“公差與技術(shù)測(cè)量基礎(chǔ)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探究

摘"要：“公差與技術(shù)測(cè)量基礎(chǔ)”是機(jī)械類專業(yè)必修的基礎(chǔ)課程，是設(shè)計(jì)類課程和制造類課程的聯(lián)系紐帶。本文以學(xué)生的創(chuàng)新和應(yīng)用能力為導(dǎo)向，對(duì)“公差與技術(shù)測(cè)量基礎(chǔ)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀及存在的問題進(jìn)行了分析。在愛課程平臺(tái)上搭建了理論和實(shí)驗(yàn)課程，深化線上線下混合式教學(xué)；突出行業(yè)特色，基于最新的科研成果開展探索性實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生逐步形成工程意識(shí)；將機(jī)械設(shè)計(jì)、制造、檢測(cè)的理論與實(shí)踐有機(jī)結(jié)合，訓(xùn)練學(xué)生合理進(jìn)行機(jī)械精度設(shè)計(jì)和精度檢測(cè)，綜合提升學(xué)生解決實(shí)際問題的能力。

關(guān)鍵詞：公差與技術(shù)測(cè)量；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；探索性實(shí)驗(yàn)；工程應(yīng)用

“公差與技術(shù)測(cè)量基礎(chǔ)”是高等院校機(jī)械類、儀器儀表類專業(yè)必修的主干課程。課程上連“機(jī)械制圖”“機(jī)械原理”“金屬工藝學(xué)”，下接“機(jī)械設(shè)計(jì)”“機(jī)械制造基礎(chǔ)”等機(jī)械類專業(yè)課程，是聯(lián)系工藝課程和設(shè)計(jì)課程的技術(shù)基礎(chǔ)課。通過該課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠獲得機(jī)械工程師所必須具備的互換性與技術(shù)測(cè)量方面的基本知識(shí)、基本技能，掌握機(jī)械精度設(shè)計(jì)與檢測(cè)的原則與方法。學(xué)生能夠根據(jù)功能性和經(jīng)濟(jì)性協(xié)調(diào)的原則，合理進(jìn)行機(jī)械精度設(shè)計(jì)和精度檢測(cè)，提高分析問題和解決問題的能力。

實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐教學(xué)在高校工科教育中占有重要的地位，對(duì)學(xué)生的主動(dòng)學(xué)習(xí)能力以及綜合創(chuàng)新能力的培養(yǎng)具有重要的推動(dòng)作用［1］。“公差與技術(shù)測(cè)量基礎(chǔ)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)是為滿足該課程培養(yǎng)目標(biāo)設(shè)置的專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課，實(shí)驗(yàn)教學(xué)將理論與實(shí)踐相結(jié)合，要求學(xué)生具備較強(qiáng)的實(shí)踐能力。新工科建設(shè)背景下，高校對(duì)人才的培養(yǎng)目標(biāo)從傳統(tǒng)的工科人才轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂袆?chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力、具備解決交叉復(fù)合問題的卓越工程科技人才［2］。目前的實(shí)驗(yàn)教學(xué)以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及實(shí)驗(yàn)手段較陳舊，難以滿足新工科的要求。因此，探索綜合性、創(chuàng)新性、有特色的實(shí)驗(yàn)教學(xué)勢(shì)在必行。

1"教學(xué)現(xiàn)狀及存在的問題

“公差與技術(shù)測(cè)量基礎(chǔ)”課程具有較強(qiáng)的實(shí)用性和技術(shù)性，實(shí)驗(yàn)課將課堂的理論知識(shí)轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用，是教學(xué)的重要環(huán)節(jié)。從歷年對(duì)該課程的反饋調(diào)研中了解到，部分學(xué)生存在“聽得懂，不會(huì)用”的現(xiàn)象。從實(shí)驗(yàn)教學(xué)角度，總結(jié)目前存在的問題如下。

