《互换性与技术测量》精品课程创新建设与运用
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作者:朱艳春 王伯平 张延军 李萍 李直 田雅琴 宋冬芳 武妍
摘要：《互换性与技术测量》课程对工科机械类专业学生的培养和质量提升有其重要性和必要性。在高等教育质量工程引领下，该精品课程持续进行了创新建设与运用，从立体化教材体系建设、课程实验和实践性教学改革、多媒体、网络化教学改革和创新课程综合案例教学环节等方面进行了探索与实践，并取得了较为显著的成效。
关键词：互换性与技术测量;精品课程;教学质量;持续创新;课程建设
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）41-0233-03
教育部2018年1月发布了《普通高等学校本科专业类教学质量国家标准》[1]，在全国全面推行高校教学质量国标，力促教学质量进一步跃升。《国家中长期教育改革和发展规划纲要》对全国教育改革提出了明确要求，力推教育事业更加注重发展质量，改革创新。强国必先强教，强教必重质量，重质必赖改革[2]。因此，国家在高等学校实施了“质量工程”。因此，我们近年来在《互换性与技术测量》课程创建省级精品课程及一系列教改实践中进行了持续创新和探索。
《互换性与技术测量》课程在高等工科院校中是一门重要的技术基础课程。本课程亦称为“公差与配合”，它是高等院校机械类、仪器仪表类和机电相结合专业类必修的主干技术基础课程，是与机械工业发展紧密联系的基础学科。本课程主要讲授机械设计中的互换性、公差與配合等机械精度设计方面的理论和有关国家标准，要求学生掌握本课程的基本概念和系统知识，具有正确选择、计算公差的能力，合理设计机械精度，为学生专业课学习及课程设计奠定基础。太原科技大学是以机械类专业为主的地方普通高校，以重型机械、工程机械、起重运输机械、轧钢机械等专业为特色在国内享有较高声誉。学校针对机械类、近机械类和测试类等专业开设《互换性与技术测量》课程，每年有60多个教学班。在教学改革和“质量工程”的推动下，针对《互换性与技术测量》课程存在的学时少、课程内容多，课程中涉及的新技术、新国标不断增加，教学矛盾突出等许多迫切需要解决的问题，我们积极开展了一系列教学研究和教改创新工作，使本课程建设成为省级精品课程，主编的课程教材创建为国家级规划教材、“十三五”国家重点出版物出版规划教材，并在全国200多所高校推广使用，教学研究获省教学成果一等奖，教改工作取得了较为显著的成效。
一、课程立体化教材体系的建设
在建设互换性与技术测量精品课程的目标下，首先开展本课程优质教材的建设。在教材研究内容上，注重以下几点：
1.在分析研究国内外同类教材优缺点和当前本学科科学技术、标准水平发展现状及水平的基础上，结合当前学生学习该学科知识的实际需要，对编著教材的内容进行精选精练，使教材既加强基础，突出应用，内容新颖齐全，资料丰富，又使阐述简明扼要，结构层次分明，使教师和学生易教易学。
2.研究教材的多种形式。除编著教材外，还编著、设计开发多媒体CAI软件，在课件中制作成形式多样的各种文件形式，演示教材基本知识、章节重点及难点。
3.采用全新的国家标准，力求反映国内外最新成果。教材全部使用各类国标中的最新国家标准内容代替旧国标内容，使学生更好地掌握公差与配合理论的新进展。
4.建立教材具有“教、学、练”一条龙系列体系。立体化教材中编著有课程学习指导书、实验指导书、习题库、习题详细解答等多种教学资料，更方便了学生学习，使“教学、实验、练习、提高”一条龙的系列体系更加完善，使教师教学和学生学习更加方便、有效。
课程立体化教材编著后，全部由机械工业出版社出版，在教学中取得了很好的效果。立体化教材的特色及创新之处包括：（1）加强基础，突出实践应用，结构层次分明;（2）适用面广，既适用于机械类各专业，也适用于精密仪器类各专业，既可用于重型机械设备的大尺寸，又可用于精密仪器的小尺寸;（3）采用全新的国家标准;（4）教材具有“教、学、练”一条龙系列体系，从教材多媒体课件、课程学习指导书、实验指导书到习题册、电子题库、习题详细解答、课程综合案例教学电子软件等多种形式的教学资料，使课程教材系列体系更加完善，极大方便了教师教学，促进了《互换性与技术测量》课程教学质量的提高。
