新工科背景下互换性与技术测量教学改革研究与实践*

王志永 于水琴 李文强

中南林业科技大学机电工程学院 长沙 410004

0 引言

现代工业技术与经济飞速发展，对工程技术人才的需求也发生了较大的变化。对传统课程教学模式进行改革、把科技创新能力与工程实践能力相结合已经成为新一轮新工科建设的重点内容，同时对专业知识教育系统与课程教学模式改革提出了更严格的要求[1]。新工科是国家工科教育的重要改革方向，要以立德树人为引领，以应对新形势为建设理念，以继承与创新、交叉与融合、协调与共享为主要途径，培养未来多元化、创新型卓越的工程人才，以满足国家战略发展的新需求，立德树人的新要求[2]。

互换性与技术测量在机械类和近机类专业当中是一门必不可少的基础课程，机械设计与机械制造工艺等系列课程通过互换性与技术测量联系起来，该课程在技术基础课与专业课程、实践课程之间起到承上启下的作用。它的主要研究对象是如何进行机械零部件的精度设计，确保相关国家标准的实施，根据相关国家标准来检验产品的生产质量[3]。对于工程技术人员而言，机械精度设计是必须具备的能力，如机械产品的设计、制造、检验、装配等。

新工科教育旨在培育学生的工程动手能力和科技创新思维。教师要改变教学模式和教学方法，总结归纳教材知识点，使学生建立完整连贯的理论体系，结合多种形式的授课方式，建立任务驱动型教学模式以激励学生完成课后复习；让学生建立起对国际标准的初步认识，同时充分利用各种学习资源，拓展和扩充课程实验，培养符合社会需要的新型工科人才[4]。

1 课程教学状况以及存在的问题

1.1 理论知识抽象

课程具有专业术语多、国家标准多、符号多、抽象概念多、涉及知识面广、工程实践性强等特点。由于课程内容抽象、实践性强，学生课前的预习效果并不理想，需要占用较多的课堂时间讲解基本概念、定义、理论和方法，弱化了工程实践能力的培养。

1.2 教学方式单一、枯燥

虽然采取了线上线下混合式教学、翻转课堂、研讨式教学等多种教学方法，但实际教学中，仍然是教师主导着教学过程，难以体现学生的主体地位，学生的学习积极性、主动性难以调动起来。传统填鸭式教学方法使学生难以记忆、理解课程内容。而且，因为教学学时有限，理论性知识点多、涉及范围广、教学内容抽象，教师为了把理论知识讲解得透彻，通常会花费大量的时间讲授基础知识，结果导致讲授的知识点越多，学生越迷茫，且所讲授的理论知识点已跟不上实际工程的发展。这种教学方法在一定程度上抑制了学生的学习兴趣，不利于学生发挥自身的主观能动性，显然这种教学模式也无法满足素质教育对科技创新型人才的培养要求[5]。

1.3 课程教学资源落后

虽然在教学中引入案例分析能增强学生对课程知识点的理解，但由于课程知识点的碎片化，所引入的案例多以单一零件为主，缺乏系统性的实际工程案例和课程综合性实践。当学生完成理论课程的学习后，往往存在理论知识与实际认识脱节的现象，达不到“学以致用”的效果。学生在接下来的课程设计和毕业设计中，针对具体产品进行设计时，无法很好地应用课程知识解决机械精度设计问题。

1.4 实践教学环节薄弱

互换性与技术测量课程具有较强的实用性和技术性。对学生实践能力的要求较高，实验课在课程教学当中是一个至关重要的教学环节。但由于实验学时和实验设备的制约，目前开设的实验主要为单项测量实验和验证性实验，且多为实验教师操作演示，学生模仿，这种实验教学方式不利于培养学生学习的主动性和动手能力。教师处于优势地位，学生相对被动。并且学生深度思考较少，实际操练不够，没有得到很高的重视，实验效果也不理想。学生根据零件图纸进行检验时依然困惑，无法独立地进行测量。而对于比较复杂且非常重要的几何误差测量、齿轮精度测量、键和花键测量等则未能开展。

2 课程教学改革措施

2.1 线上课程教学资源建设

线上课程资源是构成线上课程乃至混合式教学模式实施的重点和关键，线上课程资源的建设是决定线上课程和混合式教学质量的关键要素，它是课程内容和知识的载体，承载着教学设计与学生的学习活动。从以下几个方面研究并开展工作。

