“互换性原理及技术测量”教学方法研究与探索

温 泉，滕云楠，杨建宇

（东北大学 机械工程与自动化学院，辽宁 沈阳 110819）

一、课程性质和任务

机械设计时的精度设计及机械加工过程中和加工后的测量与检验是保证机械产品质量的两个重要技术环节，“互换性原理及技术测量”（又称“公差与技术测量”“机械精度设计与检测”“几何量精度设计与检测”）课程的任务即是研究机械零部件精度设计的原则和方法及机械产品质量保证的测量和检验技术。

本课程是工科机械类、近机械类各专业必修的重要技术基础课程。课程主要讲授互换性、公差与配合等机械精度设计方面的基本理论和国家标准。通过介绍几何量精度、几何量误差相关的基本概念，让学生掌握几何量公差标准相关的内容、特点和应用原则，了解有关测量技术的基本知识、常用计量器具的测量原理、基本操作方法、读数及数据处理方法。学生通过本课程的学习能够了解各种公差项目、精度等级的应用范围及不同加工方法所能达到的加工精度等级，具备正确选择、计算公差、合理进行机械精度设计的能力，为后续“机械制造技术基础”等专业课程的学习及“机械设计课程设计”“毕业设计”等设计类课程的开展奠定基础。因此，本课程既是从基础课到专业课过渡的桥梁，也是联系设计类课程和工艺类课程的纽带。

二、课程内容和特点

“互换性原理及技术测量”课程包括互换性原理和技术测量两部分内容。互换性原理部分主要讲授几何量的精度设计，属于标准化范畴；技术测量部分主要研究几何量的测量，属于计量学范畴。

本课程的特点可以概括为两“多”和两“强”。两“多”体现在：第一，内容多［1］。课程包含几何量精度设计和几何量测量两部分。几何量精度设计部分又包括精度设计的基本原理和典型零部件的精度设计两大部分：精度设计的基本原理部分包括尺寸精度设计、几何精度设计和表面精度设计；典型零部件的精度设计部分包括光滑极限量规、滚动轴承、键和花键、渐开线圆柱齿轮、螺纹、锥、角度的精度设计［2］。第二，术语、定义、抽象概念多［3］。课程在讲授精度设计原理之前会介绍大量有关的概念、术语和定义。这些术语和定义引自国家标准，叙述方式专业性较强，学生听起来经常感觉到枯燥、晦涩难懂，难以产生兴趣并将注意力集中到课堂上。

两“强”体现在：第一，实践性强［4］。学生在后续的设计类课程及毕业后的实际设计工作中，绘制工程图纸时需要在装配图中标注配合要求，在零件图中标注尺寸公差、几何公差、表面粗糙度要求等。如何借助符号等工程语言，将设计思想规范地表达在图纸上，即各项公差项目的标注，是本课程的重点内容之一。此外，课程中的很多设计方法和设计原则来源于生产实践，是从生产实践中总结出的经验规律和经验算法。对于缺乏实际生产工作经验的在校大学生来说，这些内容理解起来经常会感到抽象难懂。第二，综合应用性强。课程涉及机械设计、机械制造工艺学、质量控制、生产组织管理及标准化与计量学等多个学科，涉及的知识面较广，学生很难将所学知识融会贯通并将其综合应用到解决复杂的机械工程问题中［5］。

三、教学方法研究与探索

“互换性原理及技术测量”课程学时少，内容多，传统的课堂教学中存在“难教、难学、难用”的问题，学生的学习积极性不高，学习效果欠佳。教育部在2017年提出新工科人才培养模式，主要目的是培养创新型、复合型的工程技术人员［6］。传统的专业课程要适应新工科教学体系，加强学生交叉能力的培养，必须拓宽学生的知识面，这势必要进一步压缩原有的专业课课时［7］。如何在有限的教学时间中，将基本原理和基本知识传授给学生，使学生掌握几何量精度设计与几何量误差检测的基本知识和能力，并激发学生的学习兴趣和主观能动性，是教学改革的重点。为此，课程组教师从优化课程体系、将理论教学与实践教学紧密结合、强调应用等多方面进行了研究探索和尝试。

