機械專業“互換性測量技術”課程的案例式教學應用

鄧克，高文斌，劉濤

（安徽工業大學 機械工程學院，安徽 馬鞍山 243002）

0 引言

“互換性測量技術基礎”是機械類及近機類專業的重要技術基礎課，是和機械工業緊密聯系的基礎學科。課程教授內容主要包含幾何量公差參數和誤差檢測兩方面，包括互換性簡介、標準化與優先數系、光滑圓柱體結合的互換性及檢測、測量技術基礎、光滑極限量規設計、幾何公差及檢測、表面粗糙度及檢測、滾動軸承互換性、鍵和花鍵互換性及檢測、普通螺紋結合互換性及檢測、漸開線圓柱齒輪傳動互換性及檢測等。教學內容來源于相關國家標準，教學目的是宣傳和貫徹國家標準，掌握有關互換性的國家標準、常用零（部）件的精度設計與檢測。課程是從事機電類各崗位工作人員必備的知識與技能，是聯系基礎課與實踐教學、專業課的紐帶[1]。

“互換性測量技術基礎”課程具有以下特點：標準項目多，包括相關國家標準、行業標準、各公差偏差標準、檢驗檢測標準等；符號代號多，包括各種極限與配合代號、形位公差符號、表面粗糙度符號等；抽象概念多，如極限與配合、公差原則、誤差相關概念等；名詞術語多，如各種尺寸術語、要素術語、測量技術術語等；知識點抽象且實踐性強，例如在采用包容要求時尺寸公差與幾何公差的相互關系、特點和應用；涉及知識面廣，課程內容還涉及到“機械制圖”中的圖樣表達和標注、“機械設計”中的典型機械零件基礎知識和應用、“機械原理”中的機械結構基礎知識等。這些特點決定了“互換性測量技術基礎”課程的教學必須不斷探究、采用與課程特點相適應的教學方式和手段，才能對癥下藥地掃除那些與教學不適應的攔路石，事半功倍地達到教學目標。

1 案例式教學簡介

案例式教學最早來自于結合具體場合情形景象的課程教學，目前已成為極具效果、應用廣泛的教育培訓方法。其通過設置直觀形象的特定場合和情境，使課程中的隱性知識顯性化，將顯性知識轉變為個體的內在認知，促進課程知識與內在認知的相互結合與轉化。

案例式教學是通過教師精心策劃與指導，根據教學目的設計典型案例，運用案例講授知識，并調動學生參與到案例分析、討論與實踐中，提高其分析和解決具體工程問題的能力，培養理論聯系實際能力、主動學習方法、溝通能力、創新思維和合作精神[2]。案例式教學需要根據各個專業及課程的特點，結合每章節的教學計劃、具體內容和相關教學要求，選擇合適的案例，將專業知識內容和應用體現在所選案例內，并采用教師與學員互動的教學模式，簡化授課方式、豐富授課內容、加深學習印象，調動學生積極性，讓學生能夠理解和掌握相關教學內容并學以致用。

案例式教學有如下優點。

1）引導學生培養和提升能力。

課堂所學知識不完全等同于能力，學生應該將知識轉化為思考和應用能力。如果學生只注重課本知識的學習而缺乏應用和實踐能力的培養，就會不利于自己將來職業和工作的發展，并且也對社會和國家的發展產生不良后果，影響創新性和可持續發展性，案例式教學可以培養學員的專業思維，鍛煉實踐能力，起到引導和強化的作用。學員通過縝密、審慎地思考，提出自己的思考結論，即案例問題的解決方案，這是學生能力的提升過程。通過反復多次的案例練習，學生理論聯系實際的能力和應用能力將獲得很大的提高，提升了學習效果和質量。

2）加強師生雙向交流。

在案例教學中，學生首先是閱讀和了解案例，然后回憶或查閱案例中涉及的各種理論知識，這實際上促進了他們積極主動的理解知識，在獲得相關理論知識的支持之后，學生要表述自己的觀點，這加強了學生和教師之間的交流。同時，學生的回答要由老師引導、分析和總結，這促使了老師根據學生的不同理解方向，多角度、廣縱深地思考，并將新的思考結論增加到教學內容中。這種教學形式促進了師生之間的雙向交流，學生向教師提出了自己的見解和疑惑，教師也對學生的學習現狀和掌握情況有了更清晰的了解，便于調整教學方法和教學內容，實現教學相長，課程教學中共同獲益。

3）激發學生思考的主動性和獨立性。

在案例教學中，由于學生需要自己思考、研判和論證方案，每個案例參與者都要對自己和別人的方案思索和判定，使得學習內容和過程由單一枯燥變為具體生動，發表觀點這一環節的設定也給學生創造了適當的壓力和挑戰，從內部和外部兩方面都將激發學生思考的主動性和獨立性。此外，案例教學后續的交流總結過程也非常有益，通過對案例的研討，教師學生共同相互學習，學生主動交流、互相激勵，使得落后的學生產生上進心，激發超越自我的內在動力，更為積極地思考案例，主動地學習和應用課程知識。

