“互換性原理及技術(shù)測(cè)量”教學(xué)方法研究與探索

溫 泉，滕云楠，楊建宇

（東北大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110819）

一、課程性質(zhì)和任務(wù)

機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)的精度設(shè)計(jì)及機(jī)械加工過(guò)程中和加工后的測(cè)量與檢驗(yàn)是保證機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量的兩個(gè)重要技術(shù)環(huán)節(jié)，“互換性原理及技術(shù)測(cè)量”（又稱“公差與技術(shù)測(cè)量”“機(jī)械精度設(shè)計(jì)與檢測(cè)”“幾何量精度設(shè)計(jì)與檢測(cè)”）課程的任務(wù)即是研究機(jī)械零部件精度設(shè)計(jì)的原則和方法及機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量保證的測(cè)量和檢驗(yàn)技術(shù)。

本課程是工科機(jī)械類、近機(jī)械類各專業(yè)必修的重要技術(shù)基礎(chǔ)課程。課程主要講授互換性、公差與配合等機(jī)械精度設(shè)計(jì)方面的基本理論和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)介紹幾何量精度、幾何量誤差相關(guān)的基本概念，讓學(xué)生掌握幾何量公差標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)的內(nèi)容、特點(diǎn)和應(yīng)用原則，了解有關(guān)測(cè)量技術(shù)的基本知識(shí)、常用計(jì)量器具的測(cè)量原理、基本操作方法、讀數(shù)及數(shù)據(jù)處理方法。學(xué)生通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)能夠了解各種公差項(xiàng)目、精度等級(jí)的應(yīng)用范圍及不同加工方法所能達(dá)到的加工精度等級(jí)，具備正確選擇、計(jì)算公差、合理進(jìn)行機(jī)械精度設(shè)計(jì)的能力，為后續(xù)“機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)”等專業(yè)課程的學(xué)習(xí)及“機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)”“畢業(yè)設(shè)計(jì)”等設(shè)計(jì)類課程的開(kāi)展奠定基礎(chǔ)。因此，本課程既是從基礎(chǔ)課到專業(yè)課過(guò)渡的橋梁，也是聯(lián)系設(shè)計(jì)類課程和工藝類課程的紐帶。

二、課程內(nèi)容和特點(diǎn)

“互換性原理及技術(shù)測(cè)量”課程包括互換性原理和技術(shù)測(cè)量?jī)刹糠謨?nèi)容。互換性原理部分主要講授幾何量的精度設(shè)計(jì)，屬于標(biāo)準(zhǔn)化范疇；技術(shù)測(cè)量部分主要研究幾何量的測(cè)量，屬于計(jì)量學(xué)范疇。

本課程的特點(diǎn)可以概括為兩“多”和兩“強(qiáng)”。兩“多”體現(xiàn)在：第一，內(nèi)容多［1］。課程包含幾何量精度設(shè)計(jì)和幾何量測(cè)量?jī)刹糠?。幾何量精度設(shè)計(jì)部分又包括精度設(shè)計(jì)的基本原理和典型零部件的精度設(shè)計(jì)兩大部分：精度設(shè)計(jì)的基本原理部分包括尺寸精度設(shè)計(jì)、幾何精度設(shè)計(jì)和表面精度設(shè)計(jì)；典型零部件的精度設(shè)計(jì)部分包括光滑極限量規(guī)、滾動(dòng)軸承、鍵和花鍵、漸開(kāi)線圓柱齒輪、螺紋、錐、角度的精度設(shè)計(jì)［2］。第二，術(shù)語(yǔ)、定義、抽象概念多［3］。課程在講授精度設(shè)計(jì)原理之前會(huì)介紹大量有關(guān)的概念、術(shù)語(yǔ)和定義。這些術(shù)語(yǔ)和定義引自國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，敘述方式專業(yè)性較強(qiáng)，學(xué)生聽(tīng)起來(lái)經(jīng)常感覺(jué)到枯燥、晦澀難懂，難以產(chǎn)生興趣并將注意力集中到課堂上。

