基于五维模型的互换性与测量技术课程教改

张育斌

（宁波财经学院数字技术与工程学院 浙江 宁波 315175）

创新驱动发展引领的变革是我国高等教育发展的背景。当今的大学必须把科技创新和教育人才培养结合在一起，既要培养高水平的研发、设计和管理人才；也要培养有一定的理论知识、较强的实践操作的综合型人才。[1-2]

互换性与测量技术作为宁波财经学院机械工程（大类）的精度设计相关的必修课，教学计划在大学二年级开设，是支撑机械设计、课程设计、毕业设计、科研创新的课程体系中必不可少的专业基础课，也是机械工程技术人才培养的关键课程。该课程具有“四多两广两强”特点，传统的教学模式过于偏理论知识讲解[3-4]，没有工程实践系统概念，容易导致学生实践思维淡化，无法完成系统的精度设计。因此本文在MIT“NEET计划”和《斯坦福大学2025计划》的教学改革的启发下，基于多维模型的教学模式，探讨新教学模式。

一、教学改革背景分析

麻省理工学院一直是全球工程教育、工科人才培养的典范，MIT工程教育历经三次大的改革，第三次改革实践是“新工程教育转型（New Engineering Education Transformation）”（2017—2020）NEET计划。MIT的工程教育改革目的是让工程教育回归工程实践，使主流的工程科学模式转向工程实践模式，这样可以培养工程实践能力较强的应用人才。工程教育改革的核心思想是整合多重创新思维，系统反思工程教育，注重变革学习内容与学习方式，综合培养学生的三维思维模式（人本思维、科学思维和工程思维）。[5]改革的重点是CDIO工程教育理念：构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）、运作（Operate）。CDIO培养模式十分重视和开发构思设计能力。

美国《斯坦福大学 2025 计划》是在高等教育不断发展的基础上对未来高等教育体系进行的探索和创新，在“办学模式”“自适性教育”“轴心翻转”“学习使命”等方面进行了重构，颠覆了传统的高等教育模式的诸多限制，实现了人才培养的多元化。[6]《斯坦福大学2025计划》突破时空限制，构建“开环大学”，翻转教学重心，突出能力培养，以学生为教育主体，实现自适教育，打破学科界限，交叉融合，协同创新。这些理念对我国当前新一轮高等教育改革具有重要的启示，尤其对立足于本地的应用型大学教改具有非常重要的借鉴意义。

宁波财经学院是一所多学科协调发展的地方应用型本科高校，拥有省一流机械工程学科，人才培养围绕应用型专业建设总体目标，面向工程领域的机械工程方向，运用工程哲学思维，坚持以行业需求为导向，以能力培养为核心，以工程应用为主线，以协作培养为突破，以综合创新为标准，培养具有较强的“工程思维、工程设计和工程创业”的能力，能够承担“工程管理和工程技术”的工作（简称五维模型），具有良好工程教育素养的应用型专门人才。

二、课程特点及存在的问题

互换性与测量技术课程的特点是专业名词术语多、抽象概念多、国家标准多、符号公式多，知识面和应用面都较广，理论性和实践性均较强（四多两广两强）。宁波财经学院数字技术与工程学院大纲设计了课程的总学时是32学时，包含理论教学28学时，实践实验4学时，课程内容绝大部分是选择性讲解，基本上只讲解理论知识，难以做到结合工程应用实例讲解，形成了“难教、难学、难互动、难应用”的四难局面。在传统教学中，教学以教师讲解为主，学生被动地接受理论知识，学生参与度低，无法对学生的学习目标进行合理的评估，缺少和实际工程实例联系的能力，造成了教师难教、学生难学的普遍状况。存在的问题如下：

1.教学过程

讲解知识点，解释抽象名词，公差项目符号及含义，完成课后讨论和练习集，期末采用闭卷笔试考核。

2.教学模式

按照教学大纲和教材章节讲解，学生相对被动地跟着教材章节按部就班学习。教师满堂灌，交叉一些练习题，没有观察学生的学习效果。

3.考核方式

大部分采用传统的考试模式，学生死记硬背概念和项目符号，应付考试。这容易造成学得好不一定考得好，学不好也能考高分的情况，无工程应用思维。

4.教学资源

教学资源主要是配合教材的PPT课件，云平台的作业和讨论区，缺乏有工程和项目驱动的实际相关产品或装配。从实体资源出发，实体的形状、位置引出相关专业名称概念和符号，造成抽象性过强。