1.1"實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源不足，教學(xué)模式單一

傳統(tǒng)的公差實(shí)驗(yàn)課包含教師講解實(shí)驗(yàn)原理、操作演示、學(xué)生實(shí)驗(yàn)、數(shù)據(jù)整理及提問等環(huán)節(jié)，教師往往需要花費(fèi)較多課堂時(shí)間講解實(shí)驗(yàn)原理及實(shí)驗(yàn)步驟，學(xué)生缺乏深度思考。缺乏“公差與技術(shù)測(cè)量基礎(chǔ)”相關(guān)實(shí)驗(yàn)課程的開放平臺(tái)，可參考的實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源不足，也是導(dǎo)致教學(xué)模式單一的原因。由于課堂討論的時(shí)間非常少，學(xué)生做實(shí)驗(yàn)時(shí)都是“依葫蘆畫瓢”，這種實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式不利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和解決問題的能力。

1.2"缺少與工程應(yīng)用緊密聯(lián)系的教學(xué)內(nèi)容

《公差與技術(shù)測(cè)量基礎(chǔ)》的理論知識(shí)多源于工程經(jīng)驗(yàn)和實(shí)踐的總結(jié)提煉。傳統(tǒng)的公差實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和工程實(shí)踐與學(xué)科前沿結(jié)合較少，學(xué)生對(duì)于精度設(shè)計(jì)及測(cè)量在工程中的應(yīng)用認(rèn)知不深，很多學(xué)生不具備完整參與一項(xiàng)機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造全過程的條件和能力［3］。設(shè)計(jì)中不知道如何應(yīng)用公差知識(shí)進(jìn)行精度設(shè)計(jì)和圖樣標(biāo)注，拿到加工好的產(chǎn)品后不知道如何判斷產(chǎn)品的精度、形位公差是否合格。作為最重要的實(shí)踐部分，“公差與技術(shù)測(cè)量基礎(chǔ)”的實(shí)驗(yàn)課適當(dāng)?shù)匾牍こ瘫尘盎蚬こ虘?yīng)用是亟待解決的問題。

1.3"缺少綜合性、探索性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生創(chuàng)新能力不足

從以往的畢業(yè)設(shè)計(jì)可以看出，學(xué)生對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造、檢測(cè)缺乏系統(tǒng)性、整體性的認(rèn)知。傳統(tǒng)的公差實(shí)驗(yàn)教學(xué)以單項(xiàng)測(cè)量實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)過程雖然順利，但從實(shí)驗(yàn)中獲取的知識(shí)和技能有限。而探索性實(shí)驗(yàn)多選擇綜合性和研究性的題目，學(xué)生的參與度與熱情更高，與科研工作結(jié)合更緊密，從而能夠培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用相關(guān)課程知識(shí)系統(tǒng)解決問題的能力。為了彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程的不足，嘗試開展探索性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目是實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的方向。

2"教學(xué)改革措施

2.1"線上線下教學(xué)相結(jié)合

“慕課”是當(dāng)前廣泛采用的一種教學(xué)手段。2020年，我校“公差與技術(shù)測(cè)量基礎(chǔ)”課程獲評(píng)北京高校重點(diǎn)優(yōu)質(zhì)本科課程。“公差與技術(shù)測(cè)量基礎(chǔ)”教學(xué)團(tuán)隊(duì)在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建了慕課網(wǎng)絡(luò)教學(xué)模式，開發(fā)的“公差與技術(shù)測(cè)量基礎(chǔ)”課程在慕課共享平臺(tái)上線。其中，實(shí)驗(yàn)教學(xué)的慕課內(nèi)容根據(jù)本校“公差與技術(shù)測(cè)量基礎(chǔ)”課程特色和教學(xué)大綱開發(fā)制作，包括線下對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)儀器簡(jiǎn)介、實(shí)驗(yàn)操作演示、需要完成的實(shí)驗(yàn)報(bào)告內(nèi)容、思考題等。圖1為中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）“公差與技術(shù)測(cè)量基礎(chǔ)”慕課的實(shí)驗(yàn)操作演示。依托慕課資源的平臺(tái)優(yōu)勢(shì)，逐步推行實(shí)驗(yàn)教學(xué)線上線下相結(jié)合的教學(xué)模式并進(jìn)行探討研究。

