“互換性原理及技術測量”教學方法研究與探索

溫 泉，滕云楠，楊建宇

（東北大學 機械工程與自動化學院，遼寧 沈陽 110819）

一、課程性質和任務

機械設計時的精度設計及機械加工過程中和加工后的測量與檢驗是保證機械產品質量的兩個重要技術環節，“互換性原理及技術測量”（又稱“公差與技術測量”“機械精度設計與檢測”“幾何量精度設計與檢測”）課程的任務即是研究機械零部件精度設計的原則和方法及機械產品質量保證的測量和檢驗技術。

本課程是工科機械類、近機械類各專業必修的重要技術基礎課程。課程主要講授互換性、公差與配合等機械精度設計方面的基本理論和國家標準。通過介紹幾何量精度、幾何量誤差相關的基本概念，讓學生掌握幾何量公差標準相關的內容、特點和應用原則，了解有關測量技術的基本知識、常用計量器具的測量原理、基本操作方法、讀數及數據處理方法。學生通過本課程的學習能夠了解各種公差項目、精度等級的應用范圍及不同加工方法所能達到的加工精度等級，具備正確選擇、計算公差、合理進行機械精度設計的能力，為后續“機械制造技術基礎”等專業課程的學習及“機械設計課程設計”“畢業設計”等設計類課程的開展奠定基礎。因此，本課程既是從基礎課到專業課過渡的橋梁，也是聯系設計類課程和工藝類課程的紐帶。

二、課程內容和特點

“互換性原理及技術測量”課程包括互換性原理和技術測量兩部分內容。互換性原理部分主要講授幾何量的精度設計，屬于標準化范疇；技術測量部分主要研究幾何量的測量，屬于計量學范疇。

本課程的特點可以概括為兩“多”和兩“強”。兩“多”體現在：第一，內容多［1］。課程包含幾何量精度設計和幾何量測量兩部分。幾何量精度設計部分又包括精度設計的基本原理和典型零部件的精度設計兩大部分：精度設計的基本原理部分包括尺寸精度設計、幾何精度設計和表面精度設計；典型零部件的精度設計部分包括光滑極限量規、滾動軸承、鍵和花鍵、漸開線圓柱齒輪、螺紋、錐、角度的精度設計［2］。第二，術語、定義、抽象概念多［3］。課程在講授精度設計原理之前會介紹大量有關的概念、術語和定義。這些術語和定義引自國家標準，敘述方式專業性較強，學生聽起來經常感覺到枯燥、晦澀難懂，難以產生興趣并將注意力集中到課堂上。

兩“強”體現在：第一，實踐性強［4］。學生在后續的設計類課程及畢業后的實際設計工作中，繪制工程圖紙時需要在裝配圖中標注配合要求，在零件圖中標注尺寸公差、幾何公差、表面粗糙度要求等。如何借助符號等工程語言，將設計思想規范地表達在圖紙上，即各項公差項目的標注，是本課程的重點內容之一。此外，課程中的很多設計方法和設計原則來源于生產實踐，是從生產實踐中總結出的經驗規律和經驗算法。對于缺乏實際生產工作經驗的在校大學生來說，這些內容理解起來經常會感到抽象難懂。第二，綜合應用性強。課程涉及機械設計、機械制造工藝學、質量控制、生產組織管理及標準化與計量學等多個學科，涉及的知識面較廣，學生很難將所學知識融會貫通并將其綜合應用到解決復雜的機械工程問題中［5］。

三、教學方法研究與探索

“互換性原理及技術測量”課程學時少，內容多，傳統的課堂教學中存在“難教、難學、難用”的問題，學生的學習積極性不高，學習效果欠佳。教育部在2017年提出新工科人才培養模式，主要目的是培養創新型、復合型的工程技術人員［6］。傳統的專業課程要適應新工科教學體系，加強學生交叉能力的培養，必須拓寬學生的知識面，這勢必要進一步壓縮原有的專業課課時［7］。如何在有限的教學時間中，將基本原理和基本知識傳授給學生，使學生掌握幾何量精度設計與幾何量誤差檢測的基本知識和能力，并激發學生的學習興趣和主觀能動性，是教學改革的重點。為此，課程組教師從優化課程體系、將理論教學與實踐教學緊密結合、強調應用等多方面進行了研究探索和嘗試。

