数字化视域下《互换性与技术测量》课程教学改革

蒋麒麟，王宗荣，薛小强，李翔英

（南京工程学院机械学院，江苏 南京 211167）

数字化视域下《互换性与技术测量》课程教学改革

蒋麒麟，王宗荣，薛小强，李翔英

（南京工程学院机械学院，江苏 南京 211167）

分析了《互换性与技术测量》课程教学现状，并指出其不足之处，建议在数字化视域下对课程进行教学改革，包括拓展数字化公差技术知识，引入数字化测量实验，实现数字化教学模式。这些改革对高校工科类专业课教学改革亦具有一定的借鉴价值。

公差技术；互换性与技术测量；数字化；教学改革

公差反映机械零部件的性能、质量等使用要求，与其工时、成本等制造要求之间的联系与矛盾，是机械产品精度的定量描述。机械工程领域中的公差技术以保证产品使用性能、运行质量和经济性为目的，以精度为核心，以标准、计量和质量工程为手段，包括对精度的影响、评定、传递、分配、储备、保持以及控制等所有的理论与方法[1]。

以公差技术作为主要研究内容的《互换性与技术测量》，是工科机械类专业本科阶段一门应用性很强的专业基础课。根据笔者多年的教学经验，该课程应在数字化视域进行教学改革。

1 课程教学现状与不足之处

《互换性与技术测量》课程主要由几何精度设计和几何量测量两部分内容组成，包含的理论知识主要有尺寸公差与配合、几何公差、表面粗糙度、典型零件（包括圆柱齿轮、滚动轴承、螺纹件等）互换性、光滑极限量规设计、误差与数据处理及尺寸链基础理论等。在知识、实验和教学模式三个方面，该课程的现状与不足之处如表1所示。

为了解决课程的不足之处，应从知识、实验和教学模式三个方面，在数字化视域对课程进行教学改革。

2 数字化公差技术知识的拓展

所谓数字化技术，是指利用计算机软（硬）件及网络、通信技术，对描述的对象进行数字定义、建模、存贮、处理、传递、分析和综合优化，从而达到精确描述和科学决策的过程和方法。在机械工程领域，数字化设计与制造技术及其重要组成部分的CAD、CAE、CAM、CAPP、人工智能与专家系统等技术正朝着网络化、集成化、智能化的方向发展，作为机械工程基础的公差技术，理应与数字化设计与制造技术的发展趋势相适应，使公差技术立足于计算机技术，为数字化设计与制造提供先进、实时、可靠的信息基础。

2.1 数字化公差技术的标准体系

产品几何量技术规范（Geometrical Product Specifications，GPS）是一套覆盖产品尺寸公差、几何公差和表面特征的国际标准体系，它贯穿于产品的研发、设计、制造、检测、销售、使用和维修等整个过程。传统的第一代GPS标准基于几何学原理，虽然提供了产品设计与制造过程中的技术要求，但是没有建立它们彼此之间的联系，其精度和公差理论不适于在计算机中利用三维模型表达。ISO/TC213GPS已由以几何学为基础的第一代GPS，发展到以计量数学为基础的第二代GPS。

第二代GPS将标准规范公式化，以数字化语言支持CAD/CAM的应用，将产品的功能、规范与测量集为一体，实现了几何要素从定义、描述、生成到检测等过程中数字化控制功能的完善，解决了长期以来困扰人们的基于几何学标准的烦琐而导致测量评估失控以及产品在几何定义、功能描述、规范设计、检测评定等一系列过程中数学表达统一规范的难题[2]。

2.2 数字化公差技术的理论基础

传统的公差技术与第一代GPS标准体系缺乏表达各种功能和控制要求的图形语言，图纸不能充分精确地表达对几何特征误差控制的要求。传统的测量方法主要是用人眼观测判读，获得的数据及信息量有限，并且依靠简单的极值范围控制工件质量。而电子元件集成化与微型计算机的飞速发展，使得测量自动化成为可能，可以获得大量具有统计性质的数据。因此，可以更真实地、从统计学的角度来评定、分析、控制工件精度质量的统计公差理论得到了深入发展。统计公差理论与精度理论、可靠性分析理论、质量保证体系等理论的研究和应用都是以计算机技术为基础，它们交叉、融合、互相补充，成为一个有机的整体，这即构成了数字化公差技术的理论基础，其主要包括如下基本内容：

