數(shù)字化視域下《互換性與技術(shù)測量》課程教學(xué)改革

蔣麒麟，王宗榮，薛小強(qiáng)，李翔英

（南京工程學(xué)院機(jī)械學(xué)院，江蘇 南京 211167）

數(shù)字化視域下《互換性與技術(shù)測量》課程教學(xué)改革

蔣麒麟，王宗榮，薛小強(qiáng)，李翔英

（南京工程學(xué)院機(jī)械學(xué)院，江蘇 南京 211167）

分析了《互換性與技術(shù)測量》課程教學(xué)現(xiàn)狀，并指出其不足之處，建議在數(shù)字化視域下對課程進(jìn)行教學(xué)改革，包括拓展數(shù)字化公差技術(shù)知識，引入數(shù)字化測量實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化教學(xué)模式。這些改革對高校工科類專業(yè)課教學(xué)改革亦具有一定的借鑒價值。

公差技術(shù)；互換性與技術(shù)測量；數(shù)字化；教學(xué)改革

公差反映機(jī)械零部件的性能、質(zhì)量等使用要求，與其工時、成本等制造要求之間的聯(lián)系與矛盾，是機(jī)械產(chǎn)品精度的定量描述。機(jī)械工程領(lǐng)域中的公差技術(shù)以保證產(chǎn)品使用性能、運(yùn)行質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)性為目的，以精度為核心，以標(biāo)準(zhǔn)、計量和質(zhì)量工程為手段，包括對精度的影響、評定、傳遞、分配、儲備、保持以及控制等所有的理論與方法[1]。

以公差技術(shù)作為主要研究內(nèi)容的《互換性與技術(shù)測量》，是工科機(jī)械類專業(yè)本科階段一門應(yīng)用性很強(qiáng)的專業(yè)基礎(chǔ)課。根據(jù)筆者多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，該課程應(yīng)在數(shù)字化視域進(jìn)行教學(xué)改革。

1 課程教學(xué)現(xiàn)狀與不足之處

《互換性與技術(shù)測量》課程主要由幾何精度設(shè)計和幾何量測量兩部分內(nèi)容組成，包含的理論知識主要有尺寸公差與配合、幾何公差、表面粗糙度、典型零件（包括圓柱齒輪、滾動軸承、螺紋件等）互換性、光滑極限量規(guī)設(shè)計、誤差與數(shù)據(jù)處理及尺寸鏈基礎(chǔ)理論等。在知識、實(shí)驗(yàn)和教學(xué)模式三個方面，該課程的現(xiàn)狀與不足之處如表1所示。

為了解決課程的不足之處，應(yīng)從知識、實(shí)驗(yàn)和教學(xué)模式三個方面，在數(shù)字化視域?qū)φn程進(jìn)行教學(xué)改革。

2 數(shù)字化公差技術(shù)知識的拓展

所謂數(shù)字化技術(shù)，是指利用計算機(jī)軟（硬）件及網(wǎng)絡(luò)、通信技術(shù)，對描述的對象進(jìn)行數(shù)字定義、建模、存貯、處理、傳遞、分析和綜合優(yōu)化，從而達(dá)到精確描述和科學(xué)決策的過程和方法。在機(jī)械工程領(lǐng)域，數(shù)字化設(shè)計與制造技術(shù)及其重要組成部分的CAD、CAE、CAM、CAPP、人工智能與專家系統(tǒng)等技術(shù)正朝著網(wǎng)絡(luò)化、集成化、智能化的方向發(fā)展，作為機(jī)械工程基礎(chǔ)的公差技術(shù)，理應(yīng)與數(shù)字化設(shè)計與制造技術(shù)的發(fā)展趨勢相適應(yīng)，使公差技術(shù)立足于計算機(jī)技術(shù)，為數(shù)字化設(shè)計與制造提供先進(jìn)、實(shí)時、可靠的信息基礎(chǔ)。

2.1 數(shù)字化公差技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)體系

產(chǎn)品幾何量技術(shù)規(guī)范（Geometrical Product Specifications，GPS）是一套覆蓋產(chǎn)品尺寸公差、幾何公差和表面特征的國際標(biāo)準(zhǔn)體系，它貫穿于產(chǎn)品的研發(fā)、設(shè)計、制造、檢測、銷售、使用和維修等整個過程。傳統(tǒng)的第一代GPS標(biāo)準(zhǔn)基于幾何學(xué)原理，雖然提供了產(chǎn)品設(shè)計與制造過程中的技術(shù)要求，但是沒有建立它們彼此之間的聯(lián)系，其精度和公差理論不適于在計算機(jī)中利用三維模型表達(dá)。ISO/TC213GPS已由以幾何學(xué)為基礎(chǔ)的第一代GPS，發(fā)展到以計量數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)的第二代GPS。

