喻麗華，張富貴，吳雪梅，楊旭東

(貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025)

0 引言

《互換性與測量技術(shù)》是機(jī)械類專業(yè)的一門必修專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課，也是機(jī)械工程技術(shù)的一門通用語言，具有知識持續(xù)利用率高、服務(wù)面大和實踐性強(qiáng)的特點[1，2]。然而就是這樣一門十分重要的專業(yè)技術(shù)課，往往是教學(xué)與設(shè)計實踐嚴(yán)重脫節(jié)，難以達(dá)成工程培養(yǎng)目標(biāo)要求，從而導(dǎo)致學(xué)生在課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計甚至走上工作崗位后，不能很好地將零件精度設(shè)計理論運(yùn)用到設(shè)計實踐環(huán)節(jié)中，甚至出現(xiàn)了一些不應(yīng)該出現(xiàn)的錯誤[3，4]。在《互換性與測量技術(shù)》課程的實驗教學(xué)中，如何根據(jù)實踐教學(xué)內(nèi)容、實驗室設(shè)備及培養(yǎng)目標(biāo)要求構(gòu)建一個以提高學(xué)生的工程實踐能力為目標(biāo)的實踐教學(xué)體系；在綜合能力訓(xùn)練中，如何根據(jù)本門課程與相關(guān)課程的聯(lián)系實現(xiàn)一種多課程融合式實踐教學(xué)模式，使學(xué)生在掌握典型幾何量測量的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步加深互換性、標(biāo)準(zhǔn)、公差與配合、計量等概念的理解，并將精度設(shè)計理論貫穿在后續(xù)的零件部件設(shè)計中，達(dá)成工程教育培養(yǎng)目標(biāo)一直是從事測量技術(shù)實踐教學(xué)的教師們共同探討的問題。筆者結(jié)合多年來在本門課程實驗教學(xué)中的改革嘗試進(jìn)行探討。

1 《互換性與測量技術(shù)》實踐教學(xué)存在的問題

在“設(shè)計、制造、測量”三大環(huán)節(jié)中，測量占有極其重要的地位，測量是檢查、判定機(jī)械產(chǎn)品的幾何精度是否達(dá)到設(shè)計和使用要求的最有效手段。測量技術(shù)的基本任務(wù)是保證產(chǎn)品質(zhì)量，防止廢品產(chǎn)生，降低成本，實現(xiàn)互換性。該課程實踐教學(xué)的目的是使學(xué)生進(jìn)一步掌握和鞏固課堂上所學(xué)的公差理論，熟悉常用計量器具的正確使用方法和幾何精度的測量，加強(qiáng)對機(jī)械制造的質(zhì)量觀念。隨著高等教育的改革和機(jī)械類專業(yè)教學(xué)內(nèi)容的發(fā)展與變化，國內(nèi)不少高校對《互換性與測量技術(shù)》課程的理論和實踐教學(xué)進(jìn)行了許多積極的探索，總結(jié)出許多好的教學(xué)方法與改革思路，但仍存在以下主要問題:

1.1 教學(xué)內(nèi)容單一，體系設(shè)計不完善

《互換性與測量技術(shù)》課程的“互換性”部分(理論教學(xué)部分)主要講述互換性原理、典型零件互換性、幾何精度設(shè)計與標(biāo)注等內(nèi)容，其“測量技術(shù)”部分(實踐教學(xué)部分)主要在實驗室完成典型零件的測量進(jìn)一步加深尺寸公差、形位公差的理解。該課程實驗項目的設(shè)置通常是根據(jù)典型的測量對象分為:光滑軸徑測量、光滑孔徑測量、形狀誤差測量、位置誤差測量、齒輪誤差測量、螺紋參數(shù)測量及表面粗糙度測量等7類實驗，實驗類型多為驗證型。學(xué)生只需根據(jù)實驗指導(dǎo)書按照教師提供的實驗器具完成相應(yīng)測量對象的計量工作及合格性判斷，這種以教師事先設(shè)計好各個實驗環(huán)節(jié)的驗證性為主的實驗，往往使學(xué)生能較好的掌握各種典型測量對象的測量方法，但當(dāng)學(xué)生面對一個復(fù)雜零件的測量、精度設(shè)計及分析時，往往感到束手無策。