（1）计算机辅助公差标准；

（2）计算机辅助精度设计和精度评定体系；

（3）计算机辅助测量技术与智能仪器系统；

（4）计算机辅助统计公差体系；

（5）计算机辅助质量保证体系；

（6）计算机辅助可靠性分析体系；

（7）计算机辅助试验设计与分析系统等[3]。

2.3 数字化公差技术的发展方向

数字化公差技术的发展主要在计算机辅助公差设计与分析技术和数字化几何量测量技术两个方面。

计算机辅助公差设计与分析技术(Computer Aided Tolerancing，CAT)自1978年由英国剑桥大学的Hillyard首次提出，目前在尺寸链的自动生成理论与技术、基于知识的公差设计、工序公差优化、并行公差设计等领域，取得了较多的研究成果。近几年，出现了一些商品化的公差设计与分析软件，如3DCS、CETOL6σ、Valisys等。一些CAD系统中也有部分公差分析模块，如：IDEAS中的2D Tolerance Analysis模块，EDS/Unigraphics中的VisVSA模块。CAT技术的发展主要包含两种方式：一是内涵方式，即以建立CAT基本理论和技术为目标，以数学模型为核心，以各类专门数据库为基础，通过数字和逻辑运算，得出公差信息；二是外延方式，即以标准化原理为理论基础，以成组技术为技术基础，通过建立代表性强、覆盖面广、系列化程度高的机构机件库与工艺过程库，得到各类公差设计样板，在类比和参考之后，得出公差信息。

数字化几何量测量技术的发展主要体现在复杂曲面的误差测量、复合材料工件的误差测量、高精度误差测量、空间大尺寸误差测量、MEMS几何量测量以及测量的自动化与可视化等方面。目前，随着光栅扫描技术、机器视觉技术和数字全息技术的应用与发展，随着三坐标测量机、激光跟踪仪、数字化扫描仪、CCD图像传感器等多种测量系统与测量工具的市场化应用，数字化几何量测量技术的发展方向大致如下：

（1）测量精度由微米级向纳米级发展，测量分辨率进一步提高；

（2）由点测量向面测量过渡（即由长度的精密测量扩展至形状的精密测量），测量精度整体提高；

（3）随着图像处理技术的应用，遥感技术在精密测量工程中将得到推广和普及；

（4）测量系统将向着功能综合化方向进一步发展，一方面是提高测量机的功能，增加检测项目，另一方面是扩大检测范围，可同时分别检测不同的测量对象[4]。

3 数字化测量实验的引入

《互换性与技术测量》课程的实验内容一般主要由五个部分组成：轴孔尺寸测量、几何误差测量、表面粗糙度测量、螺纹测量、圆柱齿轮测量。为了使学生更好地了解和熟悉数字化公差技术，更好地适应现代机械工程发展需要，在本课程的实验教学中，数字化测量实验装备、实验项目与实验方法应尽快、全面被引入。

3.1 数字化测量实验装备

应用于几何量测量的数字化实验装备非常多，纵观学科发展前景与工程应用现状，三坐标测量机与三维光学扫描仪应该是最广泛、最重要的两种装备。

三坐标测量机（CMM）的基本原理是将被测工件放入它允许的测量空间，通过测头导轨的直线运动，对工件进行测量扫描，精确地测出被测零件表面的点在空间三个坐标位置的数值，通过软件处理，把实体的模型转化为数字化的三维坐标，实现工件模型三维数字化。三坐标测量机可用于各种几何元素、各种尺寸公差、配合公差以及几何公差的三维数字化测量，在国外被称为“测量中心”。

三维光学扫描仪采用结构光测量技术，借助高分辨率的CCD数码相机，以逆向扫描方式对复杂工件表面进行高速扫描测量，将工件扫描成点云数据，利用多组固定参考点，对多次扫描测量摄取的信息数据进行拟合比较，自动拼合成单一的整体立体图，同时输出被测表面相关点或面的数字化三维数据，通过逆向工程软件（如PolyWorks、Imageware、Copy-CAD）与设计出来的CAD标准数据模型进行比对，通过色彩误差分析图及其报告，可以一目了然地掌握工件曲面全域尺寸与误差，快速精准地验证出自由曲面的品质。

3.2 数字化测量实验项目

在引入如三坐标测量机、三维光学扫描仪等先进数字化几何量测量实验装备之后，下一步的任务就是设置一些综合性的和设计性的实验项目，来改进、包含和取代一系列验证性的与单一性的实验项目。

综合性实验是指在学生具有一定基本操作技能的基础上，运用某一课程或多门课程的综合知识,综合训练学生的实验技能和方法。通过综合性实验，可以使学生将所学的专业知识有机地联系起来,培养学生对知识的综合应用能力和对复杂问题的分析解决能力[5]。如针对某个具体的机械零部件，以三坐标测量机为主要实验装备，开设“尺寸与几何误差数字化综合测量”实验项目。设计性实验是指在学生经过常规和综合性实验训练之后,根据给定的实验目的、实验要求和实验条件,自行设计实验方案并加以实现。指导教师给出实验室所能够提供的实验条件,由学生提出实验步骤、选定实验仪器、独立完成实验操作，并自行分析实验结果。如针对教师某个具体的在研课题，以三维光学扫描仪为主要实验装备，开设“基于几何误差数字化测量的机构故障分析”实验项目。

3.3 数字化测量实验方法

作为现有实验室的重要补充和未来发展方向，虚拟实验室是一种基于Web技术和虚拟仿真技术构建的开放式、网络化的虚拟实验教学系统，是现有各种教学实验室的数字化和虚拟化[6]。在几何量测量方面，虚拟实验室的重要体现即是虚拟仪器技术。