第二代GPS將標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范公式化，以數(shù)字化語言支持CAD/CAM的應(yīng)用，將產(chǎn)品的功能、規(guī)范與測量集為一體，實(shí)現(xiàn)了幾何要素從定義、描述、生成到檢測等過程中數(shù)字化控制功能的完善，解決了長期以來困擾人們的基于幾何學(xué)標(biāo)準(zhǔn)的煩瑣而導(dǎo)致測量評估失控以及產(chǎn)品在幾何定義、功能描述、規(guī)范設(shè)計、檢測評定等一系列過程中數(shù)學(xué)表達(dá)統(tǒng)一規(guī)范的難題[2]。

2.2 數(shù)字化公差技術(shù)的理論基礎(chǔ)

傳統(tǒng)的公差技術(shù)與第一代GPS標(biāo)準(zhǔn)體系缺乏表達(dá)各種功能和控制要求的圖形語言，圖紙不能充分精確地表達(dá)對幾何特征誤差控制的要求。傳統(tǒng)的測量方法主要是用人眼觀測判讀，獲得的數(shù)據(jù)及信息量有限，并且依靠簡單的極值范圍控制工件質(zhì)量。而電子元件集成化與微型計算機(jī)的飛速發(fā)展，使得測量自動化成為可能，可以獲得大量具有統(tǒng)計性質(zhì)的數(shù)據(jù)。因此，可以更真實(shí)地、從統(tǒng)計學(xué)的角度來評定、分析、控制工件精度質(zhì)量的統(tǒng)計公差理論得到了深入發(fā)展。統(tǒng)計公差理論與精度理論、可靠性分析理論、質(zhì)量保證體系等理論的研究和應(yīng)用都是以計算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，它們交叉、融合、互相補(bǔ)充，成為一個有機(jī)的整體，這即構(gòu)成了數(shù)字化公差技術(shù)的理論基礎(chǔ)，其主要包括如下基本內(nèi)容：

（1）計算機(jī)輔助公差標(biāo)準(zhǔn)；

（2）計算機(jī)輔助精度設(shè)計和精度評定體系；

（3）計算機(jī)輔助測量技術(shù)與智能儀器系統(tǒng)；

（4）計算機(jī)輔助統(tǒng)計公差體系；

（5）計算機(jī)輔助質(zhì)量保證體系；

（6）計算機(jī)輔助可靠性分析體系；

（7）計算機(jī)輔助試驗(yàn)設(shè)計與分析系統(tǒng)等[3]。

2.3 數(shù)字化公差技術(shù)的發(fā)展方向

數(shù)字化公差技術(shù)的發(fā)展主要在計算機(jī)輔助公差設(shè)計與分析技術(shù)和數(shù)字化幾何量測量技術(shù)兩個方面。

計算機(jī)輔助公差設(shè)計與分析技術(shù)(Computer Aided Tolerancing，CAT)自1978年由英國劍橋大學(xué)的Hillyard首次提出，目前在尺寸鏈的自動生成理論與技術(shù)、基于知識的公差設(shè)計、工序公差優(yōu)化、并行公差設(shè)計等領(lǐng)域，取得了較多的研究成果。近幾年，出現(xiàn)了一些商品化的公差設(shè)計與分析軟件，如3DCS、CETOL6σ、Valisys等。一些CAD系統(tǒng)中也有部分公差分析模塊，如：IDEAS中的2D Tolerance Analysis模塊，EDS/Unigraphics中的VisVSA模塊。CAT技術(shù)的發(fā)展主要包含兩種方式：一是內(nèi)涵方式，即以建立CAT基本理論和技術(shù)為目標(biāo)，以數(shù)學(xué)模型為核心，以各類專門數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，通過數(shù)字和邏輯運(yùn)算，得出公差信息；二是外延方式，即以標(biāo)準(zhǔn)化原理為理論基礎(chǔ)，以成組技術(shù)為技術(shù)基礎(chǔ)，通過建立代表性強(qiáng)、覆蓋面廣、系列化程度高的機(jī)構(gòu)機(jī)件庫與工藝過程庫，得到各類公差設(shè)計樣板，在類比和參考之后，得出公差信息。

