依托自制儀器對公差實驗進行OBE改造的探索

李忠新，孔 鑫，宮 琳，呂唯唯

（1.北京理工大學 機械與車輛學院，北京 100081； 2.北京理工大學 地面機動裝備國家級實驗教學示范中心，北京 100081）

綜合性實驗是指學生應用一門或多門課程相關知識，進行綜合訓練的復合性實驗，有利于促進學生知識應用、思維訓練、能力養成和綜合素質的全面協調發展，一直是高校實驗教學改革的重要方向[1-2]。公差實驗作為機械類專業人才培養的重要教學組成，要求學生掌握必要的檢測手段和檢測方法，并在實驗過程中培養分析問題和解決問題能力[3-5]。北京理工大學地面機動裝備國家級實驗教學示范中心以公差實驗的傳統項目“齒輪齒圈徑向跳動測量實驗”為例，基于OBE理念，自制模塊化徑向跳動自動檢測儀并同步進行了實驗的綜合性設計與改造升級，已在教學中進行了應用與檢驗。

1 模塊化徑向跳動自動檢測儀

實驗設施陳舊，各廠家儀器設備大同小異多側重于原理驗證，功能較單一且缺乏多樣性、靈活性，難以為綜合性實驗提供有效支持等[6]，是公差實驗等傳統實驗教學面臨的主要問題之一。“工欲善其事，必先利其器”，模塊化徑向跳動自動檢測儀的研制，為齒輪齒圈徑向跳動測量實驗的綜合性設計與改造升級提供了有力的條件支持。

模塊化徑向跳動自動檢測儀，以知識點的多維融入與應用為指導思想，以小型化、模塊化、經濟性為基本原則進行設計，主要包括了底座板、頂尖模塊、絲杠滑臺模塊、數顯采集模塊、定位工裝、被測對象等功能與結構模塊，如圖1所示。

圖1 模塊化徑向跳動自動檢測儀結構簡圖

模塊化徑向跳動自動檢測儀集成了測量測試儀器設備中的多種常見結構形式，提供開放的實驗條件。實驗過程中，學生首先需要思考分析測量儀器設備自身的精度來源與保障措施并自主搭建測量平臺，涉及機械制圖、機械設計、幾何精度與公差設計、機械制造工藝學等多門課程的相關知識點。自主思考搭建測量平臺能夠極大地提升學生的主動性、積極性和實驗興趣與參與度，有利于實驗學習目標的實現。

模塊化徑向跳動自動檢測儀的控制系統包括數顯千分表、RS232轉USB數據線、計算機及數據采集系統。該數顯千分表最小分辨率1 μm，測量范圍12.7 mm，全程精度5 μm，回程精度3 μm。數顯表通過RS232轉USB數據線與計算機相連，操作人員可通過數據采集系統自動采集數據，提高數據采集效率，消除讀數誤差。

2 基于OBE理念的實驗設計與改造升級

工程教育專業認證標準明確了高校實驗實踐教學的目的、意義和重要性，更加重視考察學生綜合運用所學科學知識和技術手段解決復雜工程問題的能力[7]。實驗項目作為實驗實踐教學的基本單元，在工程教育專業認證背景下，基于OBE理念進行升級改造，是實驗實踐教學改革尤其是傳統實驗項目改造升級的重要途徑。基于OBE理念的實驗項目升級改造，旨在探索以學生為中心，強化主動學習并通過不斷反饋驅動學習目標和結果的實驗教學模式。

2.1 實驗教學目標設計

齒輪齒圈徑向跳動測量實驗的目標達成度要求學生掌握分析和解決齒輪齒圈徑向跳動測量實際問題的基本技能和方法，具備綜合運用課程所學知識與技術手段設計徑向跳動自動檢測儀與測量實驗的能力，掌握機械、計算機相結合的現代測量方法和實驗方法，并能夠對實驗結果與數據進行分析處理。

為實現上述教學目標，需要重新設計實驗方案，擺脫學生進入實驗室利用現有設備按步驟進行簡單操作并記錄數據的簡單機械式實驗模式。

2.2 自主實驗教學模塊設計

齒輪齒圈徑向跳動測量實驗，依托自制模塊化徑向跳動自動檢測儀進行綜合性設計與升級改造，主要包括徑向跳動自動檢測儀結構認知、徑向跳動檢測儀裝配、徑向跳動測量、研究型實驗報告撰寫等環節，如圖2所示。

圖2 齒輪齒圈徑向跳動測量實驗模塊化培養體系

（1）徑向跳動自動檢測儀結構認知。結構認知是綜合性實驗設計與改造的基礎模塊。結構認知模塊綜合了機械制圖、機械設計等課程的相關知識點，實驗過程中，學生首先需要根據裝配簡圖理解徑向跳動自動檢測儀的模塊化結構，辨識主要結構與零部件并思考功能與應用條件等，為后續的徑向跳動檢測儀裝配做好準備。

