机械专业“互换性测量技术”课程的案例式教学应用

邓克，高文斌，刘涛

（安徽工业大学 机械工程学院，安徽 马鞍山 243002）

0 引言

“互换性测量技术基础”是机械类及近机类专业的重要技术基础课，是和机械工业紧密联系的基础学科。课程教授内容主要包含几何量公差参数和误差检测两方面，包括互换性简介、标准化与优先数系、光滑圆柱体结合的互换性及检测、测量技术基础、光滑极限量规设计、几何公差及检测、表面粗糙度及检测、滚动轴承互换性、键和花键互换性及检测、普通螺纹结合互换性及检测、渐开线圆柱齿轮传动互换性及检测等。教学内容来源于相关国家标准，教学目的是宣传和贯彻国家标准，掌握有关互换性的国家标准、常用零（部）件的精度设计与检测。课程是从事机电类各岗位工作人员必备的知识与技能，是联系基础课与实践教学、专业课的纽带[1]。

“互换性测量技术基础”课程具有以下特点：标准项目多，包括相关国家标准、行业标准、各公差偏差标准、检验检测标准等；符号代号多，包括各种极限与配合代号、形位公差符号、表面粗糙度符号等；抽象概念多，如极限与配合、公差原则、误差相关概念等；名词术语多，如各种尺寸术语、要素术语、测量技术术语等；知识点抽象且实践性强，例如在采用包容要求时尺寸公差与几何公差的相互关系、特点和应用；涉及知识面广，课程内容还涉及到“机械制图”中的图样表达和标注、“机械设计”中的典型机械零件基础知识和应用、“机械原理”中的机械结构基础知识等。这些特点决定了“互换性测量技术基础”课程的教学必须不断探究、采用与课程特点相适应的教学方式和手段，才能对症下药地扫除那些与教学不适应的拦路石，事半功倍地达到教学目标。

1 案例式教学简介

案例式教学最早来自于结合具体场合情形景象的课程教学，目前已成为极具效果、应用广泛的教育培训方法。其通过设置直观形象的特定场合和情境，使课程中的隐性知识显性化，将显性知识转变为个体的内在认知，促进课程知识与内在认知的相互结合与转化。

案例式教学是通过教师精心策划与指导，根据教学目的设计典型案例，运用案例讲授知识，并调动学生参与到案例分析、讨论与实践中，提高其分析和解决具体工程问题的能力，培养理论联系实际能力、主动学习方法、沟通能力、创新思维和合作精神[2]。案例式教学需要根据各个专业及课程的特点，结合每章节的教学计划、具体内容和相关教学要求，选择合适的案例，将专业知识内容和应用体现在所选案例内，并采用教师与学员互动的教学模式，简化授课方式、丰富授课内容、加深学习印象，调动学生积极性，让学生能够理解和掌握相关教学内容并学以致用。

案例式教学有如下优点。

1）引导学生培养和提升能力。

课堂所学知识不完全等同于能力，学生应该将知识转化为思考和应用能力。如果学生只注重课本知识的学习而缺乏应用和实践能力的培养，就会不利于自己将来职业和工作的发展，并且也对社会和国家的发展产生不良后果，影响创新性和可持续发展性，案例式教学可以培养学员的专业思维，锻炼实践能力，起到引导和强化的作用。学员通过缜密、审慎地思考，提出自己的思考结论，即案例问题的解决方案，这是学生能力的提升过程。通过反复多次的案例练习，学生理论联系实际的能力和应用能力将获得很大的提高，提升了学习效果和质量。

2）加强师生双向交流。

在案例教学中，学生首先是阅读和了解案例，然后回忆或查阅案例中涉及的各种理论知识，这实际上促进了他们积极主动的理解知识，在获得相关理论知识的支持之后，学生要表述自己的观点，这加强了学生和教师之间的交流。同时，学生的回答要由老师引导、分析和总结，这促使了老师根据学生的不同理解方向，多角度、广纵深地思考，并将新的思考结论增加到教学内容中。这种教学形式促进了师生之间的双向交流，学生向教师提出了自己的见解和疑惑，教师也对学生的学习现状和掌握情况有了更清晰的了解，便于调整教学方法和教学内容，实现教学相长，课程教学中共同获益。

3）激发学生思考的主动性和独立性。

在案例教学中，由于学生需要自己思考、研判和论证方案，每个案例参与者都要对自己和别人的方案思索和判定，使得学习内容和过程由单一枯燥变为具体生动，发表观点这一环节的设定也给学生创造了适当的压力和挑战，从内部和外部两方面都将激发学生思考的主动性和独立性。此外，案例教学后续的交流总结过程也非常有益，通过对案例的研讨，教师学生共同相互学习，学生主动交流、互相激励，使得落后的学生产生上进心，激发超越自我的内在动力，更为积极地思考案例，主动地学习和应用课程知识。