數(shù)字化幾何量測量技術(shù)的發(fā)展主要體現(xiàn)在復(fù)雜曲面的誤差測量、復(fù)合材料工件的誤差測量、高精度誤差測量、空間大尺寸誤差測量、MEMS幾何量測量以及測量的自動化與可視化等方面。目前，隨著光柵掃描技術(shù)、機(jī)器視覺技術(shù)和數(shù)字全息技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展，隨著三坐標(biāo)測量機(jī)、激光跟蹤儀、數(shù)字化掃描儀、CCD圖像傳感器等多種測量系統(tǒng)與測量工具的市場化應(yīng)用，數(shù)字化幾何量測量技術(shù)的發(fā)展方向大致如下：

（1）測量精度由微米級向納米級發(fā)展，測量分辨率進(jìn)一步提高；

（2）由點(diǎn)測量向面測量過渡（即由長度的精密測量擴(kuò)展至形狀的精密測量），測量精度整體提高；

（3）隨著圖像處理技術(shù)的應(yīng)用，遙感技術(shù)在精密測量工程中將得到推廣和普及；

（4）測量系統(tǒng)將向著功能綜合化方向進(jìn)一步發(fā)展，一方面是提高測量機(jī)的功能，增加檢測項(xiàng)目，另一方面是擴(kuò)大檢測范圍，可同時分別檢測不同的測量對象[4]。

3 數(shù)字化測量實(shí)驗(yàn)的引入

《互換性與技術(shù)測量》課程的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容一般主要由五個部分組成：軸孔尺寸測量、幾何誤差測量、表面粗糙度測量、螺紋測量、圓柱齒輪測量。為了使學(xué)生更好地了解和熟悉數(shù)字化公差技術(shù)，更好地適應(yīng)現(xiàn)代機(jī)械工程發(fā)展需要，在本課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，數(shù)字化測量實(shí)驗(yàn)裝備、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目與實(shí)驗(yàn)方法應(yīng)盡快、全面被引入。

3.1 數(shù)字化測量實(shí)驗(yàn)裝備

應(yīng)用于幾何量測量的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)裝備非常多，縱觀學(xué)科發(fā)展前景與工程應(yīng)用現(xiàn)狀，三坐標(biāo)測量機(jī)與三維光學(xué)掃描儀應(yīng)該是最廣泛、最重要的兩種裝備。

三坐標(biāo)測量機(jī)（CMM）的基本原理是將被測工件放入它允許的測量空間，通過測頭導(dǎo)軌的直線運(yùn)動，對工件進(jìn)行測量掃描，精確地測出被測零件表面的點(diǎn)在空間三個坐標(biāo)位置的數(shù)值，通過軟件處理，把實(shí)體的模型轉(zhuǎn)化為數(shù)字化的三維坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)工件模型三維數(shù)字化。三坐標(biāo)測量機(jī)可用于各種幾何元素、各種尺寸公差、配合公差以及幾何公差的三維數(shù)字化測量，在國外被稱為“測量中心”。

三維光學(xué)掃描儀采用結(jié)構(gòu)光測量技術(shù)，借助高分辨率的CCD數(shù)碼相機(jī)，以逆向掃描方式對復(fù)雜工件表面進(jìn)行高速掃描測量，將工件掃描成點(diǎn)云數(shù)據(jù)，利用多組固定參考點(diǎn)，對多次掃描測量攝取的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合比較，自動拼合成單一的整體立體圖，同時輸出被測表面相關(guān)點(diǎn)或面的數(shù)字化三維數(shù)據(jù)，通過逆向工程軟件（如PolyWorks、Imageware、Copy-CAD）與設(shè)計出來的CAD標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)模型進(jìn)行比對，通過色彩誤差分析圖及其報告，可以一目了然地掌握工件曲面全域尺寸與誤差，快速精準(zhǔn)地驗(yàn)證出自由曲面的品質(zhì)。

3.2 數(shù)字化測量實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

在引入如三坐標(biāo)測量機(jī)、三維光學(xué)掃描儀等先進(jìn)數(shù)字化幾何量測量實(shí)驗(yàn)裝備之后，下一步的任務(wù)就是設(shè)置一些綜合性的和設(shè)計性的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，來改進(jìn)、包含和取代一系列驗(yàn)證性的與單一性的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