5.学习效果

学生无法理解公差和配合的抽象概念，符号含义及用法，典型件配合设计无法融会贯通，只能表面简单理解，更缺乏联系工程精度设计实际、应用于工程实践的能力。

三、基于五维模型的教学模式改革实施方案

1.教学目标改革

通过本课程教学，使学生具备互换性与技术测量的基础知识；打牢互换性与技术测量的基础；掌握常用量具的使用和检测技能；学会应用有关国家标准合理选用公差配合的方法；获得根据本课程知识和技术要求处理实际问题的体验；建立务实、细致的学习和工作态度；提高学生的综合素质。

教学目标不仅要求单纯的理论知识的掌握，更应该结合地方产业特色、应用型人才培养方案和毕业就业创业等多方面。教学目标改革是要通过理论知识教育和工程实践教育让学生了解支持精度设计的知识点和内容要素；能够正确处理好设计、制造与检验的关系和标准；能够使用典型的常规量具，培养学生通过零件和装配的实际工程项目来进行精度设计、检测和仪器筛选能力。

2.课程资源建设

本课程资源建设采用企业合作项目的工程零部件和零件检测设备为基础资料，教学过程中还运用基于VR的三维教学模型、教学视频与动画，用于课程教学中知识讲解，建设了基于云班课的网络课程平台，并结合教材课后作业与习题集，用于课后巩固知识点。考虑到国家标准的变化及对接国际标准，制作国家标准集和对照表，以此作为教学资料。

3.课程的基本理念

（1）着重通过工程零部件和零件检测设备使学生正确理解本课程的重要的名词术语和基本概念；掌握基本理论和基础知识。

（2）注重通过工程零部件使学生具有对尺寸公差、形位公差和表面粗糙度等重要几何参数的实际选用的能力，从而使设计的图样更正确、更完整、更规范。

（3）重视通过零件检测设备提高学生对常用量具的使用能力和动手能力；重视培养学生查阅相关国家标准和技术资料的能力。

（4）注重培养学生基于工程项目驱动的应用素养，养成耐心细致的工作作风和严肃认真的工作态度。

（5）通过国际新产品精度设计图纸，关注《互换性与技术测量》课程的最新发展动态和有关国家标准的修订情况并重视课程内容的及时更新。

4.课程教学设计

本课程教学思维是让工程科学范式向工程实践范式转变，课程教学设计是从合作企业生产的空调零部件出发，围绕工程零部件“思维、设计、技术、管理和创业”的五维模型，针对零部件的批量生产过程中讲解互换性知识点，对照产品重点讲解孔与轴的极限与配合、形状和位置公差、表面粗糙度，接着围绕企业高效管理提高检测效率，围绕项目组开发的零部件的检测筛选设备，讲解开发设计过程，讲解测量相关技术，最后完成整机试运行，讲解尺寸链和典型件的配合，实现“工程实践—工程教育—工程实践”的循环模式。

具体教学过程分两个步骤：“工程零部件—极限与配合—新零件精度设计”和“零部件检测设备—技术检测—参与整机精度设计”。完成上述工作，以检测设备精度设计方案和期末考试结合，并跟踪到毕业设计中精度设计。

具体框架设计如图1所示：

图1 课程教学设计框架

四、实践效果分析

本课程期末考核采用闭卷理论考试和选做综合工程实践（零部件的检测筛选设备设计），教学对象是2018级和2019级本科机械类专业学生，其中2018级教学采用传统的教学模式，而2019级采用基于五维模型的教学模式，学生提交的零部件的检测筛选设备设计方案各种各样，总体来看每个人都提出了设计方案，光检测零部件的接触式和非接触式方案就很多种，可以推进设备进一步改进。

期末闭卷理论考试在两种教学模式下采用同一类型试卷，卷面成绩也有区别，统计结果如表1所示。

表1 期末理论考试成绩分析表

由表对比结果可知，新型教学模式有利于促进学生学习主动性和目标性，中等及以上成绩学生比例由40%提高到了70%，通过工程实践的锻炼，学生由灌输式学习变成了从实践工程应用出发，学习知识，掌握方法，应用到工程中并完善方案，再学习再回归到工程，形成循环学习。

五、结语

互换性与测量技术课程是机械类专业的基础课程，学生通过从实践需求和设备研制出发学习并掌握互换性的理论知识及技术检测方法，为今后实际工程实践打好基础。

在互换性与测量技术课程教学中，基于五维模型的教学模式，能够增强学生的直观性和好奇性，激发其内在的学习动力；在实际项目完成过程中，学生以五种身份参与工程实践，培养了分析、解决工程实际问题的能力。