（一）有主有次合理安排课程内容和学时

针对课程内容多的特点，在学时安排上做到有详有略，突出重点。对精度设计的基本原理部分即孔、轴结合的极限与配合、几何公差和表面粗糙度这三章内容，是精度设计的基础，也是后续各章典型零部件精度设计及其他教材中未介绍的零部件精度设计的理论基础。因此，在设置课程教学大纲时，对这部分内容在课堂上深入讲解基本概念、突出重点、主攻难点、解决疑点，并安排习题课加强理解，要求学生重点掌握。对于典型零部件的精度设计部分，以渐开线圆柱齿轮公差标准、光滑工件尺寸检验和光滑极限量规精度设计两部分内容为例，做重点讲授，引导学生理解精度设计的基本原理如何应用于实际零部件的精度设计。对于其他典型零部件的精度设计，包括滚动轴承、键和花键、螺纹、锥、角度公差等，教师在课堂上只介绍要点，引导学生了解并课后自学。这样有主有次地合理安排授课内容，将主要内容进行深刻透彻的讲解，让学生掌握几何量精度设计的基本知识和原理，培养精度设计的基本能力，为后续其他次要内容的自学和进行实际零部件的精度设计奠定坚实的基础。

（二）将理论教学与实验教学有机融合

针对课程内容中关于技术测量的部分，除理论课讲授之外，共设置了8学时的实验课程，使学生熟悉常用的测量原理、测量器具和测量方法。实验课程中仪器使用、实验方案等的安排都与理论课内容紧密相关。比如，在直线度误差的教学中，分别开展了采用指示表、水平仪、自准直仪及三坐标测量机测量同一零件的直线度误差实验。通过实验比较几种测量仪器在测量原理、数据采集和处理方面的异同，加深了学生对常用的直线度误差评定方法的理解。在渐开线圆柱齿轮公差的教学中，由于齿轮本身的形状较复杂、几何参数众多，课堂教学中学生普遍反映齿轮公差标准中的各项检验参数抽象、难以理解。另外，齿轮的很多检验参数是根据特有的测量方法或特定的测量仪器定义的。为了让枯燥难懂的齿轮精度指标浅显易懂，课程组增加了齿轮实验的学时，共设计开展了7组齿轮精度的检测实验：双面啮合综合检查仪测量径向综合总偏差Fi”和一齿径向综合偏差fi”、万能测齿仪测量单个齿距偏差fpt和齿距累积总偏差Fp、数控齿廓测量仪测量齿廓总偏差Fα、齿向检查仪测量螺旋线总偏差Fβ、径向跳动检查仪测量径向跳动Fr、齿厚卡尺测量齿厚偏差Esn、公法线千分尺测量公法线长度偏差Ebn。学生通过实际操作对齿轮零件精度进行检验、记录和处理原始数据，加深了其对各项精度指标检验参数的理解。

通过将理论教学与实验教学有机融合，可有效利用仪器设备强化学生的动手能力，加深学生对理论教学中重点概念和知识点的理解；并在期末考试题中也相应增加实验内容相关试题的比重。

（三）充分利用多媒体等先进教学手段

课程中大量晦涩难懂的术语、定义和抽象概念，传统教案很难生动形象地展示其含义，课程组充分利用多媒体等先进教学手段，在教案中辅以大量的视频动画等资源。例如，几何公差是本课程的重点内容之一，国家标准规定了15项几何公差项目，各项几何公差带的定义复杂抽象。要在有限的5个学时内，清楚理解各项公差带的特点及彼此之间的区别和联系，需要教师生动形象的讲解和学生较强的空间想象能力。因此，课程组将15项几何公差的公差带和相应几何误差的评定原理制作成动画插入课件。比如，给定方向上的直线度公差带是间距为公差值的一对平行平面所限定的区域，由于直线度公差属于形状公差，只能控制被测要素的形状，对其方向和位置没有控制作用，因此，这对平行平面可以随着被测要素方向和位置的变动而变动。这些概念和原理如果仅用语言描述，会使学生感觉到抽象和晦涩难懂，而借助动画即可将直线度公差带和直线度误差评定的最小包容区域的大小、形状、方向和位置，形象、生动地展现给学生，帮助学生理解清楚直线度公差带的特点及其与平行度等其他公差带之间的区别和联系，获得较好的教学效果。

