面向工程能力的《互換性與測量技術》實驗教學改革探索

喻麗華，張富貴，吳雪梅，楊旭東

(貴州大學機械工程學院，貴州 貴陽 550025)

0 引言

《互換性與測量技術》是機械類專業的一門必修專業技術基礎課，也是機械工程技術的一門通用語言，具有知識持續利用率高、服務面大和實踐性強的特點[1，2]。然而就是這樣一門十分重要的專業技術課，往往是教學與設計實踐嚴重脫節，難以達成工程培養目標要求，從而導致學生在課程設計、畢業設計甚至走上工作崗位后，不能很好地將零件精度設計理論運用到設計實踐環節中，甚至出現了一些不應該出現的錯誤[3，4]。在《互換性與測量技術》課程的實驗教學中，如何根據實踐教學內容、實驗室設備及培養目標要求構建一個以提高學生的工程實踐能力為目標的實踐教學體系；在綜合能力訓練中，如何根據本門課程與相關課程的聯系實現一種多課程融合式實踐教學模式，使學生在掌握典型幾何量測量的基礎上，進一步加深互換性、標準、公差與配合、計量等概念的理解，并將精度設計理論貫穿在后續的零件部件設計中，達成工程教育培養目標一直是從事測量技術實踐教學的教師們共同探討的問題。筆者結合多年來在本門課程實驗教學中的改革嘗試進行探討。

1 《互換性與測量技術》實踐教學存在的問題

在“設計、制造、測量”三大環節中，測量占有極其重要的地位，測量是檢查、判定機械產品的幾何精度是否達到設計和使用要求的最有效手段。測量技術的基本任務是保證產品質量，防止廢品產生，降低成本，實現互換性。該課程實踐教學的目的是使學生進一步掌握和鞏固課堂上所學的公差理論，熟悉常用計量器具的正確使用方法和幾何精度的測量，加強對機械制造的質量觀念。隨著高等教育的改革和機械類專業教學內容的發展與變化，國內不少高校對《互換性與測量技術》課程的理論和實踐教學進行了許多積極的探索，總結出許多好的教學方法與改革思路，但仍存在以下主要問題:

1.1 教學內容單一，體系設計不完善

《互換性與測量技術》課程的“互換性”部分(理論教學部分)主要講述互換性原理、典型零件互換性、幾何精度設計與標注等內容，其“測量技術”部分(實踐教學部分)主要在實驗室完成典型零件的測量進一步加深尺寸公差、形位公差的理解。該課程實驗項目的設置通常是根據典型的測量對象分為:光滑軸徑測量、光滑孔徑測量、形狀誤差測量、位置誤差測量、齒輪誤差測量、螺紋參數測量及表面粗糙度測量等7類實驗，實驗類型多為驗證型。學生只需根據實驗指導書按照教師提供的實驗器具完成相應測量對象的計量工作及合格性判斷，這種以教師事先設計好各個實驗環節的驗證性為主的實驗，往往使學生能較好的掌握各種典型測量對象的測量方法，但當學生面對一個復雜零件的測量、精度設計及分析時，往往感到束手無策。

1.2 教育理念落后，教學形式單一

目前大多數測量技術實踐教學環節的建設，偏重于實驗硬件環境的改善，注重采購高大上的實驗儀器，在實驗教學方法上仍采用傳統的以“老師站學生坐”為主，一本指導書做完整個實驗的方式進行教學。這種單一的、被動接受式的實踐教學方法忽視了學生的個性需求，忽略了學生的主體地位，禁錮了學生的主觀能動性和創造性思維，教學中教師與學生之間缺乏互動和溝通，學生間缺乏必要的協作，不利于學生創新意識、溝通能力及綜合實踐能力的培養。

1.3 獨立式實踐教學割裂了課程間的有機聯系

《互換性與測量技術》實踐課由任課教師根據課程教學需要進行獨立設置，實踐教學內容基本只涉及本門課程，與本門課程聯系最緊密的機械制圖、機械制造工藝等課程間的實踐教學內容幾乎不存在交叉與相互滲透。獨立式教學使得原本相互聯系的有機課程體系被割裂，大多數學生“只知其然，不知其所以然”。當學生面對課程大作業、課程設計、畢業設計等綜合性實踐環節及實際工程問題時，往往無法將所學的精度理論運用其中，其最終往往是一種脫離工程實際的設計。

2 面向工程能力的遞進式《互換性與測量技術》實踐教學體系

2.1 面向工程能力的遞進式《互換性與測量技術》實踐教學體系框架

針對當前《互換性與測量技術》實踐教學內容與形式單一，教學理念落后，教學體系不完善，實際教學效果與預期教學效果差距較大，甚至影響到后續的課程設計、畢業設計教學及實際工程問題的精度設計等問題，構建如圖1所示面向工程的遞進式《互換性與測量技術》實踐教學體系，其主要由“基本技能”、“專項能力”、“綜合運用”三個遞進式訓練層組成[5]。

基本技能訓練層主要是使學生了解常用量具、比較式光學計、測長儀、萬能工具顯微鏡等光學儀器測量原理、附件選用與安裝、維護保養的基本知識，并掌握其操作、使用、讀數方法。專項能力訓練層主要使學生掌握軸徑、孔徑、導軌直線度、主軸位置誤差、齒輪參數、表面粗糙度等典型測量對象的測量，進一步加深尺寸公差、形狀公差、位置公差、公差與配合、互換性等概念的理解。在完成基本技能、專項能力訓練之后，綜合運用訓練層主要通過課內實踐、課內與課外相結合、課外實踐、校內與校外相結合等綜合實踐教學環節，培養學生測量器具的正確選用與使用能力、典型零件的測量能力、零件精度分析及設計能力、工程實踐能力、創新能力、溝通能力、團隊協作能力。

