面向工程能力的《互换性与测量技术》实验教学改革探索

喻丽华，张富贵，吴雪梅，杨旭东

(贵州大学机械工程学院，贵州 贵阳 550025)

0 引言

《互换性与测量技术》是机械类专业的一门必修专业技术基础课，也是机械工程技术的一门通用语言，具有知识持续利用率高、服务面大和实践性强的特点[1，2]。然而就是这样一门十分重要的专业技术课，往往是教学与设计实践严重脱节，难以达成工程培养目标要求，从而导致学生在课程设计、毕业设计甚至走上工作岗位后，不能很好地将零件精度设计理论运用到设计实践环节中，甚至出现了一些不应该出现的错误[3，4]。在《互换性与测量技术》课程的实验教学中，如何根据实践教学内容、实验室设备及培养目标要求构建一个以提高学生的工程实践能力为目标的实践教学体系；在综合能力训练中，如何根据本门课程与相关课程的联系实现一种多课程融合式实践教学模式，使学生在掌握典型几何量测量的基础上，进一步加深互换性、标准、公差与配合、计量等概念的理解，并将精度设计理论贯穿在后续的零件部件设计中，达成工程教育培养目标一直是从事测量技术实践教学的教师们共同探讨的问题。笔者结合多年来在本门课程实验教学中的改革尝试进行探讨。

1 《互换性与测量技术》实践教学存在的问题

在“设计、制造、测量”三大环节中，测量占有极其重要的地位，测量是检查、判定机械产品的几何精度是否达到设计和使用要求的最有效手段。测量技术的基本任务是保证产品质量，防止废品产生，降低成本，实现互换性。该课程实践教学的目的是使学生进一步掌握和巩固课堂上所学的公差理论，熟悉常用计量器具的正确使用方法和几何精度的测量，加强对机械制造的质量观念。随着高等教育的改革和机械类专业教学内容的发展与变化，国内不少高校对《互换性与测量技术》课程的理论和实践教学进行了许多积极的探索，总结出许多好的教学方法与改革思路，但仍存在以下主要问题:

1.1 教学内容单一，体系设计不完善

《互换性与测量技术》课程的“互换性”部分(理论教学部分)主要讲述互换性原理、典型零件互换性、几何精度设计与标注等内容，其“测量技术”部分(实践教学部分)主要在实验室完成典型零件的测量进一步加深尺寸公差、形位公差的理解。该课程实验项目的设置通常是根据典型的测量对象分为:光滑轴径测量、光滑孔径测量、形状误差测量、位置误差测量、齿轮误差测量、螺纹参数测量及表面粗糙度测量等7类实验，实验类型多为验证型。学生只需根据实验指导书按照教师提供的实验器具完成相应测量对象的计量工作及合格性判断，这种以教师事先设计好各个实验环节的验证性为主的实验，往往使学生能较好的掌握各种典型测量对象的测量方法，但当学生面对一个复杂零件的测量、精度设计及分析时，往往感到束手无策。

1.2 教育理念落后，教学形式单一

目前大多数测量技术实践教学环节的建设，偏重于实验硬件环境的改善，注重采购高大上的实验仪器，在实验教学方法上仍采用传统的以“老师站学生坐”为主，一本指导书做完整个实验的方式进行教学。这种单一的、被动接受式的实践教学方法忽视了学生的个性需求，忽略了学生的主体地位，禁锢了学生的主观能动性和创造性思维，教学中教师与学生之间缺乏互动和沟通，学生间缺乏必要的协作，不利于学生创新意识、沟通能力及综合实践能力的培养。

1.3 独立式实践教学割裂了课程间的有机联系

《互换性与测量技术》实践课由任课教师根据课程教学需要进行独立设置，实践教学内容基本只涉及本门课程，与本门课程联系最紧密的机械制图、机械制造工艺等课程间的实践教学内容几乎不存在交叉与相互渗透。独立式教学使得原本相互联系的有机课程体系被割裂，大多数学生“只知其然，不知其所以然”。当学生面对课程大作业、课程设计、毕业设计等综合性实践环节及实际工程问题时，往往无法将所学的精度理论运用其中，其最终往往是一种脱离工程实际的设计。

2 面向工程能力的递进式《互换性与测量技术》实践教学体系

2.1 面向工程能力的递进式《互换性与测量技术》实践教学体系框架

针对当前《互换性与测量技术》实践教学内容与形式单一，教学理念落后，教学体系不完善，实际教学效果与预期教学效果差距较大，甚至影响到后续的课程设计、毕业设计教学及实际工程问题的精度设计等问题，构建如图1所示面向工程的递进式《互换性与测量技术》实践教学体系，其主要由“基本技能”、“专项能力”、“综合运用”三个递进式训练层组成[5]。

基本技能训练层主要是使学生了解常用量具、比较式光学计、测长仪、万能工具显微镜等光学仪器测量原理、附件选用与安装、维护保养的基本知识，并掌握其操作、使用、读数方法。专项能力训练层主要使学生掌握轴径、孔径、导轨直线度、主轴位置误差、齿轮参数、表面粗糙度等典型测量对象的测量，进一步加深尺寸公差、形状公差、位置公差、公差与配合、互换性等概念的理解。在完成基本技能、专项能力训练之后，综合运用训练层主要通过课内实践、课内与课外相结合、课外实践、校内与校外相结合等综合实践教学环节，培养学生测量器具的正确选用与使用能力、典型零件的测量能力、零件精度分析及设计能力、工程实践能力、创新能力、沟通能力、团队协作能力。