綜合性實(shí)驗(yàn)是指在學(xué)生具有一定基本操作技能的基礎(chǔ)上，運(yùn)用某一課程或多門課程的綜合知識,綜合訓(xùn)練學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能和方法。通過綜合性實(shí)驗(yàn)，可以使學(xué)生將所學(xué)的專業(yè)知識有機(jī)地聯(lián)系起來,培養(yǎng)學(xué)生對知識的綜合應(yīng)用能力和對復(fù)雜問題的分析解決能力[5]。如針對某個具體的機(jī)械零部件，以三坐標(biāo)測量機(jī)為主要實(shí)驗(yàn)裝備，開設(shè)“尺寸與幾何誤差數(shù)字化綜合測量”實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。設(shè)計性實(shí)驗(yàn)是指在學(xué)生經(jīng)過常規(guī)和綜合性實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練之后,根據(jù)給定的實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)要求和實(shí)驗(yàn)條件,自行設(shè)計實(shí)驗(yàn)方案并加以實(shí)現(xiàn)。指導(dǎo)教師給出實(shí)驗(yàn)室所能夠提供的實(shí)驗(yàn)條件,由學(xué)生提出實(shí)驗(yàn)步驟、選定實(shí)驗(yàn)儀器、獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)操作，并自行分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。如針對教師某個具體的在研課題，以三維光學(xué)掃描儀為主要實(shí)驗(yàn)裝備，開設(shè)“基于幾何誤差數(shù)字化測量的機(jī)構(gòu)故障分析”實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

3.3 數(shù)字化測量實(shí)驗(yàn)方法

作為現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室的重要補(bǔ)充和未來發(fā)展方向，虛擬實(shí)驗(yàn)室是一種基于Web技術(shù)和虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建的開放式、網(wǎng)絡(luò)化的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，是現(xiàn)有各種教學(xué)實(shí)驗(yàn)室的數(shù)字化和虛擬化[6]。在幾何量測量方面，虛擬實(shí)驗(yàn)室的重要體現(xiàn)即是虛擬儀器技術(shù)。

所謂“虛擬儀器”，就是借助于計算機(jī)的軟（硬）件平臺，配以少量的輔助設(shè)備或器件，構(gòu)成功能適合用戶要求的儀器。虛擬儀器技術(shù)是現(xiàn)代測量技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，開發(fā)和使用幾何量測量虛擬儀器,可以非常方便地在計算機(jī)上實(shí)現(xiàn)幾何量誤差的測量，還可以修改控制面板和功能模塊來滿足不同用戶的需求，同時方便地采用不同的數(shù)據(jù)處理方式，實(shí)現(xiàn)幾何量測量的數(shù)字化、自動化、智能化和個性化[7]。

4 數(shù)字化教學(xué)模式的實(shí)現(xiàn)

所謂數(shù)字化教學(xué)模式，是指教師和學(xué)生在數(shù)字化的教學(xué)環(huán)境中,遵循現(xiàn)代教育理論和規(guī)律，把課程內(nèi)容進(jìn)行數(shù)字化綜合處理,把各種教學(xué)資源融合到課程教學(xué)過程中,基于數(shù)字化教學(xué)平臺，教師和學(xué)生采用多種現(xiàn)代化的信息檢索和獲取方式,以豐富、快捷、有效、交互、協(xié)作等作為教學(xué)準(zhǔn)則來開展教學(xué)活動的一種教學(xué)模式。

4.1 數(shù)字化教學(xué)理念

數(shù)字化教學(xué)以建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論為基礎(chǔ)，采用協(xié)作學(xué)習(xí)的結(jié)構(gòu)化模型，通過對多種教學(xué)媒體信息的選擇與組織以及教學(xué)設(shè)計、學(xué)習(xí)導(dǎo)航、問題設(shè)置、診斷評價等方式來反映教學(xué)過程和教學(xué)策略。數(shù)字化教學(xué)強(qiáng)調(diào)的重點(diǎn)體現(xiàn)在學(xué)生的學(xué)習(xí)上，而不是教師的講課上，體現(xiàn)在名副其實(shí)地改變學(xué)生的學(xué)習(xí)方式，實(shí)現(xiàn)真正意義上的，以培養(yǎng)學(xué)生探索精神與創(chuàng)新能力為目的的“交互式學(xué)習(xí)”和以培養(yǎng)學(xué)生協(xié)作精神與溝通能力為目的的“合作式學(xué)習(xí)”[8]。

數(shù)字化教學(xué)改變了以傳授知識為主要任務(wù)，記憶知識為主要方法的舊觀念、舊模式，把教學(xué)目標(biāo)從守成型轉(zhuǎn)變?yōu)閯?chuàng)新型，把教學(xué)聚焦點(diǎn)由“教”轉(zhuǎn)向“學(xué)”、由“結(jié)果”轉(zhuǎn)向“過程”，由“知識”轉(zhuǎn)向“能力”，以學(xué)生獲取信息，創(chuàng)造知識的可持續(xù)性進(jìn)步作為衡量尺度，從而實(shí)現(xiàn)教育對人的和諧、全面發(fā)展的促進(jìn)功能。