實(shí)驗(yàn)的課前準(zhǔn)備是實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)的必要環(huán)節(jié)，直接影響著實(shí)驗(yàn)效果及學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解掌握程度。公差實(shí)驗(yàn)中，光切顯微鏡、內(nèi)徑百分表的實(shí)驗(yàn)原理、數(shù)據(jù)的提取較為復(fù)雜，齒輪精度測(cè)量的概念及實(shí)驗(yàn)步驟較易混淆。由于缺乏相匹配的線上教學(xué)資源，在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)課前準(zhǔn)備過程中，學(xué)生只能根據(jù)教師下發(fā)的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書進(jìn)行預(yù)習(xí)，課前預(yù)習(xí)往往流于形式，無(wú)法激發(fā)學(xué)生自主探索的興趣。慕課資源建成后，教師預(yù)先在慕課平臺(tái)上發(fā)布學(xué)習(xí)任務(wù)，引導(dǎo)學(xué)生利用慕課資源，有針對(duì)性地參照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書進(jìn)行課前預(yù)習(xí)，觀看實(shí)驗(yàn)演示視頻。通過預(yù)習(xí)，學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)原理及步驟有了較清晰直觀的認(rèn)識(shí)，部分學(xué)生還會(huì)提出疑問并查閱相關(guān)資料。學(xué)生可以與教師在線交流，教師及時(shí)為學(xué)生答疑解惑，根據(jù)學(xué)生的掌握程度，調(diào)整優(yōu)化線下的課程安排。

分課堂教學(xué)時(shí)，有了課前預(yù)習(xí)的基礎(chǔ)，教師不再需要花費(fèi)大量時(shí)間對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器的結(jié)構(gòu)、實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行講解和演示，而是有針對(duì)性地講授實(shí)驗(yàn)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)部分。學(xué)生成為課堂的主體，在實(shí)驗(yàn)中進(jìn)一步深入理解相關(guān)原理。學(xué)生自主探索、課堂討論的時(shí)間增加了，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容也有了進(jìn)一步創(chuàng)新的空間。

課后，學(xué)生通過慕課進(jìn)行復(fù)習(xí)，對(duì)線下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，鞏固、總結(jié)理論與實(shí)踐知識(shí)。教師依據(jù)學(xué)生在線學(xué)習(xí)時(shí)間、課堂掌握情況、實(shí)驗(yàn)報(bào)告完成度評(píng)估學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況。

2.2"與行業(yè)特色相結(jié)合的實(shí)例教學(xué)

行業(yè)特色型大學(xué)作為我國(guó)高等工程教育的重要組成部分，在新工科建設(shè)中起到不可替代的作用［4］。我校作為傳統(tǒng)行業(yè)特色型大學(xué)，一直在探索將新工科的理念與高等工程教育改革相結(jié)合的工程教育體系。

“公差與技術(shù)測(cè)量基礎(chǔ)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革在總結(jié)以往工程教育成功經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，將具有行業(yè)特色的實(shí)例與教學(xué)相結(jié)合，發(fā)揮自身優(yōu)勢(shì)，基于礦山機(jī)械最新研究成果，讓學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)課程去學(xué)習(xí)和探索機(jī)械零部件關(guān)鍵公差參數(shù)的測(cè)量和分析方法。

本實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革選取電磁先導(dǎo)閥作為教學(xué)實(shí)例。液壓支架電液控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)煤礦綜采工作面自動(dòng)化、智能化的重要裝備，在該系統(tǒng)中，電磁先導(dǎo)閥是電液控制閥組的核心元件。此次教學(xué)改革選用的電磁先導(dǎo)閥閥體來(lái)自機(jī)電學(xué)院教職人員自主研發(fā)的科研項(xiàng)目成果。電磁先導(dǎo)閥的組成零件尺寸較小且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，僅用普通的測(cè)量工具無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量其尺寸精度和幾何精度。