1.2 教育理念落后，教學(xué)形式單一

目前大多數(shù)測量技術(shù)實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的建設(shè)，偏重于實驗硬件環(huán)境的改善，注重采購高大上的實驗儀器，在實驗教學(xué)方法上仍采用傳統(tǒng)的以“老師站學(xué)生坐”為主，一本指導(dǎo)書做完整個實驗的方式進(jìn)行教學(xué)。這種單一的、被動接受式的實踐教學(xué)方法忽視了學(xué)生的個性需求，忽略了學(xué)生的主體地位，禁錮了學(xué)生的主觀能動性和創(chuàng)造性思維，教學(xué)中教師與學(xué)生之間缺乏互動和溝通，學(xué)生間缺乏必要的協(xié)作，不利于學(xué)生創(chuàng)新意識、溝通能力及綜合實踐能力的培養(yǎng)。

1.3 獨立式實踐教學(xué)割裂了課程間的有機(jī)聯(lián)系

《互換性與測量技術(shù)》實踐課由任課教師根據(jù)課程教學(xué)需要進(jìn)行獨立設(shè)置，實踐教學(xué)內(nèi)容基本只涉及本門課程，與本門課程聯(lián)系最緊密的機(jī)械制圖、機(jī)械制造工藝等課程間的實踐教學(xué)內(nèi)容幾乎不存在交叉與相互滲透。獨立式教學(xué)使得原本相互聯(lián)系的有機(jī)課程體系被割裂，大多數(shù)學(xué)生“只知其然，不知其所以然”。當(dāng)學(xué)生面對課程大作業(yè)、課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計等綜合性實踐環(huán)節(jié)及實際工程問題時，往往無法將所學(xué)的精度理論運(yùn)用其中，其最終往往是一種脫離工程實際的設(shè)計。

2 面向工程能力的遞進(jìn)式《互換性與測量技術(shù)》實踐教學(xué)體系

2.1 面向工程能力的遞進(jìn)式《互換性與測量技術(shù)》實踐教學(xué)體系框架

針對當(dāng)前《互換性與測量技術(shù)》實踐教學(xué)內(nèi)容與形式單一，教學(xué)理念落后，教學(xué)體系不完善，實際教學(xué)效果與預(yù)期教學(xué)效果差距較大，甚至影響到后續(xù)的課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計教學(xué)及實際工程問題的精度設(shè)計等問題，構(gòu)建如圖1所示面向工程的遞進(jìn)式《互換性與測量技術(shù)》實踐教學(xué)體系，其主要由“基本技能”、“專項能力”、“綜合運(yùn)用”三個遞進(jìn)式訓(xùn)練層組成[5]。

基本技能訓(xùn)練層主要是使學(xué)生了解常用量具、比較式光學(xué)計、測長儀、萬能工具顯微鏡等光學(xué)儀器測量原理、附件選用與安裝、維護(hù)保養(yǎng)的基本知識，并掌握其操作、使用、讀數(shù)方法。專項能力訓(xùn)練層主要使學(xué)生掌握軸徑、孔徑、導(dǎo)軌直線度、主軸位置誤差、齒輪參數(shù)、表面粗糙度等典型測量對象的測量，進(jìn)一步加深尺寸公差、形狀公差、位置公差、公差與配合、互換性等概念的理解。在完成基本技能、專項能力訓(xùn)練之后，綜合運(yùn)用訓(xùn)練層主要通過課內(nèi)實踐、課內(nèi)與課外相結(jié)合、課外實踐、校內(nèi)與校外相結(jié)合等綜合實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生測量器具的正確選用與使用能力、典型零件的測量能力、零件精度分析及設(shè)計能力、工程實踐能力、創(chuàng)新能力、溝通能力、團(tuán)隊協(xié)作能力。

