精密仪器设计实验教学改革探讨
Reform on experiment teaching in design of precision instruments
Wu Shilin， Zhang Qi， Xiong Jiulong
National University of Defense Technology， Changsha， 410073， China
Abstract： The contents and the experiment items of design of precision instruments are introduced， and several problems that appear in the experiment teaching process are analyzed. Teaching reform measure is put forward， in order to improve the teaching effect.
Key words： design of precision instruments； experiment； teaching reform
课内实验作为实践教学的一部分，不但有助于学生加深对课内知识的理解，同时也有助于教师及时发现学生在学习中存在的问题，便于“对症下药”并改进教学。因此，课内实验对提高教学质量起着非常重要的作用。精密仪器设计课程融合了光电、机械、电工电子、计算机多学科知识，涉及的知识点多，难理解的问题也多。因此，其实践教学的意义更为突出，合理设置课内实验尤为重要。
1 精密仪器设计教学内容
精密仪器设计是测控技术与仪器专业的一门专业必修课，是一门综合性、实践性很强的课程。该课程的教学目的是让学生学会综合运用测控技术与仪器专业所学的测控、机械、电工电子和计算机四大系列基础课程的知识。课程重点讲授以下内容：
（1）精密仪器的总体设计。内容包括设计任务分析、工作原理选择、结构参数和技术指标的确定、造型设计以及总体设计中要遵守的设计原则和设计原理。
（2）精密仪器各分系统设计。内容包括光电系统设计、机械系统设计、电路系统设计、软件系统设计四大部分。具体涉及各分系统组成、作用、设计要求、设计准则及设计要点等。
（3）精密仪器精度理论。仪器设计需要达到一定的技术指标要求，精度是其中最关键的技术指标。精度理论主要内容包括仪器误差来源、仪器误差的分析、仪器误差的综合、仪器精度设计等。
（4）精密仪器可靠性设计。可靠性，是指产品在规定条件下和规定时间内完成规定功能的能力。可靠性设计主要内容包括仪器可靠性建模、可靠性预测、可靠性分配、提高仪器可靠性的技术措施等。
2 精密仪器设计课内实验设置情况及存在的问题分析
2.1 精密仪器设计课内实验设置情况
2.1.1 教学目的
使学生更深刻地理解和掌握精密仪器的基本结构、工作原理、主要技术和设计方法，培养和提高学生分析问题和解决问题的能力。
2.1.2 教学要求
（1）了解精密仪器中机械系统的工作原理及主要结构。
（2）掌握低噪声电路设计方法，完成一种低噪声电路的设计与制作。
（3）掌握仪器电路系统的设计方法，采用单片机系统实现步进电动机的运动控制。
（4）掌握仪器软件系统设计方法，实现步进电动机运动参数采集系统处理算法。
（5）掌握光机电一体化的精密仪器的设计方法，完成精密仪器的总体设计。
2.1.3 教学内容
实验1：精密仪器系统总体设计（必做）
内容提要：完成一种仪器总体设计。题目任选，例如：
（1）便携式近红外光谱仪器总体设计
（2）便携式波形发生器总体设计
（3）体温及心率动态监护仪总体设计
（4）电子秤总体设计
实验类型：设计
学时分配：2
主要仪器设备：计算机、投影仪
实验地点：教室或实验室
备注：课外利用4～6学时完成设计，课上进行总体方案论证答辩
实验2：低噪声电路设计（必做）
内容提要：任选其一
（1）低噪声前置放大电路的设计、制作及评价
（2）低噪声差动放大电路的设计、制作及评价
实验类型：设计
学时分配：2
主要仪器设备：具有噪声测量功能的锁相放大器、晶体管交流毫伏表、示波器、信号源
实验地点：实验室
备注：课外利用2～4学时完成设计，课上焊接电路、调试
实验3：步进电动机控制系统设计（选作）
内容提要：实现步进电动机转角、速度、方向、定位的控制
实验类型：设计
学时分配：2
主要仪器设备：单片机开发系统、步进电动机
实验地点：实验室
备注：课外利用2～4学时完成设计，课上焊接电路、调试系统