三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)是基于三維坐標(biāo)測(cè)量的數(shù)字化精密測(cè)量設(shè)備，具有精度高、穩(wěn)定性好、效率高等特點(diǎn)，常用于復(fù)雜型面檢測(cè)、逆向工程、精密模具及航空航天、汽車零件的制造應(yīng)用等。本實(shí)驗(yàn)所用MicroVu三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)包含光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)和接觸式測(cè)量系統(tǒng)，二者可協(xié)調(diào)運(yùn)行，能夠測(cè)量工件的尺寸精度、定位精度、幾何精度及輪廓精度。

本課程所用電磁先導(dǎo)閥閥體由機(jī)電學(xué)院教學(xué)與科研實(shí)驗(yàn)中心的五軸數(shù)控加工中心生產(chǎn)。讓學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)課程去了解行業(yè)最新研究成果，學(xué)習(xí)和探索電磁先導(dǎo)閥關(guān)鍵公差參數(shù)的測(cè)量和分析方法，熟悉三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的使用方法。

本實(shí)驗(yàn)中，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的臺(tái)套數(shù)很少，因此實(shí)行小組教學(xué)。學(xué)生在預(yù)習(xí)時(shí)先查閱和電磁先導(dǎo)閥相關(guān)的背景研究，對(duì)電磁先導(dǎo)閥的技術(shù)特點(diǎn)、加工方法有初步的了解。課堂上，每個(gè)小組經(jīng)過討論設(shè)計(jì)電磁先導(dǎo)閥閥體的測(cè)量和評(píng)價(jià)方法，結(jié)合實(shí)驗(yàn)教師的指導(dǎo)，確定最終的實(shí)驗(yàn)方案。

三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)是精密儀器，實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中需要花費(fèi)一定時(shí)間演示、講解。由于電磁先導(dǎo)閥閥體孔道較多，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)光源的調(diào)節(jié)和選擇尤為重要，部分階梯孔需要學(xué)生細(xì)致、耐心地反復(fù)手動(dòng)對(duì)焦測(cè)量。建立合適的坐標(biāo)系也考驗(yàn)學(xué)生對(duì)于測(cè)量基礎(chǔ)知識(shí)的掌握情況。

如圖2所示，電磁先導(dǎo)閥閥體的測(cè)量包括檢測(cè)閥體表面的質(zhì)量、螺紋、平面度、孔的圓跳動(dòng)、孔與表面的垂直度、測(cè)量元素的位置度、同心孔的同軸度等關(guān)鍵形位公差參數(shù)，本實(shí)驗(yàn)有助于學(xué)生直觀且進(jìn)一步深入理解較為抽象的形位公差概念。

有別于傳統(tǒng)的公差實(shí)驗(yàn)，電磁先導(dǎo)閥測(cè)量實(shí)驗(yàn)是探索性實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容基于最新的行業(yè)研究成果，通過將教學(xué)與科研相融合，深化實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程的改革，突出行業(yè)特色，提高學(xué)生分析問題和實(shí)踐創(chuàng)新的能力。

2.3"與“機(jī)械制造”等課程相結(jié)合進(jìn)行教學(xué)

“互換性與技術(shù)測(cè)量”與機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械制造、質(zhì)量控制等方面密切相關(guān)，是聯(lián)系“工程制圖”“機(jī)械設(shè)計(jì)”“機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)”“機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì)”等課程及其課程設(shè)計(jì)的紐帶［5］。