1）根据课程体系和特点设计，对线上课程资源进行分类和汇总；拟定课程信息资源方案、教学大纲、教学目标、教学日历、课程管理细则等。在如今移动互联网发达的时代，学生对知识的汲取更加倾向于通过图片和视频。将科学研究和产学研合作中积累的成果作为实际工程案例融入线上教学资源和课堂教学资源，以此来加强学生在工程方面的动手能力和创新能力。基于实际工程案例，通过视频、三维立体图形、动画、实时交互仿真模型等提高教学资源的感官效果；整合各类教学素材，精心制作多媒体课件；梳理优化教学内容，针对重点、难点录制微课；设计、制作习题库、试题库等拓展练习资源。线上教学资源的框架如图1所示。

图1 线上教学资源的框架

2）为了更好地完成互换性与技术测量课程的网上授课，在超星平台建设了线上课程。针对每一章的教学内容，设计了300多个章节测试题。针对课程教学内容紧密结合工程实际的特点，充分利用与企业进行产学研合作所积累的资源，到企业拍摄与课程教学内容密切相关的照片、视频等资料，以实际的工程案例为主线，引出课程教学内容的知识点，并结合工程案例讲述知识点的基本概念、基本原理、关键点、疑难点等，由此学生在理解、掌握知识点的同时，也对知识点的实际应用有了更清晰的认识，同时对学生的工程实践能力也有一定的培养。

3）针对课程特点，在互换性与技术测量课程的线上线下授课资源中，融入产学研合作过程中的实际工程案例，如大国重器盾构机中的行星减速器、国产八轴五联动数控锥齿轮加工机床等，紧密联系工业实际产品设计实践中的公差配合进行课程知识点的讲解。对于行星减速器，对其核心零件以及主要零件之间的配合设计进行三维视频展示；同时也可对减速器的拆卸以及装配利用三维动画进行演示。把实际工程案例充分地融入课程教学，采用生动、直观的三维立体动画展示零部件的配合情况以及精度选择，把难于理解、掌握的难点、重点直观地在学生面前展示出来，提高课程教学质量，使学生对知识点能够充分地理解与掌握。

2.2 教学模式改革

进一步完善线上教学资源，增加课程导学案或思维导图，引导学生更好地完成线上课程预习，为课堂留出更多的时间进行疑难点、重点知识点的讲解以及课堂讨论。

针对互换性与技术测量课程的特点，提高学生的实践创新能力。建立以实际工程案例为主体的混合式教学模式，如图2所示。把教师从传统教学模式中的讲解者转化为混合式教学模式中的引导者，学生也从传统课堂中的被动接受者转化为学习的主体。而教学的主要任务就是引导学生进行深度学习以及形成创新思维和创新素质。

图2 混合式教学模式

教师通过超星泛雅平台发布课前预习任务，学生可以通过学习平台、班级群等多种途径快捷地收到学习任务。通过思维导图、课程导学等方式引导学生利用线上教学资源（微课、章节测试、附加资料等）完成课前预习。学生可以通过线上平台与同学以及教师讨论在课前预习当中所发现的问题，及时地解决问题能够激发学生的学习兴趣。教师在进行课堂教学前，利用平台的大数据统计出学生错误率较高的题目以及讨论区参与度较高的问题，然后根据易错、较难知识点进行课堂教学。线下课堂教学以实际工程案例分析为主线，对关键的知识点、疑难点等进行讲述，使学生在掌握课程知识点的同时，理解知识点在工程中的应用情况。通过分组讨论等方式提高学生的课堂参与度，例如，在讲解螺纹公差与检测时，可以通过实际产品标注的图纸引导学生进行讨论，包括螺纹的标注中所代表的含义、不同螺纹的优缺点及应用情况、螺纹的主要结构参数、螺纹的公差。课后通过对实际案例的设计分析、作业解析、难点答疑等方式增强学生对课程内容的理解和应用。通过课前、课中、课后三个环节的混编教学，提高学习效果，训练和培养学生的工程实践能力。针对课程的混合式教学模式，需要建立更加多元化、全面的成绩评价系统。混合式教学模式主要包括线上教学、线下课堂教学以及分组讨论完成的实验任务，为了完成课程改革，需要调整各方面考核的成绩占比，减少理论考试的成绩占比，着重对学生的实操能力、理论知识运用能力的考核，增加过程性考核占比，基于平台的数据统计分析以及课堂参与度的评价，对学生成绩作出更客观、科学的判断。课程评价体系如图3所示。

