依托自制仪器对公差实验进行OBE改造的探索

李忠新，孔 鑫，宫 琳，吕唯唯

（1.北京理工大学 机械与车辆学院，北京 100081； 2.北京理工大学 地面机动装备国家级实验教学示范中心，北京 100081）

综合性实验是指学生应用一门或多门课程相关知识，进行综合训练的复合性实验，有利于促进学生知识应用、思维训练、能力养成和综合素质的全面协调发展，一直是高校实验教学改革的重要方向[1-2]。公差实验作为机械类专业人才培养的重要教学组成，要求学生掌握必要的检测手段和检测方法，并在实验过程中培养分析问题和解决问题能力[3-5]。北京理工大学地面机动装备国家级实验教学示范中心以公差实验的传统项目“齿轮齿圈径向跳动测量实验”为例，基于OBE理念，自制模块化径向跳动自动检测仪并同步进行了实验的综合性设计与改造升级，已在教学中进行了应用与检验。

1 模块化径向跳动自动检测仪

实验设施陈旧，各厂家仪器设备大同小异多侧重于原理验证，功能较单一且缺乏多样性、灵活性，难以为综合性实验提供有效支持等[6]，是公差实验等传统实验教学面临的主要问题之一。“工欲善其事，必先利其器”，模块化径向跳动自动检测仪的研制，为齿轮齿圈径向跳动测量实验的综合性设计与改造升级提供了有力的条件支持。

模块化径向跳动自动检测仪，以知识点的多维融入与应用为指导思想，以小型化、模块化、经济性为基本原则进行设计，主要包括了底座板、顶尖模块、丝杠滑台模块、数显采集模块、定位工装、被测对象等功能与结构模块，如图1所示。

图1 模块化径向跳动自动检测仪结构简图

模块化径向跳动自动检测仪集成了测量测试仪器设备中的多种常见结构形式，提供开放的实验条件。实验过程中，学生首先需要思考分析测量仪器设备自身的精度来源与保障措施并自主搭建测量平台，涉及机械制图、机械设计、几何精度与公差设计、机械制造工艺学等多门课程的相关知识点。自主思考搭建测量平台能够极大地提升学生的主动性、积极性和实验兴趣与参与度，有利于实验学习目标的实现。

模块化径向跳动自动检测仪的控制系统包括数显千分表、RS232转USB数据线、计算机及数据采集系统。该数显千分表最小分辨率1 μm，测量范围12.7 mm，全程精度5 μm，回程精度3 μm。数显表通过RS232转USB数据线与计算机相连，操作人员可通过数据采集系统自动采集数据，提高数据采集效率，消除读数误差。

2 基于OBE理念的实验设计与改造升级

工程教育专业认证标准明确了高校实验实践教学的目的、意义和重要性，更加重视考察学生综合运用所学科学知识和技术手段解决复杂工程问题的能力[7]。实验项目作为实验实践教学的基本单元，在工程教育专业认证背景下，基于OBE理念进行升级改造，是实验实践教学改革尤其是传统实验项目改造升级的重要途径。基于OBE理念的实验项目升级改造，旨在探索以学生为中心，强化主动学习并通过不断反馈驱动学习目标和结果的实验教学模式。

2.1 实验教学目标设计

齿轮齿圈径向跳动测量实验的目标达成度要求学生掌握分析和解决齿轮齿圈径向跳动测量实际问题的基本技能和方法，具备综合运用课程所学知识与技术手段设计径向跳动自动检测仪与测量实验的能力，掌握机械、计算机相结合的现代测量方法和实验方法，并能够对实验结果与数据进行分析处理。

为实现上述教学目标，需要重新设计实验方案，摆脱学生进入实验室利用现有设备按步骤进行简单操作并记录数据的简单机械式实验模式。

2.2 自主实验教学模块设计

齿轮齿圈径向跳动测量实验，依托自制模块化径向跳动自动检测仪进行综合性设计与升级改造，主要包括径向跳动自动检测仪结构认知、径向跳动检测仪装配、径向跳动测量、研究型实验报告撰写等环节，如图2所示。

图2 齿轮齿圈径向跳动测量实验模块化培养体系

（1）径向跳动自动检测仪结构认知。结构认知是综合性实验设计与改造的基础模块。结构认知模块综合了机械制图、机械设计等课程的相关知识点，实验过程中，学生首先需要根据装配简图理解径向跳动自动检测仪的模块化结构，辨识主要结构与零部件并思考功能与应用条件等，为后续的径向跳动检测仪装配做好准备。