所谓“虚拟仪器”，就是借助于计算机的软（硬）件平台，配以少量的辅助设备或器件，构成功能适合用户要求的仪器。虚拟仪器技术是现代测量技术和计算机技术结合的产物，开发和使用几何量测量虚拟仪器,可以非常方便地在计算机上实现几何量误差的测量，还可以修改控制面板和功能模块来满足不同用户的需求，同时方便地采用不同的数据处理方式，实现几何量测量的数字化、自动化、智能化和个性化[7]。

4 数字化教学模式的实现

所谓数字化教学模式，是指教师和学生在数字化的教学环境中,遵循现代教育理论和规律，把课程内容进行数字化综合处理,把各种教学资源融合到课程教学过程中,基于数字化教学平台，教师和学生采用多种现代化的信息检索和获取方式,以丰富、快捷、有效、交互、协作等作为教学准则来开展教学活动的一种教学模式。

4.1 数字化教学理念

数字化教学以建构主义学习理论为基础，采用协作学习的结构化模型，通过对多种教学媒体信息的选择与组织以及教学设计、学习导航、问题设置、诊断评价等方式来反映教学过程和教学策略。数字化教学强调的重点体现在学生的学习上，而不是教师的讲课上，体现在名副其实地改变学生的学习方式，实现真正意义上的，以培养学生探索精神与创新能力为目的的“交互式学习”和以培养学生协作精神与沟通能力为目的的“合作式学习”[8]。

数字化教学改变了以传授知识为主要任务，记忆知识为主要方法的旧观念、旧模式，把教学目标从守成型转变为创新型，把教学聚焦点由“教”转向“学”、由“结果”转向“过程”，由“知识”转向“能力”，以学生获取信息，创造知识的可持续性进步作为衡量尺度，从而实现教育对人的和谐、全面发展的促进功能。

4.2 数字化教学平台

数字化教学平台是立足于校园网基础设施之上的、面向全体师生的数字化校园的一个重要组成部分。构建数字化教学平台一般包含资源采集与组建、资源管理与技术支持、资源应用三个体系的内容。

广义上的数字化教学平台基本模型如图1所示。

图1 数字化教学平台基本模型

教学过程是一个以知识为媒介的教师与学生的互动过程。在数字化教学平台上，教师从传统教学中的主导角色，转变为教学资源的引导者、设计者和学生学习的促进者。除了组织、整合与优化教学资源之外，教师还要在教学中起到辅导、督促和启发学生的作用。只有教师、学生与教学平台三者在教学过程中形成一个相互配合、良性互动、协调发展及有机的循环系统，才能真正实现数字化教学平台构建的目的，才能全力推动数字化校园的成功实施。

5 结束语

科技的发展日新月异，在《互换性与技术测量》课程教学中，同样必须与时俱进，在数字化视域对课程进行教学改革包括拓展数字化公差技术知识、引入数字化测量实验、实现数字化教学模式，这对于培养面向工程应用及适应数字化时代发展要求的专业技术人才具有十分重要的现实意义。推而广之，本文对于高校工科类专业课教学改革亦具有一定的借鉴价值。

[1]周兆元，李翔英.互换性与技术测量基础(第3版)[M].北京：机械工业出版社，2011.

[2]蒋向前.现代产品几何量技术规范(GPS)国际标准体系[J].机械工程学报，2004，(12)：133-138.

[3]王 恒.计算机辅助公差设计与分析的研究现状及展望[J].航空制造技术，2006，(3)：73-75.

[4]王学武.高精度几何量测量技术、仪器的现状及发展趋势[J].红外与激光工程，2008，(4)：177-179.

[5]于 峰.互换性与技术测量理论在实验教学环节中的应用验[J].黑龙江高教研究，2008，(8)：172-173.

[6]原渭兰，邱 杰.数字化实验教学改革的研究与思考[J].实技术与管理，2011，(7)：138-140.

[7]许治修，黄镇昌.虚拟仪器在几何量测量中的应用[J].现代制造工程，2001，(12)：35-36.

[8]赵国栋.现代教学技术应用与大学教学过程现代化[J].高等教育研究，2008，(2)：78-82.

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

教育部人文社会科学研究青年基金项目“基于CDIO的项目化教学改革探索与实践”（11YJC880133）；南京工程学院2010年校级教改“新一代GPS体系下机械精度应用能力培养研究”建设项目（GY201006）；南京工程学院2009年校级精品课程“互换性与技术测量”建设项目（113106090002）

蒋麒麟（1976—），男，安徽马鞍山人，工学硕士，主要研究领域为数字化制造技术；王宗荣（1963—），男，江苏盐城人，工学博士，主要研究领域为数控技术与装备；薛小强（1976—），男，江苏南京人，工学硕士，主要研究领域为数控技术与装备；李翔英（1968—），女，湖北仙桃人，工学学士，主要研究领域为机械测试理论、方法与技术。