2 “互換性”課程案例式教學的必要性

“互換性測量技術”課程的理論性和實踐性很強，機械專業原教學模式和方法已不適應高素質應用和“技術技能型”人才的培養要求，主要有以下表現。

1）傳統教學方法都是按教材知識邏輯講授課程內容，以理論知識學習為主，沿用了本科院校“學術型”人才的培養模式，講述理論知識全面系統，但與工程應用的聯系和綜合應用重視不足，不適應培養目標和課程應用需要。

2）課程屬于純工科課程，概念符號多、理論內容較多、專業性較強，又涉及機械制圖、機械設計等課程知識，整個學習過程相對單調枯燥，且課時一般被壓縮為32學時，學生如果理論基礎不夠扎實、學習能力一般，就會使得學習困難、學習效果不佳。

3）原教學方式主要采用老師在上面講、學生在下面聽的灌輸式教學，教學方法單一，缺少師生互動，致使學生缺少學習興趣和主動性，導致學生在課程學完后雖對互換性國家標準有一定了解，但理解不到位，缺少深刻認知，實踐應用能力明顯欠缺[2]。

4）互換性教材基本都采用偏重于理論知識體系構建及名詞術語解釋的傳統編寫模式，編寫模式缺乏創新性、偏重概念理論介紹，編寫內容與實際應用聯系的緊密性和融合度不足，各章節也基本“自成一體，互不干涉”，對各知識點在工程中的關聯及綜合性應用也缺少歸納和訓練，不利于培養“中國制造2025”需求的技術人才。

為進一步提升機械專業應用型人才培養質量，適應新時代國家和社會對機械人才的專業能力要求，提升教學質量和效果，就需進行改革，在“互換性”課程教學中研究應用案例式教學，將理論教學中復雜難懂的抽象概念結合所選案例進行講解，使相關國家標準更易于理解和掌握，提高學員在工程中的應用能力和綜合分析能力，為今后從事機械設計制造及機加工工藝等工作打下良好基礎[3]。

3 案例式教學的設計與應用

3.1 案例設計與選擇原則

1）適應培養目標和專業特點。

教學中所選案例應符合專業特點和課程培養目標，案例選擇的優劣將對教學效果產生直接的影響。案例要選用與機械專業相關的案例，要能覆蓋課程主要知識點，兼顧與別的課程的聯系，并對后續學習、設計具有借鑒和參考作用。例如學習尺寸公差與配合時，術語概念多、記憶理解困難，此時可選用實際的機械中孔軸配合零部件為案例，對應介紹相關術語和概念，使學生在感性認識實際的機械孔軸配合零部件、加強理論與實踐結合、激發學習興趣的同時，對照工程圖案例學習梳理，更加易于理解，通過對案例的不斷歸納總結和練習，掌握孔軸配合零件的尺寸精度設計方法。

2）選用專業典型案例。

案例教學是通過案例分析討論、總結評述進行教學，因而在選擇案例時應精心選擇，選取適合的機械專業典型性案例，方能更有助于加深理解和掌握知識點，更具有示范意義和普遍適用性。例如學習尺寸公差與配合時，可以選取典型的工程中常用的減速器的孔軸配合件、夾具鉆具；學習幾何公差精度設計時，可以選取滾動軸承的精度設計案例；學習表面粗糙度時，可以選取漸開線圓柱齒輪的精度設計案例等。

3）引入工程和生產實際案例。

案例貼近生產工程實際，有利于提高對原本抽象枯燥概念的學習興趣，有助于學生學以致用，將所學課程知識應用到以后的生產生活中，有助于學生加深對所學課程知識的理解和掌握，舉一反三、開拓思維，提升學習獲得感和成就感，提高教學質量和學習效果[4]。例如在學習量塊知識時，選用工程中常用的總塊數為83塊的一套量塊，學習如何組合量塊、構成所需尺寸的方法；學習零件精度設計時，選擇生產中經常涉及到的減速器輸出軸、內外螺紋聯接副、平鍵或花鍵聯接等精度設計案例。

3.2 案例的分析求解

教師根據教學案例設計重點討論內容，通過分析案例的工程背景、設計要求和包含的精度知識點，鼓勵學生深入剖析案例，應用所學課程理論知識和設計原則，提出并討論各自不同見解，對各求解方案優缺點進行分析討論，應用理論和設計原則，最終解決問題。案例的分析求解過程是在教師引導下，讓學生更加全面深入地理解案例知識點，激發學員對知識的探索欲望，極大地調動主動性和積極性，培養了分析并解決問題的能力。

