《互換性與技術測量》的實用性創新教學改革探索

萬怡男 單瑞霞

(煙臺大學文經學院機電系 山東煙臺 264005)

《互換性與技術測量》是機械類專業的一門重要的專業基礎課。它主要研究機械產品在設計、生產及使用過程中的尺寸精度、幾何精度、表面粗糙度等的確定以及制造過程中如何控制其適度的偏差。本課程涉及科目廣，綜合應用很強，是機械設計和制造的核心技術之一，也是保證產品質量的重要技術。

機械產品的設計思想和意圖要靠工程圖紙體現，但是圖紙只是繪制了產品的理論結構及組成，而產品要滿足實際使用要求的另外核心問題：尺寸公差、幾何公差、表面粗糙度和配合的類型等只能靠本課程所學習的內容來解決。

《互換性與技術測量》這門課程的最大特點是：概念多、術語多、規定多，非常枯燥難以記住。學生沒有學習興趣，只是為了應付考試。在實際設計過程中，對一些設計及工藝參數不會用、不會選。這種現象就像瓶頸一樣嚴重制約了學生的后續專業課的學習效果，限制了學生綜合應用所學知識進行產品設計的能力。

最近幾年，很多學校也都在進行相關課程的改革，但是效果并不太理想。為了打造和建設國家及學院要求的金課，實現實用型、創新型人才的培養目標，結合多年來我校的教學實踐經驗，《互換性與技術測量》課程組對這門課從教學內容到教學方法等進行了全面改革。改革的核心內容概括為：“采用線上線下混合教學加新型實驗輔助的教學方法”。所有教改措施都是圍繞“實用性、創新性”這一核心主題。主要包括三部分內容：

（1）教學內容的重新設置：使所學內容更具有實用性、更有利于各專業課的聯系。

（2）教學方法的改革：實行線上、線下相結合的混合教學方法，培養學生的知識求解能力、創新能力和超前思維能力。

（3）實驗內容和實驗方法的改革：重新建設和規劃實驗室，新的實驗室除了能夠完成基本實驗項目外，還要能滿足設計新的實驗項目的要求。

具體教學改革措施如下。

1 教學內容的設置

本課程的教材一般是前面部分章節講述尺寸公差、幾何公差、表面粗糙度等基本知識，后面部分章節講述軸、軸承、螺紋、鍵、齒輪等的典型零件的公差及檢測。前后內容跳躍性太大，不系統。我們的教改方案是將尺寸公差、幾何公差和表面粗糙度作為本課程的重點，為機械設計精度打下基礎，典型零件的公差與檢測作為實例進行全課程的貫穿，讓學生把所學知識即時地應用到實際設計中，以達到活學活用、即學即用，靈活掌握的目的。

在整個教學過程中以“通用減速器”為主要案例，將減速器的各個零件的各類精度設計及檢測貫穿整個教學過程，改變以往課程教學過程中案例零碎、不連貫、不系統、學生難以掌握的狀況，使學生在完成本門課的學習后，能合理地完成從零件圖到裝配圖的精度設計。

在教學過程中我們以減速器的軸類零件和箱體零件的尺寸精度設計作為孔、軸尺寸公差與配合設計案例，以減速器的傳動軸與箱體及端蓋的幾何精度設計作為零件幾何公差與表面粗糙度案例，以減速器內各種齒輪、鍵、軸承、螺紋等的尺寸和精度的選擇作為典型零件的設計使用要求的案例。

具體操作：以減速器傳動軸的設計過程為例。要求學生根據軸上零件（滾動軸承、齒輪等）對軸的精度要求，確定軸的各部位尺寸精度、幾何精度和表面粗糙度。對教學內容有序安排如下：

（1）在確定軸的尺寸精度時，主要讓學生理解軸的直徑的極限偏差，應根據軸上零件與軸頸相配合的關系確定；

①裝滾動軸承部位，如何按滾動軸承公差標準設計；

②裝齒輪部位,如何按齒輪公差標準設計；

③裝聯軸器的部位,如何按鍵聯結公差標準設計。

（2）在確定軸的幾何精度時，讓學生理解包容要求如何確定；軸徑的圓柱度公差、圓跳動公差的標注原理，鍵的對稱中心面的平行度公差標注的原理。

①軸頸的徑向結合面應采用包容要求是為了保證軸的配合性質。

②與滾動軸承配合的軸頸應標注圓柱度公差是因為軸承套圈是薄壁零件，容易變形，如果軸頸的形位誤差不合理很容易引起滾道變形,導致軸承工作時產生較大振動和噪音，所以應對軸頸規定比包容要求更嚴格的圓柱度公差。