兩“強(qiáng)”體現(xiàn)在：第一，實(shí)踐性強(qiáng)［4］。學(xué)生在后續(xù)的設(shè)計(jì)類課程及畢業(yè)后的實(shí)際設(shè)計(jì)工作中，繪制工程圖紙時(shí)需要在裝配圖中標(biāo)注配合要求，在零件圖中標(biāo)注尺寸公差、幾何公差、表面粗糙度要求等。如何借助符號(hào)等工程語(yǔ)言，將設(shè)計(jì)思想規(guī)范地表達(dá)在圖紙上，即各項(xiàng)公差項(xiàng)目的標(biāo)注，是本課程的重點(diǎn)內(nèi)容之一。此外，課程中的很多設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)原則來(lái)源于生產(chǎn)實(shí)踐，是從生產(chǎn)實(shí)踐中總結(jié)出的經(jīng)驗(yàn)規(guī)律和經(jīng)驗(yàn)算法。對(duì)于缺乏實(shí)際生產(chǎn)工作經(jīng)驗(yàn)的在校大學(xué)生來(lái)說(shuō)，這些內(nèi)容理解起來(lái)經(jīng)常會(huì)感到抽象難懂。第二，綜合應(yīng)用性強(qiáng)。課程涉及機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械制造工藝學(xué)、質(zhì)量控制、生產(chǎn)組織管理及標(biāo)準(zhǔn)化與計(jì)量學(xué)等多個(gè)學(xué)科，涉及的知識(shí)面較廣，學(xué)生很難將所學(xué)知識(shí)融會(huì)貫通并將其綜合應(yīng)用到解決復(fù)雜的機(jī)械工程問(wèn)題中［5］。

三、教學(xué)方法研究與探索

“互換性原理及技術(shù)測(cè)量”課程學(xué)時(shí)少，內(nèi)容多，傳統(tǒng)的課堂教學(xué)中存在“難教、難學(xué)、難用”的問(wèn)題，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性不高，學(xué)習(xí)效果欠佳。教育部在2017年提出新工科人才培養(yǎng)模式，主要目的是培養(yǎng)創(chuàng)新型、復(fù)合型的工程技術(shù)人員［6］。傳統(tǒng)的專業(yè)課程要適應(yīng)新工科教學(xué)體系，加強(qiáng)學(xué)生交叉能力的培養(yǎng)，必須拓寬學(xué)生的知識(shí)面，這勢(shì)必要進(jìn)一步壓縮原有的專業(yè)課課時(shí)［7］。如何在有限的教學(xué)時(shí)間中，將基本原理和基本知識(shí)傳授給學(xué)生，使學(xué)生掌握幾何量精度設(shè)計(jì)與幾何量誤差檢測(cè)的基本知識(shí)和能力，并激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主觀能動(dòng)性，是教學(xué)改革的重點(diǎn)。為此，課程組教師從優(yōu)化課程體系、將理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)緊密結(jié)合、強(qiáng)調(diào)應(yīng)用等多方面進(jìn)行了研究探索和嘗試。

（一）有主有次合理安排課程內(nèi)容和學(xué)時(shí)