例如圖1案例，減速器中有一傳動軸與一零件孔采用鍵聯接，對該鍵聯接進行精度設計。首先讓學生分析應用場合，根據鍵在軸槽和輪轂槽中均固定、裝拆方便、對中性好等要求，軸和輪轂孔選用基孔制和過渡配合，根據國標推薦優先配合及精密定位配合的特征，軸和輪轂孔的配合公差帶選用H7/k6；由于該減速器承受載荷不大，確定選用平鍵和正常聯接配合，由軸徑?40 mm查平鍵標準尺寸表，選定鍵公稱尺寸為12 mm×8 mm，得到軸槽寬度b的尺寸公差為N9，輪轂槽寬度b的尺寸公差為JS9，鍵槽深度基本尺寸及所有對應極限偏差。

圖1 孔軸平鍵聯接精度設計

鍵聯接精度設計除了按上述過程設計尺寸公差以外，還要設計軸和輪轂孔的形狀或位置公差，選擇軸和輪轂孔的各處的表面粗糙度參數。為保證鍵易于裝配入鍵槽，鍵兩側的工作面能與鍵槽側面有足夠多的接觸面積，對軸上和輪轂上的鍵槽都規定對稱度公差，被測要素是鍵寬b，基準是軸心線，公差值按照GB/T 1184—1996“形狀和位置公差未注公差值”中對稱度7～9級選取，由鍵寬12 mm、對稱度公差等級7級確定對稱度公差值為0.012 mm，最后根據國標推薦，將鍵槽側面的表面粗糙度參數值取值為Ra3.2 μm，鍵槽底面的表面粗糙度參數值取值為Ra6.3 μm；將上述精度尺寸、參數標注在零件圖中，完成此案例設計。

3.3 案例的教學實施

1）案例教學前準備。

案例教學的教學準備非常重要，除了按其專業認真選取教學案例、擬訂案例教學計劃、問題討論、求解方法以外，還要考慮到案例教學過程中可能會遇到的各種情況，做好預案準備，預先準備好與案例相關的資料、理論知識和應對方法，這就要求教師要有豐富的理論知識和實踐經驗的儲備，并且要考慮周到，計劃周全，同時兼具豐富的課堂教學經驗和教學把握能力。

2）案例演示和討論。

案例教學時教師將所要研習案例通過多媒體進行演示，介紹案例的工程背景、設計要求和所包含精度設計知識點，然后結合案例工程圖樣提出若干重點問題，發動學生圍繞問題思考討論、發表各自不同見解，這個階段重點是鼓勵學生暢所欲言，激發學生的學習討論熱情，不要陷入冷場、教師自說自話的情境。

3）案例分析和總結。

教師對學生的討論結果進行歸納，分析案例的重點和關鍵點及不同求解方案的優缺點，肯定正確認識、否定錯誤認識[5]，深入分析案例和提出問題，應用課程理論知識和設計原則、設計方法去解決問題，進行課堂總結，提出需要注意的學習要點和重點。這個過程要求教師能準確應對，思維敏捷清晰，分析問題切中要害，論述講解到位。

例如：圖2為車床主軸箱局部裝配工程圖樣，教師先展示該圖，讓學生分析各組成零件名稱、作用和裝配關系，再讓學生進一步思考軸與軸承內圈、軸承外圈與帶輪內孔、隔套與帶輪內孔、端蓋凸緣與帶輪內孔這4處應采用的配合類型和公差，提出“如果公差等級和配合設計不合理，會出現何種后果”等問題，引導學生思考探討，學生在教師引導下進行思考后，根據所學理論知識提出并討論各自不同見解。

圖2 車床主軸箱局部裝配圖

學生提出的配合類型和公差選擇方案不盡相同，有的主張采用間隙配合，有的認為過盈配合較適合，還有的傾向于過渡配合，所選用的基準制和公差配合也各種各樣，有的選基孔制，有的選基軸制，還有的采用非基準制。教師先針對性地分析各種配合類型的特點和應用場合，按照基準制選擇原則，與標準件相配合時要依據標準件來確定基準制，軸承為標準件，故確定軸與軸承內圈采用基孔制，軸承外圈與帶輪內孔采用基軸制。為便于拆裝，將隔套、端蓋凸緣與帶輪內孔的兩處配合采用間隙較大的非基準制，再根據公稱尺寸、軸承配合國家標準確定尺寸公差帶。通過案例分析講解，教師既幫助學生復習鞏固了課程內容，又結合案例加強了對各知識點的內在聯系、理解和實際應用，針對性地指正了學生認知中的錯誤，加深了對尺寸公差配合的理解和掌握。

4 結語

案例式教學是通過案例研討、師生交流學習的一種教學方式。教師和學員通過思考分析，研究各種方案的優缺點和適用性，得出結論或案例問題解決方法，并通過自己或者他人的思考來拓寬視野，從而豐富自己的知識，加深對知識的理解。案例式教學的應用對于提高機械專業“互換性測量技術”課程的教學質量和培養創新型的應用人才，具有重要價值。通過對案例式教學的應用研究和教學實踐，“互換性測量技術”課程教學取得了良好效果。