2.2 面向工程能力的多課程融合式實踐教學運行模式

結合當前國際工程教育認證確立的培養目標，在綜合運用訓練層中，基于CDIO教育理念，以課程體系為支撐，通過以工程為主線的多課程融合實踐教學設計，以研究小組為主體的實踐教學組織方式，構建如圖2所示的面向工程能力的綜合實踐教學運行模式，其目標是打破傳統獨立式教學的禁錮，以培養工程師的視覺探索多課程融合實踐教學的新模式，激發學生的主動性、積極性與創新性，通過以工程為依托的構思、設計、實施、運行訓練，培養學生的工程素養，提高綜合實踐能力和創新能力[6-7]。

圖1 面向工程能力的遞進式《互換性與測量技術》實踐教學體系

以工程為主線的多課程融合實踐教學設計主要分為課內實踐、課內與課外相結合實踐、課外實踐三類綜合實踐項目。課內實踐主要是逆向工程訓練和測繪工程訓練，課內與課外相結合實踐主要包括課程設計、課程作業及畢業設計，課外實踐主要是各類學科競賽與科技創新訓練。以研究小組為主體的實踐教學組織模式強調學生的主體作用，并根據實踐任務與內容將學生分為多個課題研究小組，實行組長負責、組內分工、組員協作、組間競爭的管理模式，指導教師與研究小組定期進行基于問題解決的互動學習，并對整過實踐過程的表現及成果進行自評與互評[8-10]。

3 面向工程能力的多課程融合式實踐教學運行模式應用

目前，筆者已將面向工程能力的多課程融合式實踐教學運行模式應用于《互換性與測量技術》課內實踐教學，對學生進行逆向工程訓練，取得了良好的教學效果，下面將闡述面向工程的多課程融合式實踐教學執行系統模式應用于《基于圖像處理的零件測量、設計及制造》逆向工程實踐的具體實施方法。

3.1 《基于圖像處理的零件測量、設計及制造》逆向工程實踐教學設計思路

貴州大學機械基礎實驗中心的萬能工具顯微鏡是一種配備功能強大的圖像處理測量軟件，能完成各種復雜測量工作的計量儀器，可精確測量各種工件的尺寸、角度、形狀、位置以及螺紋的各參數，軟件數據能與CAD通訊，為計算機輔助設計提供準確的測繪圖形。根據該測量設備的特點，結合逆向工程思想，將《基于圖像處理的零件測量、設計及制造》實踐課設計成零件測量、設計、CAD圖繪制、加工工藝擬定等逆向工程實踐訓練，從而實現以工程為主線，包含《互換性與測量技術》、《工程材料及成型技術基礎》、《機械制圖》、《機械CAD及CAM》、《機械制造工藝學》等多課程融合的實踐教學模式，培養學生的工程素養，提高綜合實踐能力和創新能力。

圖2 面向工程能力的多課程融合式實踐教學運行模式

3.2 研究小組式實踐教學組織方法

根據實驗室現有的被測工件情況，將一個自然班學生分成5個研究小組:軸類零件組、角度樣板組、線徑規組、線切割零件組、電機硅鋼片組，研究小組的人數由教師根據零件的復雜程度初步確定，研究小組具體成員由學生自由組合，組長由小組內部自行產生，并實行組長負責、小組成員分工協作制，指導老師定期與學生互動學習，完成整個實踐活動。

3.3 《基于圖像處理的零件測量、設計及制造》逆向工程實踐教學基本要求

《基于圖像處理的零件測量、設計及制造》逆向工程實踐教學基本要求包括:

(1)了解萬能工具顯微鏡的測量原理和用途。

(2)熟悉并掌握萬能工具顯微鏡的附件的安裝使用方法與測量方法。

(3)根據零件的結構與測量儀器的采樣特點，擬定零件的測量方案。

(4)基于圖像處理測量方法完成零件的測量工作，獲得原始的測繪圖形。

(5)將測繪圖形導入CAD軟件平臺進行修改再設計。

(6)標注零件的尺寸、公差及技術要求，完成整個零件的零件圖。

(7)初步編制零件的加工工藝。

(8)整個實踐過程組長負責人員與設備安全。

本次綜合實踐教學活動所用實驗儀器及被測工件如圖3所示。

圖3 實驗儀器及被測工件

3.4 以小組為單位的實踐教學成果展現

以小組為單位的實踐成果的展現形式包括:原始測繪圖形、二維零件圖、零件加工工藝路線、實踐總結報告等。本次實踐教學活動的部分成果如圖4所示。

圖4 《基于圖像處理的零件測量、設計及制造》綜合實踐教學成果

4 結語

終上，貴州大學機械基礎實驗中心在《互換性與測量技術》實踐教學改革方面取得了一些成果和經驗，可歸結為:以提高工程實踐能力和創新能力為導向，構建一個面向工程能力的遞進式《互換性與測量技術》實踐教學體系，給出了“基本技能”、“專項能力”、“綜合運用”各訓練層的主要內容和培養目標，闡述了面向工程能力的多課程融合實踐教學運行模式，并將這種教學新模式應用于《基于圖像處理的零件測量、設計及制造》綜合實踐教學中，取得了良好的教學效果，受到學生的一致好評，學生認為:“這次綜合實踐教學活動工程性強，富有挑戰，在解決問題的同時，培養溝通能力和團隊合作能力，提高了綜合實踐能力、創新能力及面向復雜工程問題的解決能力。