃传统教材附带光盘或者将学习材料放到教育资源平台上、用电脑下载打开等形式的不便，学生利用手机等移动设备能够即刻进入资源界面，作业、通勤、吃饭等课余时间随时随地都可打开相关资料完成阅读，拓展学习变得便捷高效。同时，二维码信息容量大、用其桥连平面教材和网络，不仅方便实现了阅读的延展性，而且能够满足学生学习阅读的深度，易于实现分层次教学教改。另一层面而言，利用二维码扫码链接设置3D教材，还能够在一定程度上节约纸张，为实现绿色环保、低碳阅读提供可实现手段。

基于二维码识别的“精密机械设计基础”3D教材编写方法，可为同类机械课程教材的编写提供参考，并能为“互联网+”理工科专业课教育提供可实现手段。如果所有的图书上都印有二维码，读者将会习惯使用，如果客户端操作简单易行，那么，3D教材极易大范围应用起来，这将是适应数字信息时代理工科高等教育教学发展趋势的重要举措之一。