2.2 面向工程能力的多課程融合式實踐教學(xué)運(yùn)行模式

結(jié)合當(dāng)前國際工程教育認(rèn)證確立的培養(yǎng)目標(biāo)，在綜合運(yùn)用訓(xùn)練層中，基于CDIO教育理念，以課程體系為支撐，通過以工程為主線的多課程融合實踐教學(xué)設(shè)計，以研究小組為主體的實踐教學(xué)組織方式，構(gòu)建如圖2所示的面向工程能力的綜合實踐教學(xué)運(yùn)行模式，其目標(biāo)是打破傳統(tǒng)獨立式教學(xué)的禁錮，以培養(yǎng)工程師的視覺探索多課程融合實踐教學(xué)的新模式，激發(fā)學(xué)生的主動性、積極性與創(chuàng)新性，通過以工程為依托的構(gòu)思、設(shè)計、實施、運(yùn)行訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生的工程素養(yǎng)，提高綜合實踐能力和創(chuàng)新能力[6-7]。

圖1 面向工程能力的遞進(jìn)式《互換性與測量技術(shù)》實踐教學(xué)體系

以工程為主線的多課程融合實踐教學(xué)設(shè)計主要分為課內(nèi)實踐、課內(nèi)與課外相結(jié)合實踐、課外實踐三類綜合實踐項目。課內(nèi)實踐主要是逆向工程訓(xùn)練和測繪工程訓(xùn)練，課內(nèi)與課外相結(jié)合實踐主要包括課程設(shè)計、課程作業(yè)及畢業(yè)設(shè)計，課外實踐主要是各類學(xué)科競賽與科技創(chuàng)新訓(xùn)練。以研究小組為主體的實踐教學(xué)組織模式強(qiáng)調(diào)學(xué)生的主體作用，并根據(jù)實踐任務(wù)與內(nèi)容將學(xué)生分為多個課題研究小組，實行組長負(fù)責(zé)、組內(nèi)分工、組員協(xié)作、組間競爭的管理模式，指導(dǎo)教師與研究小組定期進(jìn)行基于問題解決的互動學(xué)習(xí)，并對整過實踐過程的表現(xiàn)及成果進(jìn)行自評與互評[8-10]。

3 面向工程能力的多課程融合式實踐教學(xué)運(yùn)行模式應(yīng)用

目前，筆者已將面向工程能力的多課程融合式實踐教學(xué)運(yùn)行模式應(yīng)用于《互換性與測量技術(shù)》課內(nèi)實踐教學(xué)，對學(xué)生進(jìn)行逆向工程訓(xùn)練，取得了良好的教學(xué)效果，下面將闡述面向工程的多課程融合式實踐教學(xué)執(zhí)行系統(tǒng)模式應(yīng)用于《基于圖像處理的零件測量、設(shè)計及制造》逆向工程實踐的具體實施方法。

3.1 《基于圖像處理的零件測量、設(shè)計及制造》逆向工程實踐教學(xué)設(shè)計思路

貴州大學(xué)機(jī)械基礎(chǔ)實驗中心的萬能工具顯微鏡是一種配備功能強(qiáng)大的圖像處理測量軟件，能完成各種復(fù)雜測量工作的計量儀器，可精確測量各種工件的尺寸、角度、形狀、位置以及螺紋的各參數(shù)，軟件數(shù)據(jù)能與CAD通訊，為計算機(jī)輔助設(shè)計提供準(zhǔn)確的測繪圖形。根據(jù)該測量設(shè)備的特點，結(jié)合逆向工程思想，將《基于圖像處理的零件測量、設(shè)計及制造》實踐課設(shè)計成零件測量、設(shè)計、CAD圖繪制、加工工藝擬定等逆向工程實踐訓(xùn)練，從而實現(xiàn)以工程為主線，包含《互換性與測量技術(shù)》、《工程材料及成型技術(shù)基礎(chǔ)》、《機(jī)械制圖》、《機(jī)械CAD及CAM》、《機(jī)械制造工藝學(xué)》等多課程融合的實踐教學(xué)模式，培養(yǎng)學(xué)生的工程素養(yǎng)，提高綜合實踐能力和創(chuàng)新能力。