以太原科技大学为第一作者单位编著的《互换性与测量技术基础》立体化系列教材，经机械工业出版社统计，本教材已经连续印刷四十多次，其中第一版连续印刷十二次，第二版连续印刷十五次，第三版连续印刷十一次，第四版截至目前已连续印刷八次，被全国200多所高校广泛使用，取得了较好的社会效益。同时，该教材被教育部评审为“高等教育国家级规划教材”，被国家新闻出版局评审为“十三五国家重点出版物出版规划教材”。
二、课程实践性教学改革的探索
对于传统的工科课程实验教学，教师只看重学生对实验原理的理解掌握和实验结果的正确与否，注重知识的积累，但忽视了培养学生的开拓创新意识和分析解决问题的能力[3]。而新世纪的高等工科人才不但要有扎实的理论知识、丰富的抽象思维和逻辑推理能力，而且要具备优良的分析判断、解决问题的能力[4]。工科实验教学改革的方向就是要适应时代发展，创建一种全新的实验教学模式，在实践教学过程中以学生为主体、以提高学生的素质和实践动手能力为目标、以紧密结合工业实践和企业实际产品为载体、以设计性及创新性的实验为动力，激发学生的学习热情和思维活力，提高大学生的教育素质。
多年教学实践表明，传统的《互换性与技术测量》实验课程存在的主要问题有：（1）实验内容和工业实践及企业实际产品联系较少，实验内容空泛、多年一贯制，不能激发学生实验训练的热情;（2）验证性的实验多，综合性的实验和设计性的实验少，创新性的设计实验缺乏。实验环节中没有注重把所学的尺寸公差、形状和位置公差、表面粗糙度等机械零件精度优化设计的知识加以运用，导致学生学习本课程的目的不能得到有效的训练，使学生机械精度设计实践能力的提高受到一定的限制;（3）本课程实验涉及的内容多、项目多、仪器多。如在形状和位置误差的测量中，标准规定就有5种检测原则，107种检测方案。此外，还有长度测量、锥度测量、表面粗糙度测量、螺纹测量、齿轮测量、键及花键的测量等，学生面对许多从未接触过的仪器往往无从下手，感觉困难较大。针对这些实践性教学中存在的问题，对课程实践性教学改革进行了积极的探索，具体如下： 在课程的有效学时内，调整实践性教学内容，增加生产实践中的公差与配合设计实践训练。在课程实验中将学生实验用的产品零件与企业实际产品紧密结合，如结合华冶设备公司生产的螺旋焊管设备的传动轴和齿轮、华天机械制造公司生产的电子衡设备的轴和衬套零件等，让学生对企业实际产品零件进行检测，进行公差与配合的设计，开展设计性实验。
设立选作的机械精度优化设计科研实践课题，让学生自由组合、自愿参加。参加科研实践课题的学生在教师的指导下，针对课题中的产品零件完成以下几个方面的工作：分析研究产品零件的工作状况及对应的各种精度要求;进行尺寸公差设计;开展形状和位置公差设计;完成表面粗糙度设计;实施齿轮精度、螺纹精度、轴承配合精度、键配合精度等设计;综合分析总结本课题的精度设计工作。对参加和完成课题的学生在成绩评定中按规定给予一定的加分，鼓励学生参加科研，提高创新能力。
调整课程内实验的项目和内容，增加设计性、综合性的实验，适当减少验证性的实验，把单纯性实验改为综合性实验。
分析、研究、编制和完善相应的实践性教学资料和课程实验规章制度。在进行上述实践性教学改革的同时，还编著了新的实验指导书，修订和完善了课程实验教学大纲、创新性实验管理办法、实验成绩考核办法、实验报告等实践性教学的有关资料和文件，使本课程的实践性教学改革能够科学、规范、有序地推进，不断提高实践性教学的质量。
三、课程多媒体、网络化教学改革
对《互换性与技术测量》课程在教学方法和手段上进行了教学改革，应用多媒体和网络化先进技术进行教学。在课堂教学使用的课件中，将教材中的基本教学知识通过梳理、分析、精简、充实，把教學内容制成图形、动画、表格、文字、声音等形式多样的各种文件，这些文件在教学中交相映衬、互相补充，用于讲解、演示教学基本知识，获得了很好的效果。特别是对每一章节中的重点，都要进行突出演示和讲解，并适时配以实例，获得了举一反三、事半功倍的效果。如在形位公差这一章节，多媒体课件展示出控制形位误差的各种公差带形状，使课堂教学内容形象化、简易化，更便于学生理解和接受。对一些学生们不易用传统教学法理解的内容，我们用动画制作软件，设计制作了形象逼真而且可以控制的动画配合演示。如在讲述公差原则这一节时，学生们对尺寸公差与形位公差之间的补偿机理和关系往往搞不清楚，理解不透，这也是教学的一个难点和重点。针对这个问题，我们设计制作了一对孔和轴在多种误差情况下的渐进式装配配合动画演示，在多媒体演示中，教师能方便地控制配合件的前进、后退、旋转、误差变化、动、停等操作，配合关系形象逼真、色彩鲜亮，重点难点的概念问题在演示过程中清晰可见、一目了然，非常便于学生理解掌握。同时，本课程还使用现代化的网络教学手段进行远程教学。将教学大纲、授课教案、习题、课程课件、实验指导、参考书目等教学资料发布在校园网上，创建课程的网络教学平台，方便学生网上学习。学生在网上和教师互动，增加了师生交流[5]。学生网上提出问题，教师网上解答和答疑;学生网上做练习习题，教师网上批阅。形成了立体化的课程教学体系，显著提高了教学效果。