（2）径向跳动自动检测仪装配设计。径向跳动自动检测仪装配设计涉及几何精度与公差设计、机械制造工艺学等课程的多个知识点。径向跳动自动检测仪作为测量仪器设备，自身应该具备基本的精度指标主要来源于设计精度、零部件加工精度（外购件与标准件技术参数）、装配精度3个方面。其中，设计精度和零部件加工精度在实验开始之前已经固化，而装配精度则是实验过程中需要重点考虑与保证的因素。实验过程中，学生需要根据问题引导思考规划径向跳动自动检测仪装配工艺甚至对零部件结构或设计进行质疑，如各零部件之间是否有位置公差要求，其精度如何保证，等等。通过径向跳动自动检测仪装配，学生加深了对机械制图与公差课程中的同轴度、平行度概念的理解与应用，提高了实验参与度和实验积极性，并通过不断的思考与反馈交流提升测量实验的问题分析与解决能力。

（3）径向跳动测量。学生利用搭建好的径向跳动自动检测仪完成径向跳动的测量并记录实验数据。利用模块化径向跳动自动检测仪，学生可以自由选择被测对象设计测量方案，既可以进行齿轮齿圈径向跳动的测量，也可以进行圆柱的圆跳动和径向全跳动测量。该模块在原有齿轮齿圈径向跳动的概念上，进一步融入圆跳动、径向全跳动等几何量概念，再次丰富了实验内涵。数据测量环节，学生还需要掌握数显千分表的自动数据采集功能，提高现代工具与方法应用能力。

（4）研究型实验报告撰写。研究型实验报告要求学生自行设计实验报告模板，全面记录实验过程、问题分析与解决情况、数据分析处理等，同时，还要求学生结合实验过程自行确定切入点，查询文献并进行相关研究现状与技术发展应用分析总结，全面提升学生的文献资料查阅分析、论文写作与表达能力。

2.3 问题导向渐进引导式教学方法

以解决问题为着眼点，引导学生由被动接受讲解，转变为主动综合运用所学知识发现、提出、思考与解决问题，有利于培养学生的主动思考习惯，有助于培养学生创新思维和独立解决实际问题能力[8]。

径向跳动测量综合性实验设计与改造过程中，采用了基于问题导向的渐进引导式教学方法，如图3所示，在主问题下，基于实验流程与环节设计了显性问题和隐性问题共同发力的渐进式引导问题。其中，主问题贯穿于整个实验过程，显性问题属于学生实验过程中会主动发现并思考解决的问题；而隐性问题则为实验过程中学生容易忽略或需要被动引导思考解决的问题。对于隐性问题，教师不直接提问或引导，而是实验过程中根据学生的操作以侧面分析询问为主的方式引导学生思考并发现与解决问题，进一步提高学生的参与度和强化学生通过实践主动提问、质疑以及思考解决问题的意识与能力，同时也进一步拓展实验涉及知识点并巩固学生对相关知识点的理解与应用。

图3 基于问题导向的渐进式引导教学方法

3 径向跳动测量综合实验教学成效

经过改造升级的径向跳动测量综合实验 2019年已应用于示范中心的“几何规范学”课程实验和暑期科创实践集训营等教学实践环节，应用成效显著。针对实验实践成效的评价包括学生实验过程表现分析、实验报告分析和问卷调查分析三种形式。

对比于改造前，学生的实验参与度和实验兴趣明显大幅提高，但受传统实验模式的影响，主动提问交流情况仍不太理想。通过实验报告和匿名问卷调查分析，多数同学认为教学内容丰富，拓展和巩固了相关知识点的理解与应用；同时，学生对问题导向渐进引导式实验教学方法也给予了较高的评价和认可，认为教学方法新颖，有助于学生自主分析问题和解决问题的意识与能力培养。学生对综合实验的总体评价如图4所示，基于OBE理念的综合性实验设计与改造升级初现成效。

图4 径向跳动测量综合实验学生评价

实验报告分析和匿名问卷调查分析，还为综合实验的持续改进优化提供了依据，体现了OBE教学理念的“以学生为中心”和“持续改进”基本思想。

模块化径向跳动自动检测仪、径向跳动测量综合实验及其教学应用于2019年10月顺利通过了我校资产与实验室管理处组织的实验室研究项目结题验收，并获得了验收组专家的高度评价和认可。

4 结语

依托自制仪器设备，根据实验教学目标规划设计了自主实验教学模块与实验教学方法，完成了传统齿轮齿圈径向跳动测量实验升级为径向跳动测量综合实验的OBE改造。模块化教学内容的设计和问题导向的渐进式教学方法的设计使用，显著提高了学生的实验兴趣和参与度，有助于学生主动发现、分析和解决问题意识与能力的培养。传统实验项目的OBE改造初现成效，并为其他工科类似传统实验项目的OBE改造升 级提供了参考途径与方法。