2 “互换性”课程案例式教学的必要性

“互换性测量技术”课程的理论性和实践性很强，机械专业原教学模式和方法已不适应高素质应用和“技术技能型”人才的培养要求，主要有以下表现。

1）传统教学方法都是按教材知识逻辑讲授课程内容，以理论知识学习为主，沿用了本科院校“学术型”人才的培养模式，讲述理论知识全面系统，但与工程应用的联系和综合应用重视不足，不适应培养目标和课程应用需要。

2）课程属于纯工科课程，概念符号多、理论内容较多、专业性较强，又涉及机械制图、机械设计等课程知识，整个学习过程相对单调枯燥，且课时一般被压缩为32学时，学生如果理论基础不够扎实、学习能力一般，就会使得学习困难、学习效果不佳。

3）原教学方式主要采用老师在上面讲、学生在下面听的灌输式教学，教学方法单一，缺少师生互动，致使学生缺少学习兴趣和主动性，导致学生在课程学完后虽对互换性国家标准有一定了解，但理解不到位，缺少深刻认知，实践应用能力明显欠缺[2]。

4）互换性教材基本都采用偏重于理论知识体系构建及名词术语解释的传统编写模式，编写模式缺乏创新性、偏重概念理论介绍，编写内容与实际应用联系的紧密性和融合度不足，各章节也基本“自成一体，互不干涉”，对各知识点在工程中的关联及综合性应用也缺少归纳和训练，不利于培养“中国制造2025”需求的技术人才。

为进一步提升机械专业应用型人才培养质量，适应新时代国家和社会对机械人才的专业能力要求，提升教学质量和效果，就需进行改革，在“互换性”课程教学中研究应用案例式教学，将理论教学中复杂难懂的抽象概念结合所选案例进行讲解，使相关国家标准更易于理解和掌握，提高学员在工程中的应用能力和综合分析能力，为今后从事机械设计制造及机加工工艺等工作打下良好基础[3]。

3 案例式教学的设计与应用

3.1 案例设计与选择原则

1）适应培养目标和专业特点。

教学中所选案例应符合专业特点和课程培养目标，案例选择的优劣将对教学效果产生直接的影响。案例要选用与机械专业相关的案例，要能覆盖课程主要知识点，兼顾与别的课程的联系，并对后续学习、设计具有借鉴和参考作用。例如学习尺寸公差与配合时，术语概念多、记忆理解困难，此时可选用实际的机械中孔轴配合零部件为案例，对应介绍相关术语和概念，使学生在感性认识实际的机械孔轴配合零部件、加强理论与实践结合、激发学习兴趣的同时，对照工程图案例学习梳理，更加易于理解，通过对案例的不断归纳总结和练习，掌握孔轴配合零件的尺寸精度设计方法。

2）选用专业典型案例。

案例教学是通过案例分析讨论、总结评述进行教学，因而在选择案例时应精心选择，选取适合的机械专业典型性案例，方能更有助于加深理解和掌握知识点，更具有示范意义和普遍适用性。例如学习尺寸公差与配合时，可以选取典型的工程中常用的减速器的孔轴配合件、夹具钻具；学习几何公差精度设计时，可以选取滚动轴承的精度设计案例；学习表面粗糙度时，可以选取渐开线圆柱齿轮的精度设计案例等。

3）引入工程和生产实际案例。

案例贴近生产工程实际，有利于提高对原本抽象枯燥概念的学习兴趣，有助于学生学以致用，将所学课程知识应用到以后的生产生活中，有助于学生加深对所学课程知识的理解和掌握，举一反三、开拓思维，提升学习获得感和成就感，提高教学质量和学习效果[4]。例如在学习量块知识时，选用工程中常用的总块数为83块的一套量块，学习如何组合量块、构成所需尺寸的方法；学习零件精度设计时，选择生产中经常涉及到的减速器输出轴、内外螺纹联接副、平键或花键联接等精度设计案例。

3.2 案例的分析求解

教师根据教学案例设计重点讨论内容，通过分析案例的工程背景、设计要求和包含的精度知识点，鼓励学生深入剖析案例，应用所学课程理论知识和设计原则，提出并讨论各自不同见解，对各求解方案优缺点进行分析讨论，应用理论和设计原则，最终解决问题。案例的分析求解过程是在教师引导下，让学生更加全面深入地理解案例知识点，激发学员对知识的探索欲望，极大地调动主动性和积极性，培养了分析并解决问题的能力。