圖2 面向工程能力的多課程融合式實踐教學(xué)運(yùn)行模式

3.2 研究小組式實踐教學(xué)組織方法

根據(jù)實驗室現(xiàn)有的被測工件情況，將一個自然班學(xué)生分成5個研究小組:軸類零件組、角度樣板組、線徑規(guī)組、線切割零件組、電機(jī)硅鋼片組，研究小組的人數(shù)由教師根據(jù)零件的復(fù)雜程度初步確定，研究小組具體成員由學(xué)生自由組合，組長由小組內(nèi)部自行產(chǎn)生，并實行組長負(fù)責(zé)、小組成員分工協(xié)作制，指導(dǎo)老師定期與學(xué)生互動學(xué)習(xí)，完成整個實踐活動。

3.3 《基于圖像處理的零件測量、設(shè)計及制造》逆向工程實踐教學(xué)基本要求

《基于圖像處理的零件測量、設(shè)計及制造》逆向工程實踐教學(xué)基本要求包括:

(1)了解萬能工具顯微鏡的測量原理和用途。

(2)熟悉并掌握萬能工具顯微鏡的附件的安裝使用方法與測量方法。

(3)根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)與測量儀器的采樣特點，擬定零件的測量方案。

(4)基于圖像處理測量方法完成零件的測量工作，獲得原始的測繪圖形。

(5)將測繪圖形導(dǎo)入CAD軟件平臺進(jìn)行修改再設(shè)計。

(6)標(biāo)注零件的尺寸、公差及技術(shù)要求，完成整個零件的零件圖。

(7)初步編制零件的加工工藝。

(8)整個實踐過程組長負(fù)責(zé)人員與設(shè)備安全。

本次綜合實踐教學(xué)活動所用實驗儀器及被測工件如圖3所示。

圖3 實驗儀器及被測工件

3.4 以小組為單位的實踐教學(xué)成果展現(xiàn)

以小組為單位的實踐成果的展現(xiàn)形式包括:原始測繪圖形、二維零件圖、零件加工工藝路線、實踐總結(jié)報告等。本次實踐教學(xué)活動的部分成果如圖4所示。

圖4 《基于圖像處理的零件測量、設(shè)計及制造》綜合實踐教學(xué)成果

4 結(jié)語

終上，貴州大學(xué)機(jī)械基礎(chǔ)實驗中心在《互換性與測量技術(shù)》實踐教學(xué)改革方面取得了一些成果和經(jīng)驗，可歸結(jié)為:以提高工程實踐能力和創(chuàng)新能力為導(dǎo)向，構(gòu)建一個面向工程能力的遞進(jìn)式《互換性與測量技術(shù)》實踐教學(xué)體系，給出了“基本技能”、“專項能力”、“綜合運(yùn)用”各訓(xùn)練層的主要內(nèi)容和培養(yǎng)目標(biāo)，闡述了面向工程能力的多課程融合實踐教學(xué)運(yùn)行模式，并將這種教學(xué)新模式應(yīng)用于《基于圖像處理的零件測量、設(shè)計及制造》綜合實踐教學(xué)中，取得了良好的教學(xué)效果，受到學(xué)生的一致好評，學(xué)生認(rèn)為:“這次綜合實踐教學(xué)活動工程性強(qiáng)，富有挑戰(zhàn)，在解決問題的同時，培養(yǎng)溝通能力和團(tuán)隊合作能力，提高了綜合實踐能力、創(chuàng)新能力及面向復(fù)雜工程問題的解決能力。