（2）徑向跳動自動檢測儀裝配設計。徑向跳動自動檢測儀裝配設計涉及幾何精度與公差設計、機械制造工藝學等課程的多個知識點。徑向跳動自動檢測儀作為測量儀器設備，自身應該具備基本的精度指標主要來源于設計精度、零部件加工精度（外購件與標準件技術參數）、裝配精度3個方面。其中，設計精度和零部件加工精度在實驗開始之前已經固化，而裝配精度則是實驗過程中需要重點考慮與保證的因素。實驗過程中，學生需要根據問題引導思考規劃徑向跳動自動檢測儀裝配工藝甚至對零部件結構或設計進行質疑，如各零部件之間是否有位置公差要求，其精度如何保證，等等。通過徑向跳動自動檢測儀裝配，學生加深了對機械制圖與公差課程中的同軸度、平行度概念的理解與應用，提高了實驗參與度和實驗積極性，并通過不斷的思考與反饋交流提升測量實驗的問題分析與解決能力。

（3）徑向跳動測量。學生利用搭建好的徑向跳動自動檢測儀完成徑向跳動的測量并記錄實驗數據。利用模塊化徑向跳動自動檢測儀，學生可以自由選擇被測對象設計測量方案，既可以進行齒輪齒圈徑向跳動的測量，也可以進行圓柱的圓跳動和徑向全跳動測量。該模塊在原有齒輪齒圈徑向跳動的概念上，進一步融入圓跳動、徑向全跳動等幾何量概念，再次豐富了實驗內涵。數據測量環節，學生還需要掌握數顯千分表的自動數據采集功能，提高現代工具與方法應用能力。

（4）研究型實驗報告撰寫。研究型實驗報告要求學生自行設計實驗報告模板，全面記錄實驗過程、問題分析與解決情況、數據分析處理等，同時，還要求學生結合實驗過程自行確定切入點，查詢文獻并進行相關研究現狀與技術發展應用分析總結，全面提升學生的文獻資料查閱分析、論文寫作與表達能力。

2.3 問題導向漸進引導式教學方法

以解決問題為著眼點，引導學生由被動接受講解，轉變為主動綜合運用所學知識發現、提出、思考與解決問題，有利于培養學生的主動思考習慣，有助于培養學生創新思維和獨立解決實際問題能力[8]。

徑向跳動測量綜合性實驗設計與改造過程中，采用了基于問題導向的漸進引導式教學方法，如圖3所示，在主問題下，基于實驗流程與環節設計了顯性問題和隱性問題共同發力的漸進式引導問題。其中，主問題貫穿于整個實驗過程，顯性問題屬于學生實驗過程中會主動發現并思考解決的問題；而隱性問題則為實驗過程中學生容易忽略或需要被動引導思考解決的問題。對于隱性問題，教師不直接提問或引導，而是實驗過程中根據學生的操作以側面分析詢問為主的方式引導學生思考并發現與解決問題，進一步提高學生的參與度和強化學生通過實踐主動提問、質疑以及思考解決問題的意識與能力，同時也進一步拓展實驗涉及知識點并鞏固學生對相關知識點的理解與應用。

圖3 基于問題導向的漸進式引導教學方法

3 徑向跳動測量綜合實驗教學成效

經過改造升級的徑向跳動測量綜合實驗 2019年已應用于示范中心的“幾何規范學”課程實驗和暑期科創實踐集訓營等教學實踐環節，應用成效顯著。針對實驗實踐成效的評價包括學生實驗過程表現分析、實驗報告分析和問卷調查分析三種形式。

對比于改造前，學生的實驗參與度和實驗興趣明顯大幅提高，但受傳統實驗模式的影響，主動提問交流情況仍不太理想。通過實驗報告和匿名問卷調查分析，多數同學認為教學內容豐富，拓展和鞏固了相關知識點的理解與應用；同時，學生對問題導向漸進引導式實驗教學方法也給予了較高的評價和認可，認為教學方法新穎，有助于學生自主分析問題和解決問題的意識與能力培養。學生對綜合實驗的總體評價如圖4所示，基于OBE理念的綜合性實驗設計與改造升級初現成效。

圖4 徑向跳動測量綜合實驗學生評價

實驗報告分析和匿名問卷調查分析，還為綜合實驗的持續改進優化提供了依據，體現了OBE教學理念的“以學生為中心”和“持續改進”基本思想。

模塊化徑向跳動自動檢測儀、徑向跳動測量綜合實驗及其教學應用于2019年10月順利通過了我校資產與實驗室管理處組織的實驗室研究項目結題驗收，并獲得了驗收組專家的高度評價和認可。

4 結語

依托自制儀器設備，根據實驗教學目標規劃設計了自主實驗教學模塊與實驗教學方法，完成了傳統齒輪齒圈徑向跳動測量實驗升級為徑向跳動測量綜合實驗的OBE改造。模塊化教學內容的設計和問題導向的漸進式教學方法的設計使用，顯著提高了學生的實驗興趣和參與度，有助于學生主動發現、分析和解決問題意識與能力的培養。傳統實驗項目的OBE改造初現成效，并為其他工科類似傳統實驗項目的OBE改造升 級提供了參考途徑與方法。