2.2 面向工程能力的多课程融合式实践教学运行模式

结合当前国际工程教育认证确立的培养目标，在综合运用训练层中，基于CDIO教育理念，以课程体系为支撑，通过以工程为主线的多课程融合实践教学设计，以研究小组为主体的实践教学组织方式，构建如图2所示的面向工程能力的综合实践教学运行模式，其目标是打破传统独立式教学的禁锢，以培养工程师的视觉探索多课程融合实践教学的新模式，激发学生的主动性、积极性与创新性，通过以工程为依托的构思、设计、实施、运行训练，培养学生的工程素养，提高综合实践能力和创新能力[6-7]。

图1 面向工程能力的递进式《互换性与测量技术》实践教学体系

以工程为主线的多课程融合实践教学设计主要分为课内实践、课内与课外相结合实践、课外实践三类综合实践项目。课内实践主要是逆向工程训练和测绘工程训练，课内与课外相结合实践主要包括课程设计、课程作业及毕业设计，课外实践主要是各类学科竞赛与科技创新训练。以研究小组为主体的实践教学组织模式强调学生的主体作用，并根据实践任务与内容将学生分为多个课题研究小组，实行组长负责、组内分工、组员协作、组间竞争的管理模式，指导教师与研究小组定期进行基于问题解决的互动学习，并对整过实践过程的表现及成果进行自评与互评[8-10]。

3 面向工程能力的多课程融合式实践教学运行模式应用

目前，笔者已将面向工程能力的多课程融合式实践教学运行模式应用于《互换性与测量技术》课内实践教学，对学生进行逆向工程训练，取得了良好的教学效果，下面将阐述面向工程的多课程融合式实践教学执行系统模式应用于《基于图像处理的零件测量、设计及制造》逆向工程实践的具体实施方法。

3.1 《基于图像处理的零件测量、设计及制造》逆向工程实践教学设计思路

贵州大学机械基础实验中心的万能工具显微镜是一种配备功能强大的图像处理测量软件，能完成各种复杂测量工作的计量仪器，可精确测量各种工件的尺寸、角度、形状、位置以及螺纹的各参数，软件数据能与CAD通讯，为计算机辅助设计提供准确的测绘图形。根据该测量设备的特点，结合逆向工程思想，将《基于图像处理的零件测量、设计及制造》实践课设计成零件测量、设计、CAD图绘制、加工工艺拟定等逆向工程实践训练，从而实现以工程为主线，包含《互换性与测量技术》、《工程材料及成型技术基础》、《机械制图》、《机械CAD及CAM》、《机械制造工艺学》等多课程融合的实践教学模式，培养学生的工程素养，提高综合实践能力和创新能力。

图2 面向工程能力的多课程融合式实践教学运行模式

3.2 研究小组式实践教学组织方法

根据实验室现有的被测工件情况，将一个自然班学生分成5个研究小组:轴类零件组、角度样板组、线径规组、线切割零件组、电机硅钢片组，研究小组的人数由教师根据零件的复杂程度初步确定，研究小组具体成员由学生自由组合，组长由小组内部自行产生，并实行组长负责、小组成员分工协作制，指导老师定期与学生互动学习，完成整个实践活动。

3.3 《基于图像处理的零件测量、设计及制造》逆向工程实践教学基本要求

《基于图像处理的零件测量、设计及制造》逆向工程实践教学基本要求包括:

(1)了解万能工具显微镜的测量原理和用途。

(2)熟悉并掌握万能工具显微镜的附件的安装使用方法与测量方法。

(3)根据零件的结构与测量仪器的采样特点，拟定零件的测量方案。

(4)基于图像处理测量方法完成零件的测量工作，获得原始的测绘图形。

(5)将测绘图形导入CAD软件平台进行修改再设计。

(6)标注零件的尺寸、公差及技术要求，完成整个零件的零件图。

(7)初步编制零件的加工工艺。

(8)整个实践过程组长负责人员与设备安全。

本次综合实践教学活动所用实验仪器及被测工件如图3所示。

图3 实验仪器及被测工件

3.4 以小组为单位的实践教学成果展现

以小组为单位的实践成果的展现形式包括:原始测绘图形、二维零件图、零件加工工艺路线、实践总结报告等。本次实践教学活动的部分成果如图4所示。

图4 《基于图像处理的零件测量、设计及制造》综合实践教学成果

4 结语

终上，贵州大学机械基础实验中心在《互换性与测量技术》实践教学改革方面取得了一些成果和经验，可归结为:以提高工程实践能力和创新能力为导向，构建一个面向工程能力的递进式《互换性与测量技术》实践教学体系，给出了“基本技能”、“专项能力”、“综合运用”各训练层的主要内容和培养目标，阐述了面向工程能力的多课程融合实践教学运行模式，并将这种教学新模式应用于《基于图像处理的零件测量、设计及制造》综合实践教学中，取得了良好的教学效果，受到学生的一致好评，学生认为:“这次综合实践教学活动工程性强，富有挑战，在解决问题的同时，培养沟通能力和团队合作能力，提高了综合实践能力、创新能力及面向复杂工程问题的解决能力。