实验4：步进电动机运动参数采集系统处理算法设计（必做）
内容提要：实现数据采集系统对步进电动机转角、速度、方向、定位等参数的数据处理算法
实验类型：设计
学时分配：2 主要仪器设备：计算机
实验地点：实验室
备注：课外利用2～4学时完成设计，课上完成软件调试
2.2 存在的问题分析
教学实践证明，以上课内实验设置存在以下几方面的问题：
（1）学时紧张导致教学效果达不到预期
精密仪器设计课内实验要求学生利用课外时间完成设计，而学生进行课内实验时正处在紧张的考研复习阶段，能保证课上认真实验已是不错了，课外准备时间根本无法保证，因此，所设实验均不能按大纲规定保质保量完成，从而很难达到预期的教学效果。
（2）缺乏具体应用背景导致实验特色不突出
由实验内容可以看出，实验2～4均是相对单一的、针对某一知识点设立的，实验未结合具体的仪器进行，总体上感觉与精密仪器设计关系不密切，实验2更像是电子技术相关课程的实验，实验3和4更像是机械工程类课程的实验，没有鲜明的仪器特色。
（3）实验内容要求与课程内涵结合不紧密
除实验1涉及仪器总体设计的知识点外，实验2～4的要求不能明确反映课程内涵要求，精密仪器设计的精华内容，主要是总体设计、精度理论及可靠性设计。精度理论和可靠性设计如何落实，应该在各分系统设计中予以考虑。实验2～4是对仪器电路系统、机械系统及软件系统知识点的落实，但并未从精密仪器的角度予以强调，未突出精密仪器设计中的精度问题及可靠性问题，而仅仅从仪器基本功能实现的角度设立，因此与课程的内涵结合不紧密。
（4）系统性不强，实践验证欠缺
实验1涉及仪器总体设计内容，但仅要求学生完成总体设计，然后在课堂上进行总体方案的论证答辩。学生仅从理论上对总体方案进行了探索，并未进行实践操作与验证，理论脱离实际，该实验的设置违背了课内实验的初衷。
此外，4个实验间关联不强，互相脱节，缺乏系统性，不利于学生对精密仪器设计知识体系的系统学习。
3 实验教学改革的初步思路与拟设实验项目
3.1 实验教学改革的初步思路
课内实验主要针对课程内容中抽象、艰深而适合通过实验解释的部分开设，一般穿插在理论教学期间，对切实提高教学质量起着重要作用，这也是其他实践教学手段难以比拟的。精密仪器设计课程课内实验的开设面临两个主要难点：一是实验点设置较难，如何合理选择实验知识点，对取得最佳的教学效果、突出课程特色、紧扣学科内涵至关重要；二是实验点设置之后，实验的具体实施较难，包括实验设备配置、实验难易程度的把控及实验过程的辅导等。
根据目前所开设实验现状及实验教学实施过程中发现的实际问题，笔者对实验项目设置进行了大幅度改革。利用8学时的课内实验课时，仅开设1个实验项目：从精密仪器总体设计的角度，对某一具体的精密仪器进行分析，重点是其各分系统的组成，各分系统是如何保证仪器精度的，仪器的误差源，仪器的数据处理，仪器的可靠性设计等。这样，用一个实验从不同角度对课程知识点进行检验，不但不用课外附加学时，而且能保证学生理解精密仪器设计所有知识，且能满足课程内涵的要求。
3.2 拟设实验项目（任选其一）
（1）立式光学计结构原理与调试
实验内容如下：
①拆分立式光学计，了解其机械分系统、光学分系统、电路分系统及软件分系统的作用与组成，对立式光学计工作原理进行分析；②根据其光学结构分析其放大倍数；③分析立式光学计原理误差产生的原因，通过调整光学计结构参数，对立式光学计进行原理误差补偿；④用立式光学计测量某物体高度，正确进行测量标定和数据处理；⑤分析如何提高测量精度，保证仪器系统的可靠性。
（2）测量显微镜结构原理与调试
实验内容如下：
①用测量显微镜测量电路板过孔的直径尺寸，并给出测量结果（D±△D）；②分析测量显微镜的结构和功能，给出该仪器的性能指标，画出系统的结构布局图；③分析测量显微镜的误差来源及其对测量结果的影响；④设计一个针对小孔直径尺寸自动测量的测量显微镜的结构，画出系统框图、结构布局图；⑤分析提高测量精度的措施，保证仪器系统可靠性。
（3）自选实验项目
由学生自己选择某综合性精密仪器进行分析，重点了解其各分系统的组成，各分系统是如何保证仪器精度的，仪器的误差源，仪器的数据处理，仪器的可靠性设计等。
要求所选仪器是教学实验室或科研课题组现有的，以便对其进行实验验证。
4 结束语
实验教学是学生理论联系实际，进行实践能力训练的重要环节。笔者分析了精密仪器设计课程现设课内实验存在的不足，对课内实验教学改革提出了初步设想，希望能为提高精密仪器设计课程实验教学效果具有参考价值。