（一）有主有次合理安排課程內容和學時

針對課程內容多的特點，在學時安排上做到有詳有略，突出重點。對精度設計的基本原理部分即孔、軸結合的極限與配合、幾何公差和表面粗糙度這三章內容，是精度設計的基礎，也是后續各章典型零部件精度設計及其他教材中未介紹的零部件精度設計的理論基礎。因此，在設置課程教學大綱時，對這部分內容在課堂上深入講解基本概念、突出重點、主攻難點、解決疑點，并安排習題課加強理解，要求學生重點掌握。對于典型零部件的精度設計部分，以漸開線圓柱齒輪公差標準、光滑工件尺寸檢驗和光滑極限量規精度設計兩部分內容為例，做重點講授，引導學生理解精度設計的基本原理如何應用于實際零部件的精度設計。對于其他典型零部件的精度設計，包括滾動軸承、鍵和花鍵、螺紋、錐、角度公差等，教師在課堂上只介紹要點，引導學生了解并課后自學。這樣有主有次地合理安排授課內容，將主要內容進行深刻透徹的講解，讓學生掌握幾何量精度設計的基本知識和原理，培養精度設計的基本能力，為后續其他次要內容的自學和進行實際零部件的精度設計奠定堅實的基礎。

（二）將理論教學與實驗教學有機融合

針對課程內容中關于技術測量的部分，除理論課講授之外，共設置了8學時的實驗課程，使學生熟悉常用的測量原理、測量器具和測量方法。實驗課程中儀器使用、實驗方案等的安排都與理論課內容緊密相關。比如，在直線度誤差的教學中，分別開展了采用指示表、水平儀、自準直儀及三坐標測量機測量同一零件的直線度誤差實驗。通過實驗比較幾種測量儀器在測量原理、數據采集和處理方面的異同，加深了學生對常用的直線度誤差評定方法的理解。在漸開線圓柱齒輪公差的教學中，由于齒輪本身的形狀較復雜、幾何參數眾多，課堂教學中學生普遍反映齒輪公差標準中的各項檢驗參數抽象、難以理解。另外，齒輪的很多檢驗參數是根據特有的測量方法或特定的測量儀器定義的。為了讓枯燥難懂的齒輪精度指標淺顯易懂，課程組增加了齒輪實驗的學時，共設計開展了7組齒輪精度的檢測實驗：雙面嚙合綜合檢查儀測量徑向綜合總偏差Fi”和一齒徑向綜合偏差fi”、萬能測齒儀測量單個齒距偏差fpt和齒距累積總偏差Fp、數控齒廓測量儀測量齒廓總偏差Fα、齒向檢查儀測量螺旋線總偏差Fβ、徑向跳動檢查儀測量徑向跳動Fr、齒厚卡尺測量齒厚偏差Esn、公法線千分尺測量公法線長度偏差Ebn。學生通過實際操作對齒輪零件精度進行檢驗、記錄和處理原始數據，加深了其對各項精度指標檢驗參數的理解。

通過將理論教學與實驗教學有機融合，可有效利用儀器設備強化學生的動手能力，加深學生對理論教學中重點概念和知識點的理解；并在期末考試題中也相應增加實驗內容相關試題的比重。