針對(duì)課程內(nèi)容多的特點(diǎn)，在學(xué)時(shí)安排上做到有詳有略，突出重點(diǎn)。對(duì)精度設(shè)計(jì)的基本原理部分即孔、軸結(jié)合的極限與配合、幾何公差和表面粗糙度這三章內(nèi)容，是精度設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，也是后續(xù)各章典型零部件精度設(shè)計(jì)及其他教材中未介紹的零部件精度設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)。因此，在設(shè)置課程教學(xué)大綱時(shí)，對(duì)這部分內(nèi)容在課堂上深入講解基本概念、突出重點(diǎn)、主攻難點(diǎn)、解決疑點(diǎn)，并安排習(xí)題課加強(qiáng)理解，要求學(xué)生重點(diǎn)掌握。對(duì)于典型零部件的精度設(shè)計(jì)部分，以漸開(kāi)線圓柱齒輪公差標(biāo)準(zhǔn)、光滑工件尺寸檢驗(yàn)和光滑極限量規(guī)精度設(shè)計(jì)兩部分內(nèi)容為例，做重點(diǎn)講授，引導(dǎo)學(xué)生理解精度設(shè)計(jì)的基本原理如何應(yīng)用于實(shí)際零部件的精度設(shè)計(jì)。對(duì)于其他典型零部件的精度設(shè)計(jì)，包括滾動(dòng)軸承、鍵和花鍵、螺紋、錐、角度公差等，教師在課堂上只介紹要點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生了解并課后自學(xué)。這樣有主有次地合理安排授課內(nèi)容，將主要內(nèi)容進(jìn)行深刻透徹的講解，讓學(xué)生掌握幾何量精度設(shè)計(jì)的基本知識(shí)和原理，培養(yǎng)精度設(shè)計(jì)的基本能力，為后續(xù)其他次要內(nèi)容的自學(xué)和進(jìn)行實(shí)際零部件的精度設(shè)計(jì)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

（二）將理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)有機(jī)融合

針對(duì)課程內(nèi)容中關(guān)于技術(shù)測(cè)量的部分，除理論課講授之外，共設(shè)置了8學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)課程，使學(xué)生熟悉常用的測(cè)量原理、測(cè)量器具和測(cè)量方法。實(shí)驗(yàn)課程中儀器使用、實(shí)驗(yàn)方案等的安排都與理論課內(nèi)容緊密相關(guān)。比如，在直線度誤差的教學(xué)中，分別開(kāi)展了采用指示表、水平儀、自準(zhǔn)直儀及三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量同一零件的直線度誤差實(shí)驗(yàn)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)比較幾種測(cè)量?jī)x器在測(cè)量原理、數(shù)據(jù)采集和處理方面的異同，加深了學(xué)生對(duì)常用的直線度誤差評(píng)定方法的理解。在漸開(kāi)線圓柱齒輪公差的教學(xué)中，由于齒輪本身的形狀較復(fù)雜、幾何參數(shù)眾多，課堂教學(xué)中學(xué)生普遍反映齒輪公差標(biāo)準(zhǔn)中的各項(xiàng)檢驗(yàn)參數(shù)抽象、難以理解。另外，齒輪的很多檢驗(yàn)參數(shù)是根據(jù)特有的測(cè)量方法或特定的測(cè)量?jī)x器定義的。為了讓枯燥難懂的齒輪精度指標(biāo)淺顯易懂，課程組增加了齒輪實(shí)驗(yàn)的學(xué)時(shí)，共設(shè)計(jì)開(kāi)展了7組齒輪精度的檢測(cè)實(shí)驗(yàn)：雙面嚙合綜合檢查儀測(cè)量徑向綜合總偏差Fi”和一齒徑向綜合偏差fi”、萬(wàn)能測(cè)齒儀測(cè)量單個(gè)齒距偏差fpt和齒距累積總偏差Fp、數(shù)控齒廓測(cè)量?jī)x測(cè)量齒廓總偏差Fα、齒向檢查儀測(cè)量螺旋線總偏差Fβ、徑向跳動(dòng)檢查儀測(cè)量徑向跳動(dòng)Fr、齒厚卡尺測(cè)量齒厚偏差Esn、公法線千分尺測(cè)量公法線長(zhǎng)度偏差Ebn。學(xué)生通過(guò)實(shí)際操作對(duì)齒輪零件精度進(jìn)行檢驗(yàn)、記錄和處理原始數(shù)據(jù)，加深了其對(duì)各項(xiàng)精度指標(biāo)檢驗(yàn)參數(shù)的理解。