4.2 數(shù)字化教學(xué)平臺

數(shù)字化教學(xué)平臺是立足于校園網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施之上的、面向全體師生的數(shù)字化校園的一個重要組成部分。構(gòu)建數(shù)字化教學(xué)平臺一般包含資源采集與組建、資源管理與技術(shù)支持、資源應(yīng)用三個體系的內(nèi)容。

廣義上的數(shù)字化教學(xué)平臺基本模型如圖1所示。

圖1 數(shù)字化教學(xué)平臺基本模型

教學(xué)過程是一個以知識為媒介的教師與學(xué)生的互動過程。在數(shù)字化教學(xué)平臺上，教師從傳統(tǒng)教學(xué)中的主導(dǎo)角色，轉(zhuǎn)變?yōu)榻虒W(xué)資源的引導(dǎo)者、設(shè)計者和學(xué)生學(xué)習(xí)的促進(jìn)者。除了組織、整合與優(yōu)化教學(xué)資源之外，教師還要在教學(xué)中起到輔導(dǎo)、督促和啟發(fā)學(xué)生的作用。只有教師、學(xué)生與教學(xué)平臺三者在教學(xué)過程中形成一個相互配合、良性互動、協(xié)調(diào)發(fā)展及有機(jī)的循環(huán)系統(tǒng)，才能真正實(shí)現(xiàn)數(shù)字化教學(xué)平臺構(gòu)建的目的，才能全力推動數(shù)字化校園的成功實(shí)施。

5 結(jié)束語

科技的發(fā)展日新月異，在《互換性與技術(shù)測量》課程教學(xué)中，同樣必須與時俱進(jìn)，在數(shù)字化視域?qū)φn程進(jìn)行教學(xué)改革包括拓展數(shù)字化公差技術(shù)知識、引入數(shù)字化測量實(shí)驗(yàn)、實(shí)現(xiàn)數(shù)字化教學(xué)模式，這對于培養(yǎng)面向工程應(yīng)用及適應(yīng)數(shù)字化時代發(fā)展要求的專業(yè)技術(shù)人才具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。推而廣之，本文對于高校工科類專業(yè)課教學(xué)改革亦具有一定的借鑒價值。

[1]周兆元，李翔英.互換性與技術(shù)測量基礎(chǔ)(第3版)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

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[6]原渭蘭，邱 杰.數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的研究與思考[J].實(shí)技術(shù)與管理，2011，(7)：138-140.

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Teaching of“Interchangeability and Technical Measurement”in the Horizon of Digitization

JIANGQi-lin，WANG Zong-rong，XUEXiao-qiang，LIXiang-ying
（SchoolofMechanical Engineering，Nanjing Institute of Technology，Nanjing 211167，China）

In the analysis of“interchangeability and measuring technology”course teaching，points out its deficiency. Suggestions on teaching reform in digital horizon:expand the digital tolerance technical knowledge,introduce the digitized measurement experiment,and achieve the goal of digital teachingmode.This article on teaching reform of specialized course in engineering collegealsohassome reference value.

tolerance technique；interchangeability and technicalmeasurement；digitization；reform in teaching

G642.0

B

1672-545X（2013）02-0167-04

2012-11-14

教育部人文社會科學(xué)研究青年基金項(xiàng)目“基于CDIO的項(xiàng)目化教學(xué)改革探索與實(shí)踐”（11YJC880133）；南京工程學(xué)院2010年校級教改“新一代GPS體系下機(jī)械精度應(yīng)用能力培養(yǎng)研究”建設(shè)項(xiàng)目（GY201006）；南京工程學(xué)院2009年校級精品課程“互換性與技術(shù)測量”建設(shè)項(xiàng)目（113106090002）

蔣麒麟（1976—），男，安徽馬鞍山人，工學(xué)碩士，主要研究領(lǐng)域?yàn)閿?shù)字化制造技術(shù)；王宗榮（1963—），男，江蘇鹽城人，工學(xué)博士，主要研究領(lǐng)域?yàn)閿?shù)控技術(shù)與裝備；薛小強(qiáng)（1976—），男，江蘇南京人，工學(xué)碩士，主要研究領(lǐng)域?yàn)閿?shù)控技術(shù)與裝備；李翔英（1968—），女，湖北仙桃人，工學(xué)學(xué)士，主要研究領(lǐng)域?yàn)闄C(jī)械測試?yán)碚摗⒎椒ㄅc技術(shù)。