图3 课程评价体系

2.3 实验教学改革

新工科建设以培养学生的工程实践能力和创新能力为目标，而工科实验教学应以学生为主体、充分发挥学生在实验中的主观能动性，提高学生的动手实操能力，培养综合能力和创新思维。

建设线上实验教学平台和虚拟仿真实验平台，引导学生课前完成实验设计和相关的技术准备。在实验设置上，增加由学生独立或以小组形式完成的综合性测量实验，培养学生动手、独立思考、团队协作的能力。

针对目前实验教学以单项测量实验和验证性实验为主的情况，结合课程的三大关键知识点（尺寸公差、几何公差、表面粗糙度），设计并试制一种满足综合性误差测量的零件，增加综合性误差测量实验，开展以任务驱动的实验教学。此外，随着课程实验学时的减少，可以把跳动误差检测任务包含在先修课程金工实习的车床加工环节，使学生了解掌握跳动误差的检测方法。而对于有实验教学安排的章节，要把理论与实践结合起来，在实验过程中同时进行理论教学，可在学生课前预习掌握表面粗糙度基本术语、概念的前提下，在实验室同时开展理论教学和实验教学，这样既增加了实验教学时间，又实现了理论与实践的结合。

新工科的人才培养，需要学生不仅了解传统的通用测量工具，对现代化、数字化的先进测量仪器也必须了解，这是未来的发展方向。由于课程的技术测量部分涉及的内容多、项目多、仪器多，且由于课程实验学时以及学校实验室设备的限制，无法开展所有的实验，但是这些测量在工程中都会应用到。为了提高学生的综合素质，学校开发了虚拟仿真实验平台，通过实际测量视频、三维动画、虚拟仿真测量等手段展示各种测量方法和测量技术。

2.4 课程思政建设

思政教育是高等教育当中必不可少的内容。必须深入挖掘分析与教学内容相关的思政要素，把思政内容充分融入课堂教学、实验，完成思想政治教育与科学知识教育的有机统一，实现专业课教育功能得到有效发挥，全方位提高学生的综合能力。

通过引入实际工程案例和先进事迹，使学生了解和掌握我国机械制造业所取得的成就，培养学生树立“工匠精神”，增强“民族自信、产业自信”，践行“绿色设计、绿色制造”。在教学各环节中，把课程中蕴含的思政元素融入其中。例如，在讲授互换性基本概念时，以国内某机床制造企业在钣金件加工中，由平板切割后折弯成方盒子，在对接缝不做任何处理的情况下，可以实现不漏水，以此培养学生精益求精的工匠精神。对尺寸精度设计和几何精度设计进行讲解时，应告诉学生设计产品是没有固定标准答案的，但设计方案是存在优劣的。其设计的基本原则是：在满足使用要求的前提下，设计师应先考虑加工成本，加工效率，尽可能选择公差等级低一些。因此，精度不是越高越好，此时融入绿色环保、可持续发展，使学生树立“绿色设计、绿色制造”的理念。讲述螺纹精度设计章节时，介绍机械基础件“中国第一人”唐氏螺纹发明者唐宗才案例以及螺纹紧固原理，融入“工匠精神”教育。实际案例不仅能增强学生的学习兴趣，也可教育学生要具有坚持不懈的探索精神和精益求精的工匠精神，在学习工作中不断取得创新。

基于实际工程案例的案例式教学提高了学生的学习兴趣和工程实践能力。通过教学改革，学生学习的积极性、主动性、参与度不断提升。最近两个学期，试卷成绩的平均分提高了12.2%，综合成绩的不及格率低于10%，平均优秀率接近20%。将授业、能力培养和育人等三个方面进行有机结合，并始终贯穿整个课程教学。真正意义上做到全员育人、全程育人、全方位育人，使学生成为德才兼备、全面发展的综合型人才。

3 结束语

为了培养现代化创新应用型人才，从课程教学资源建设、教学模式改革、实验教学改革、课程思政等方面进行了研究与实践。针对课程知识点碎片化以及综合性实践的困难，充分利用产学研合作中的实际工程案例开展案例教学，以此提高学生的学习兴趣，增强学生的创新能力和工程实践能力；整理完善线上教学资源，结合线下教学资源，对理论知识点进行分层分类，构建连续完整的知识点模块；把理论知识与实践相结合，增加由学生独立或以小组形式完成的综合性测量实验，培养学生动手能力和团队协作的能力。通过教学改革与实践，使课程教学质量和教学效果达到新工科建设的要求。