通過(guò)將理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)有機(jī)融合，可有效利用儀器設(shè)備強(qiáng)化學(xué)生的動(dòng)手能力，加深學(xué)生對(duì)理論教學(xué)中重點(diǎn)概念和知識(shí)點(diǎn)的理解；并在期末考試題中也相應(yīng)增加實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相關(guān)試題的比重。

（三）充分利用多媒體等先進(jìn)教學(xué)手段

課程中大量晦澀難懂的術(shù)語(yǔ)、定義和抽象概念，傳統(tǒng)教案很難生動(dòng)形象地展示其含義，課程組充分利用多媒體等先進(jìn)教學(xué)手段，在教案中輔以大量的視頻動(dòng)畫(huà)等資源。例如，幾何公差是本課程的重點(diǎn)內(nèi)容之一，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了15項(xiàng)幾何公差項(xiàng)目，各項(xiàng)幾何公差帶的定義復(fù)雜抽象。要在有限的5個(gè)學(xué)時(shí)內(nèi)，清楚理解各項(xiàng)公差帶的特點(diǎn)及彼此之間的區(qū)別和聯(lián)系，需要教師生動(dòng)形象的講解和學(xué)生較強(qiáng)的空間想象能力。因此，課程組將15項(xiàng)幾何公差的公差帶和相應(yīng)幾何誤差的評(píng)定原理制作成動(dòng)畫(huà)插入課件。比如，給定方向上的直線度公差帶是間距為公差值的一對(duì)平行平面所限定的區(qū)域，由于直線度公差屬于形狀公差，只能控制被測(cè)要素的形狀，對(duì)其方向和位置沒(méi)有控制作用，因此，這對(duì)平行平面可以隨著被測(cè)要素方向和位置的變動(dòng)而變動(dòng)。這些概念和原理如果僅用語(yǔ)言描述，會(huì)使學(xué)生感覺(jué)到抽象和晦澀難懂，而借助動(dòng)畫(huà)即可將直線度公差帶和直線度誤差評(píng)定的最小包容區(qū)域的大小、形狀、方向和位置，形象、生動(dòng)地展現(xiàn)給學(xué)生，幫助學(xué)生理解清楚直線度公差帶的特點(diǎn)及其與平行度等其他公差帶之間的區(qū)別和聯(lián)系，獲得較好的教學(xué)效果。

為了更好地利用有限的實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)，課程組將所有的實(shí)驗(yàn)講解和操作過(guò)程錄制成視頻上傳至學(xué)校教務(wù)平臺(tái)。要求學(xué)生在做實(shí)驗(yàn)前，通過(guò)觀看視頻預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，預(yù)先了解實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備的操作方法、注意事項(xiàng)和需要測(cè)量記錄的數(shù)據(jù)等，提高了實(shí)驗(yàn)課的效率和實(shí)驗(yàn)室的利用率。課程組后續(xù)計(jì)劃繼續(xù)開(kāi)展其他相關(guān)視頻，如教學(xué)視頻、習(xí)題講解專題視頻、生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量等視頻的制作。

（四）開(kāi)展案例研究式教學(xué)

針對(duì)課程實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)，教師挑選生產(chǎn)實(shí)踐中的典型案例展開(kāi)討論與研究，引導(dǎo)學(xué)生給出實(shí)際問(wèn)題的解決方案。讓學(xué)生在具體問(wèn)題情境中既獲取理論知識(shí)，又掌握如何將理論應(yīng)用于工程實(shí)踐，增強(qiáng)其工程應(yīng)用能力。