近些年，實(shí)踐類課程在本科教學(xué)中的比重越來(lái)越大。機(jī)械與電氣工程學(xué)院持續(xù)購(gòu)入了五軸數(shù)控加工中心、車銑復(fù)合中心、三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、智能生產(chǎn)線等先進(jìn)制造及檢測(cè)設(shè)備，旨在將理論與實(shí)踐教學(xué)緊密聯(lián)系起來(lái)，將機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械制造等機(jī)械工程專業(yè)學(xué)生所必須掌握的學(xué)科知識(shí)系統(tǒng)地融匯結(jié)合。

“機(jī)械設(shè)計(jì)”的課程設(shè)計(jì)中，每個(gè)小組的同學(xué)根據(jù)不同的初始條件，設(shè)計(jì)出具有一定差異性的機(jī)械零部件，并進(jìn)行機(jī)械制圖。利用學(xué)院的加工設(shè)備，在實(shí)驗(yàn)教師的指導(dǎo)下，由學(xué)生完成自己設(shè)計(jì)的軸孔類零件的加工制造并進(jìn)行裝配。

零件的加工精度由設(shè)計(jì)者根據(jù)零件功能要求提出，按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)注在圖紙上。前述由學(xué)生設(shè)計(jì)的軸孔類零件應(yīng)達(dá)到互換性的要求，在圖紙中標(biāo)注加工精度。零件的加工精度主要包括：尺寸精度、幾何形狀精度、相互位置精度和表面粗糙度［6］。加工后的零件存在加工誤差，學(xué)生需要自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)步驟，檢測(cè)加工的零件是否滿足公差要求，對(duì)關(guān)鍵部件的加工質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，找出不合格的原因，思考初始設(shè)計(jì)的合理性。

通過該實(shí)驗(yàn)，結(jié)合理論課中講授的公差帶圖，進(jìn)一步總結(jié)出間隙配合、過渡配合、過盈配合的特點(diǎn)，鞏固包容原則、最大實(shí)體原則、最小實(shí)體原則的概念。

同時(shí)，該實(shí)驗(yàn)有助于學(xué)生深入理解加工精度、公差和加工誤差之間的關(guān)系，分析加工誤差產(chǎn)生的原因，引導(dǎo)學(xué)生探究產(chǎn)品加工精度的控制方法，使學(xué)生掌握機(jī)械設(shè)計(jì)與制造相關(guān)的互換性與標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)知識(shí)，學(xué)會(huì)根據(jù)功能性和經(jīng)濟(jì)性協(xié)調(diào)的原則合理進(jìn)行機(jī)械精度設(shè)計(jì)和精度檢測(cè)，為進(jìn)一步應(yīng)用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和控制產(chǎn)品質(zhì)量奠定基礎(chǔ)。

結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)“公差與技術(shù)測(cè)量基礎(chǔ)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革進(jìn)行了探討研究。針對(duì)目前實(shí)驗(yàn)教學(xué)中所存在的問題，在愛課程平臺(tái)上構(gòu)建了“公差與技術(shù)測(cè)量基礎(chǔ)”課程，推行實(shí)驗(yàn)教學(xué)線上線下相結(jié)合的教學(xué)模式；將具有行業(yè)特色的工程實(shí)例與教學(xué)相結(jié)合，開展探索性實(shí)驗(yàn)；通過實(shí)踐與實(shí)驗(yàn)課程，將機(jī)械基礎(chǔ)知識(shí)系統(tǒng)性地融匯結(jié)合，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的綜合應(yīng)用，提高學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，逐步形成較為完整的知識(shí)體系。通過教學(xué)改革與實(shí)踐，學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的積極性有了明顯提高，取得了良好的教學(xué)效果。

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項(xiàng)目基金：2022年中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）本科教育教學(xué)改革與研究項(xiàng)目“基于能力導(dǎo)向的《公差與技術(shù)測(cè)量基礎(chǔ)》實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與研究”，項(xiàng)目編號(hào)：J220414

作者簡(jiǎn)介：張弋（1987—"），女，漢族，湖南醴陵人，碩士研究生，工程師，研究方向：機(jī)械工程實(shí)踐教學(xué)、礦山機(jī)械。