（三）充分利用多媒體等先進教學手段

課程中大量晦澀難懂的術語、定義和抽象概念，傳統教案很難生動形象地展示其含義，課程組充分利用多媒體等先進教學手段，在教案中輔以大量的視頻動畫等資源。例如，幾何公差是本課程的重點內容之一，國家標準規定了15項幾何公差項目，各項幾何公差帶的定義復雜抽象。要在有限的5個學時內，清楚理解各項公差帶的特點及彼此之間的區別和聯系，需要教師生動形象的講解和學生較強的空間想象能力。因此，課程組將15項幾何公差的公差帶和相應幾何誤差的評定原理制作成動畫插入課件。比如，給定方向上的直線度公差帶是間距為公差值的一對平行平面所限定的區域，由于直線度公差屬于形狀公差，只能控制被測要素的形狀，對其方向和位置沒有控制作用，因此，這對平行平面可以隨著被測要素方向和位置的變動而變動。這些概念和原理如果僅用語言描述，會使學生感覺到抽象和晦澀難懂，而借助動畫即可將直線度公差帶和直線度誤差評定的最小包容區域的大小、形狀、方向和位置，形象、生動地展現給學生，幫助學生理解清楚直線度公差帶的特點及其與平行度等其他公差帶之間的區別和聯系，獲得較好的教學效果。

為了更好地利用有限的實驗學時，課程組將所有的實驗講解和操作過程錄制成視頻上傳至學校教務平臺。要求學生在做實驗前，通過觀看視頻預習實驗過程，預先了解實驗儀器設備的操作方法、注意事項和需要測量記錄的數據等，提高了實驗課的效率和實驗室的利用率。課程組后續計劃繼續開展其他相關視頻，如教學視頻、習題講解專題視頻、生產現場測量等視頻的制作。

（四）開展案例研究式教學

針對課程實踐性強的特點，教師挑選生產實踐中的典型案例展開討論與研究，引導學生給出實際問題的解決方案。讓學生在具體問題情境中既獲取理論知識，又掌握如何將理論應用于工程實踐，增強其工程應用能力。

在講授尺寸精度設計時，結合鉆床夾具設計中的鉆套設計部分，引導學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、鉆套與鉆頭等各個零件之間的配合性質對鉆孔加工效率和加工精度的影響，從而對各配合分別給出合理的配合代號。在講授幾何精度設計時，結合車床主軸的功能要求，分析其可能產生的各種誤差形式及對車床本身精度和加工工件精度的影響規律，確定應對車床主軸提出的幾何公差項目、公差值及公差原則。在講授表面精度設計時，結合減速器輸出軸零件，綜合分析輸出軸各回轉表面的配合性質、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值。教學實踐結果表明，案例研究式教學方法可有效增進學生對所學專業知識的理解掌握，鍛煉學生分析問題和解決工程實際問題的能力。

（五）授課形式上加強教師與學生間的互動

針對課程綜合應用性強的特點，充分調動學生課堂參與的積極性和課后自主學習的主動性。教師在課上結合所講授的理論內容，提出幾個需要通過課后查閱資料或進行實驗等自主學習解決的問題。指導學生課后通過自己查閱資料、設計方案，在測量儀器設備上動手開展實驗、進行數據采集和處理，通過綜合分析等方法得出結論。教師再組織討論課，讓學生分組上臺匯報，各小組學生之間相互質疑、展開辯論。最后，教師對各組學生的表現進行總結和點評。通過課后的自主學習和課上展示與討論，學生可以更好地將所學的理論知識融會貫通、靈活應用。討論課上氣氛熱烈，收到了很好的教學效果。這種翻轉課堂的授課方式加強了教師與學生間的積極互動，不但能夠讓教師及時獲得教學效果的反饋，更重要的是讓學生參與到課堂教學活動中，激發了學生對所學課程的興趣，培養和鍛煉了學生主動思考、語言表達、團隊協作和綜合應用等多方面的綜合能力素質。

結語

“互換性原理及技術測量”課程包括互換性原理和技術測量兩部分內容課程，主要講授互換性、公差與配合等機械精度設計和檢測方面的基本理論和國家標準。課程具有學時少，內容多，術語、定義、抽象概念多，實踐性和工程應用性強的特點。傳統的課堂教學中存在“難教、難學、難用”的問題，學生的學習積極性不高，學習效果欠佳。針對課程的內容和特點，課程組在合理安排課程內容和學時、強調實驗實踐環節、充分利用多媒體等先進教學手段、開展案例研究式教學、加強授課形式的互動性這五方面改進了教學方法。教學實踐結果表明，這些方法在一定程度上激發了學生的學習興趣和主觀能動性，獲得了較好的教學效果，有效提高了教學質量和教學效率。