在講授尺寸精度設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)合鉆床夾具設(shè)計(jì)中的鉆套設(shè)計(jì)部分，引導(dǎo)學(xué)生分析夾具中的固定鉆套與鉆模板、可換鉆套與襯套、襯套與鉆模板、鉆套與鉆頭等各個(gè)零件之間的配合性質(zhì)對(duì)鉆孔加工效率和加工精度的影響，從而對(duì)各配合分別給出合理的配合代號(hào)。在講授幾何精度設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)合車床主軸的功能要求，分析其可能產(chǎn)生的各種誤差形式及對(duì)車床本身精度和加工工件精度的影響規(guī)律，確定應(yīng)對(duì)車床主軸提出的幾何公差項(xiàng)目、公差值及公差原則。在講授表面精度設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)合減速器輸出軸零件，綜合分析輸出軸各回轉(zhuǎn)表面的配合性質(zhì)、加工方法和使用性能等要求，合理確定各表面的表面粗糙度參數(shù)值。教學(xué)實(shí)踐結(jié)果表明，案例研究式教學(xué)方法可有效增進(jìn)學(xué)生對(duì)所學(xué)專業(yè)知識(shí)的理解掌握，鍛煉學(xué)生分析問(wèn)題和解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力。

（五）授課形式上加強(qiáng)教師與學(xué)生間的互動(dòng)

針對(duì)課程綜合應(yīng)用性強(qiáng)的特點(diǎn)，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生課堂參與的積極性和課后自主學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。教師在課上結(jié)合所講授的理論內(nèi)容，提出幾個(gè)需要通過(guò)課后查閱資料或進(jìn)行實(shí)驗(yàn)等自主學(xué)習(xí)解決的問(wèn)題。指導(dǎo)學(xué)生課后通過(guò)自己查閱資料、設(shè)計(jì)方案，在測(cè)量?jī)x器設(shè)備上動(dòng)手開(kāi)展實(shí)驗(yàn)、進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理，通過(guò)綜合分析等方法得出結(jié)論。教師再組織討論課，讓學(xué)生分組上臺(tái)匯報(bào)，各小組學(xué)生之間相互質(zhì)疑、展開(kāi)辯論。最后，教師對(duì)各組學(xué)生的表現(xiàn)進(jìn)行總結(jié)和點(diǎn)評(píng)。通過(guò)課后的自主學(xué)習(xí)和課上展示與討論，學(xué)生可以更好地將所學(xué)的理論知識(shí)融會(huì)貫通、靈活應(yīng)用。討論課上氣氛熱烈，收到了很好的教學(xué)效果。這種翻轉(zhuǎn)課堂的授課方式加強(qiáng)了教師與學(xué)生間的積極互動(dòng)，不但能夠讓教師及時(shí)獲得教學(xué)效果的反饋，更重要的是讓學(xué)生參與到課堂教學(xué)活動(dòng)中，激發(fā)了學(xué)生對(duì)所學(xué)課程的興趣，培養(yǎng)和鍛煉了學(xué)生主動(dòng)思考、語(yǔ)言表達(dá)、團(tuán)隊(duì)協(xié)作和綜合應(yīng)用等多方面的綜合能力素質(zhì)。

結(jié)語(yǔ)

“互換性原理及技術(shù)測(cè)量”課程包括互換性原理和技術(shù)測(cè)量?jī)刹糠謨?nèi)容課程，主要講授互換性、公差與配合等機(jī)械精度設(shè)計(jì)和檢測(cè)方面的基本理論和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。課程具有學(xué)時(shí)少，內(nèi)容多，術(shù)語(yǔ)、定義、抽象概念多，實(shí)踐性和工程應(yīng)用性強(qiáng)的特點(diǎn)。傳統(tǒng)的課堂教學(xué)中存在“難教、難學(xué)、難用”的問(wèn)題，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性不高，學(xué)習(xí)效果欠佳。針對(duì)課程的內(nèi)容和特點(diǎn)，課程組在合理安排課程內(nèi)容和學(xué)時(shí)、強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐環(huán)節(jié)、充分利用多媒體等先進(jìn)教學(xué)手段、開(kāi)展案例研究式教學(xué)、加強(qiáng)授課形式的互動(dòng)性這五方面改進(jìn)了教學(xué)方法。教學(xué)實(shí)踐結(jié)果表明，這些方法在一定程度上激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主觀能動(dòng)性，獲得了較好的教學(xué)效果，有效提高了教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效率。