四、创新增加课程综合案例教学环节
《互换性与技术测量》课程最重要的目标之一是培养学生合理设计机械精度的能力。机械精度设计是机械设计中的一个重要环节，既能保证机械准确、可靠、持久地完成功能任务及规定的动作，又要使机械制造成本低廉，这是因为机器的精度直接影响机器的工作性能、振动、噪声、寿命、制造加工的难易和成本等。同时，机械精度设计也是学生在学完本课程后应达到的基本要求，使学生学会根据机器和零件的功能要求，设计合适的公差与配合等各项精度指标。这些精度指标包括设计确定机器零、部件的尺寸公差与极限偏差、几何公差、表面粗糙度、与滚动轴承配合的公差与极限偏差、键联结的公差与极限偏差、螺纹配合的公差与极限偏差、齿轮的精度等级及各项公差与极限偏差等，以保证机器能正确地进行装配和使用、满足工作精确度并使制造成本更合理。
针对课程目标，我们在《互换性与技术测量》课程有效学时内，创新性地增加了综合案例教学内容，紧密联系工业实际产品设计实践中的公差配合设计讲授和实践体验。综合案例选择与普通机械产品机械精度设计中具有广泛共性的齿轮减速器进行三维动画机械精度设计软件的开发，三维动画综合案例以实际工业产品中某种一级圆柱齿轮减速器为例，主要分为三个部分：减速器主要零件三维动画演示、减速器主要相关零件配合及精度设计演示和圆柱齿轮减速器总装配三维动画演示。
综合案例第一部分减速器主要零件共选择、制作了多个零件，主要包括箱座、箱盖、轴、齿轮轴、大齿轮、轴承、轴承端盖、键、调整垫片、销等。这些零件在下一步的相关零件配合及精度设计演示中起主要作用。综合案例第二部分是减速器主要相关零件配合及精度设计演示，共选择、设计制作了多种组合，每一种组合中有不同的若干零件相互装配配合，并且可以显示该组合配合表面所应合理设计的各种机械精度值（尺寸公差、几何公差、表面粗糙度等）。
使用我们自主研发设计的《互换性与技术测量》三维动画综合案例软件教学时，打开该软件进入页面，根据教学需要可以选择减速器主要零件、减速器主要相关零件配合及精度设计、减速器总装配三个部分的选项。创新地将课程综合案例教学环节融入课程教学中，对机械中的各种机械精度进行合理设计，运用先进、生动、直观的三维立体动画演示其零部件的配合情况和精度选择，有效地解决了理论教学中学生不易理解掌握的难点重点，提高了课程教学质量，取得了良好的教学效果。同时，这种综合案例教学软件的开发进一步完善了课程教材体系。
五、建设精品课程的成效
在高等教育“质量工程”的推动下，经过数年的探索和实践，《互换性与技术测量》课程的教学工作取得了较为显著的成效。太原科技大学为第一作者单位编著的本课程教材《互换性与测量技术基础》被教育部评审为“普通高等教育国家级规划教材”，被国家新闻出版局评审为“十三五国家重点出版物出版规划教材”，并在全国200多所高等学校广泛应用，各校普遍给予好评，教学效果良好，取得了很好的社会效益;本课程建设成为省级精品课程，在本学科教学中具有示范作用;本课程建设中完成多项省、校级教学改革成果并荣获山西省教学成果一等奖;本课程教学团队中涌现出省级教学名师。在建设精品课程的实践和探索中，我们深刻地体会到，在教学中只有坚持教学改革、坚持创新、坚持理论联系实际、坚持不断的探索与实践，才能在高等教育中锤炼出好的精品课程，使教学质量不断提高，使学生受益，获得显著的教学效果。本课程的教学质量仍然有提升的空间，课程建设和创新还将持续进行。
参考文献：
[1]高等学校教学指导委员会.普通高等学校本科专业类教学质量国家标准[M].北京：高等教育出版社，2018.
[2]潘云鹤.抓住机遇大力培养创新型工程科技人才[J].中国高等教育，2009，（24）：4-6.
[3]余欢.以综合性工程训练为重点创新教育模式[J].中国高等教育，2008，（9）：25-26.
[4]杨秋宁.试论高校如何提升大学生创新能力[J].中国教育学刊，2014，（9）：62-63.
[5]陈秀兰.走向师生自觉交往中的建构[J].高等教育研究，2007，（4）：51-57.
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