为了更好地利用有限的实验学时，课程组将所有的实验讲解和操作过程录制成视频上传至学校教务平台。要求学生在做实验前，通过观看视频预习实验过程，预先了解实验仪器设备的操作方法、注意事项和需要测量记录的数据等，提高了实验课的效率和实验室的利用率。课程组后续计划继续开展其他相关视频，如教学视频、习题讲解专题视频、生产现场测量等视频的制作。

（四）开展案例研究式教学

针对课程实践性强的特点，教师挑选生产实践中的典型案例展开讨论与研究，引导学生给出实际问题的解决方案。让学生在具体问题情境中既获取理论知识，又掌握如何将理论应用于工程实践，增强其工程应用能力。

在讲授尺寸精度设计时，结合钻床夹具设计中的钻套设计部分，引导学生分析夹具中的固定钻套与钻模板、可换钻套与衬套、衬套与钻模板、钻套与钻头等各个零件之间的配合性质对钻孔加工效率和加工精度的影响，从而对各配合分别给出合理的配合代号。在讲授几何精度设计时，结合车床主轴的功能要求，分析其可能产生的各种误差形式及对车床本身精度和加工工件精度的影响规律，确定应对车床主轴提出的几何公差项目、公差值及公差原则。在讲授表面精度设计时，结合减速器输出轴零件，综合分析输出轴各回转表面的配合性质、加工方法和使用性能等要求，合理确定各表面的表面粗糙度参数值。教学实践结果表明，案例研究式教学方法可有效增进学生对所学专业知识的理解掌握，锻炼学生分析问题和解决工程实际问题的能力。

（五）授课形式上加强教师与学生间的互动

针对课程综合应用性强的特点，充分调动学生课堂参与的积极性和课后自主学习的主动性。教师在课上结合所讲授的理论内容，提出几个需要通过课后查阅资料或进行实验等自主学习解决的问题。指导学生课后通过自己查阅资料、设计方案，在测量仪器设备上动手开展实验、进行数据采集和处理，通过综合分析等方法得出结论。教师再组织讨论课，让学生分组上台汇报，各小组学生之间相互质疑、展开辩论。最后，教师对各组学生的表现进行总结和点评。通过课后的自主学习和课上展示与讨论，学生可以更好地将所学的理论知识融会贯通、灵活应用。讨论课上气氛热烈，收到了很好的教学效果。这种翻转课堂的授课方式加强了教师与学生间的积极互动，不但能够让教师及时获得教学效果的反馈，更重要的是让学生参与到课堂教学活动中，激发了学生对所学课程的兴趣，培养和锻炼了学生主动思考、语言表达、团队协作和综合应用等多方面的综合能力素质。

结语

“互换性原理及技术测量”课程包括互换性原理和技术测量两部分内容课程，主要讲授互换性、公差与配合等机械精度设计和检测方面的基本理论和国家标准。课程具有学时少，内容多，术语、定义、抽象概念多，实践性和工程应用性强的特点。传统的课堂教学中存在“难教、难学、难用”的问题，学生的学习积极性不高，学习效果欠佳。针对课程的内容和特点，课程组在合理安排课程内容和学时、强调实验实践环节、充分利用多媒体等先进教学手段、开展案例研究式教学、加强授课形式的互动性这五方面改进了教学方法。教学实践结果表明，这些方法在一定程度上激发了学生的学习兴趣和主观能动性，获得了较好的教学效果，有效提高了教学质量和教学效率。