③有定位要求的軸頸或軸肩應標注圓跳動公差，這是因為軸徑是軸承、齒輪的徑向定位面，軸肩是軸承、齒輪的軸向定位面，為避免裝配后軸承、齒輪歪斜影響旋轉精度，對軸徑或軸肩應規定軸向圓跳動公差。

④鍵的對稱中心面應標注平行度公差是為了保證鍵寬與鍵槽寬之間具有足夠的接觸面積和可裝配性，工作負荷均勻，對中性好。

（3）表面粗糙度參數確定主要是根據滾動軸承配合、鍵槽配合等不同部位的配合要求不同而取值不同。

①滾動軸承配合面表面粗糙度參數值。

②鍵槽配合表面的粗糙度參數值：配合表面的粗糙度Ra值取1.6～6.3um；非配合表面的粗糙度Ra值取6.3～12.5um。

③與密封件接觸的表面粗糙度參數值Ra的上限值一般取為0.8～1.6μm。常用Ra的上限值取為1.6μm。

通過這一系列的訓練過程，學生不但掌握了基礎理論還學會了在設計中的靈活運用技巧。

2 教學方法的改革

靈活利用現代信息化教學技術與傳統教學方式融合，實行線上、線下相結合的混合教學方法。可以分為三步走。

（1）課前預習：設計學習任務和學習目標，并利用solidwork軟件制作動畫、優秀教師錄課并選擇網站上優秀視頻指導學生完成預習目標。

（2）課中：因材施教采用啟發式、互動式、翻轉式及云班課等多種教學方法，提高學生的積極性，培養學生解決問題的能力和高階思維。

（3）課后作業：利用教學平臺布置基礎型作業和實際應用型作業。實際應用型作業主要是常用機械零部件的設計。例如讓學生設計與給定滾動軸的相配合的外殼孔、軸的精度并進行標注；常用鍵聯結的精度設計及標注；齒輪精度設計及標注等多種形式的練習。使學生通過作業掌握基礎知識進而提升應用能力，并具有一定的探究性和個性化，滿足不同學生的學習需求。

3 實驗內容和實驗方法的教學改革

良好的教學效果離不開實驗的輔助。傳統的實驗只是完成演示，對學生知識的掌握幫助較小。根據教學內容設置的需要，增添設備，重新規劃實驗室的建設，建成“創新型”實驗室。新建實驗室包括虛擬仿真實驗室和實體實驗室。虛擬實驗室通過與相關公司合作采用虛擬現實技術開發而成。虛擬現實是最近幾年才出現的新科技，簡單說就是通過電腦模擬產生一個三維空間的虛擬世界，使操作者產生視覺、聽覺、觸覺等器官的反應，如同身在操作現場一樣，可以身臨其境觀察三度空間內的事物。目前，虛擬現實技術已經廣泛應用于航空航天、機械設計與制造、教學等諸多領域。對于當今社會的教學方式，不能單純地依靠教師講授的形式。三維技術應用可以使學習更形象生動，學生更容易理解和掌握。復雜的實驗先通過三維課件演示再進行實際的操作,例如，“通用減速器”的拆裝及測量實驗，首先通過三維課件給學生展示減速器的結構及作用，然后展示手動拆卸和裝配的過程：從箱座到主動軸的結合、從動軸的結合到軸套、箱蓋、軸承端蓋等到端蓋螺釘等進行詳細的三維展示。在這個過程中進一步展示各類零件的尺寸精度、形狀和位置精度及表面粗糙度的要求及作用，以及它們對減速器質量的影響。最后是學生實際拆裝操作及進行齒輪、軸、軸承的各參數測量。這樣的實驗過程使學生對相關參數的設計理解更加透徹。新實驗室還可以根據教學內容和要求設計相關實驗內容。例如，教師提供軸、齒輪、箱體、軸承端蓋的零件圖及實際工件讓學生根據實驗室已有的實驗儀器，檢測軸、齒輪是否合格等。

通過實驗幫助提高課程實施的多樣性和有效性，改變學生的學習方式，使學生在實驗中學、探究中學。有利于增強學生的探究能力和創新意識，為學生提供更豐富、便捷的學習方式。整個課程結束后，學生也可以根據學習內容完成課程設計并設計相關的實驗內容和過程。

當代的大學生和以往的學生相比有更開放的思維，有更多的知識通道，傳統的教學方法很難適應學生的需求。當今社會科學技術的飛速發展對人才培養也提出了不同層次的要求，除了為學生打下雄厚的理論知識基礎，培養研究型人才外，社會還需要大量的實用性、創新性人才。通過這一系列的教學改革措施，使得我校在培養實用性、創新性人才方面，取得了很好的效果，積累了一定的教學經驗。在今后的教學過程中，會努力探索更好的教學模式，把《互換性與技術測量》打造成新工科專業的一門耀眼的金課。