例如图1案例，减速器中有一传动轴与一零件孔采用键联接，对该键联接进行精度设计。首先让学生分析应用场合，根据键在轴槽和轮毂槽中均固定、装拆方便、对中性好等要求，轴和轮毂孔选用基孔制和过渡配合，根据国标推荐优先配合及精密定位配合的特征，轴和轮毂孔的配合公差带选用H7/k6；由于该减速器承受载荷不大，确定选用平键和正常联接配合，由轴径ϕ40 mm查平键标准尺寸表，选定键公称尺寸为12 mm×8 mm，得到轴槽宽度b的尺寸公差为N9，轮毂槽宽度b的尺寸公差为JS9，键槽深度基本尺寸及所有对应极限偏差。

图1 孔轴平键联接精度设计

键联接精度设计除了按上述过程设计尺寸公差以外，还要设计轴和轮毂孔的形状或位置公差，选择轴和轮毂孔的各处的表面粗糙度参数。为保证键易于装配入键槽，键两侧的工作面能与键槽侧面有足够多的接触面积，对轴上和轮毂上的键槽都规定对称度公差，被测要素是键宽b，基准是轴心线，公差值按照GB/T 1184—1996“形状和位置公差未注公差值”中对称度7～9级选取，由键宽12 mm、对称度公差等级7级确定对称度公差值为0.012 mm，最后根据国标推荐，将键槽侧面的表面粗糙度参数值取值为Ra3.2 μm，键槽底面的表面粗糙度参数值取值为Ra6.3 μm；将上述精度尺寸、参数标注在零件图中，完成此案例设计。

3.3 案例的教学实施

1）案例教学前准备。

案例教学的教学准备非常重要，除了按其专业认真选取教学案例、拟订案例教学计划、问题讨论、求解方法以外，还要考虑到案例教学过程中可能会遇到的各种情况，做好预案准备，预先准备好与案例相关的资料、理论知识和应对方法，这就要求教师要有丰富的理论知识和实践经验的储备，并且要考虑周到，计划周全，同时兼具丰富的课堂教学经验和教学把握能力。

2）案例演示和讨论。

案例教学时教师将所要研习案例通过多媒体进行演示，介绍案例的工程背景、设计要求和所包含精度设计知识点，然后结合案例工程图样提出若干重点问题，发动学生围绕问题思考讨论、发表各自不同见解，这个阶段重点是鼓励学生畅所欲言，激发学生的学习讨论热情，不要陷入冷场、教师自说自话的情境。

3）案例分析和总结。

教师对学生的讨论结果进行归纳，分析案例的重点和关键点及不同求解方案的优缺点，肯定正确认识、否定错误认识[5]，深入分析案例和提出问题，应用课程理论知识和设计原则、设计方法去解决问题，进行课堂总结，提出需要注意的学习要点和重点。这个过程要求教师能准确应对，思维敏捷清晰，分析问题切中要害，论述讲解到位。

例如：图2为车床主轴箱局部装配工程图样，教师先展示该图，让学生分析各组成零件名称、作用和装配关系，再让学生进一步思考轴与轴承内圈、轴承外圈与带轮内孔、隔套与带轮内孔、端盖凸缘与带轮内孔这4处应采用的配合类型和公差，提出“如果公差等级和配合设计不合理，会出现何种后果”等问题，引导学生思考探讨，学生在教师引导下进行思考后，根据所学理论知识提出并讨论各自不同见解。

图2 车床主轴箱局部装配图

学生提出的配合类型和公差选择方案不尽相同，有的主张采用间隙配合，有的认为过盈配合较适合，还有的倾向于过渡配合，所选用的基准制和公差配合也各种各样，有的选基孔制，有的选基轴制，还有的采用非基准制。教师先针对性地分析各种配合类型的特点和应用场合，按照基准制选择原则，与标准件相配合时要依据标准件来确定基准制，轴承为标准件，故确定轴与轴承内圈采用基孔制，轴承外圈与带轮内孔采用基轴制。为便于拆装，将隔套、端盖凸缘与带轮内孔的两处配合采用间隙较大的非基准制，再根据公称尺寸、轴承配合国家标准确定尺寸公差带。通过案例分析讲解，教师既帮助学生复习巩固了课程内容，又结合案例加强了对各知识点的内在联系、理解和实际应用，针对性地指正了学生认知中的错误，加深了对尺寸公差配合的理解和掌握。

4 结语

案例式教学是通过案例研讨、师生交流学习的一种教学方式。教师和学员通过思考分析，研究各种方案的优缺点和适用性，得出结论或案例问题解决方法，并通过自己或者他人的思考来拓宽视野，从而丰富自己的知识，加深对知识的理解。案例式教学的应用对于提高机械专业“互换性测量技术”课程的教学质量和培养创新型的应用人才，具有重要价值。通过对案例式教学的应用研究和教学实践，“互换性测量技术”课程教学取得了良好效果。