新工科背景下互換性與技術測量教學改革研究與實踐*

王志永 于水琴 李文強

中南林業科技大學機電工程學院 長沙 410004

0 引言

現代工業技術與經濟飛速發展，對工程技術人才的需求也發生了較大的變化。對傳統課程教學模式進行改革、把科技創新能力與工程實踐能力相結合已經成為新一輪新工科建設的重點內容，同時對專業知識教育系統與課程教學模式改革提出了更嚴格的要求[1]。新工科是國家工科教育的重要改革方向，要以立德樹人為引領，以應對新形勢為建設理念，以繼承與創新、交叉與融合、協調與共享為主要途徑，培養未來多元化、創新型卓越的工程人才，以滿足國家戰略發展的新需求，立德樹人的新要求[2]。

互換性與技術測量在機械類和近機類專業當中是一門必不可少的基礎課程，機械設計與機械制造工藝等系列課程通過互換性與技術測量聯系起來，該課程在技術基礎課與專業課程、實踐課程之間起到承上啟下的作用。它的主要研究對象是如何進行機械零部件的精度設計，確保相關國家標準的實施，根據相關國家標準來檢驗產品的生產質量[3]。對于工程技術人員而言，機械精度設計是必須具備的能力，如機械產品的設計、制造、檢驗、裝配等。

新工科教育旨在培育學生的工程動手能力和科技創新思維。教師要改變教學模式和教學方法，總結歸納教材知識點，使學生建立完整連貫的理論體系，結合多種形式的授課方式，建立任務驅動型教學模式以激勵學生完成課后復習；讓學生建立起對國際標準的初步認識，同時充分利用各種學習資源，拓展和擴充課程實驗，培養符合社會需要的新型工科人才[4]。

1 課程教學狀況以及存在的問題

1.1 理論知識抽象

課程具有專業術語多、國家標準多、符號多、抽象概念多、涉及知識面廣、工程實踐性強等特點。由于課程內容抽象、實踐性強，學生課前的預習效果并不理想，需要占用較多的課堂時間講解基本概念、定義、理論和方法，弱化了工程實踐能力的培養。

1.2 教學方式單一、枯燥

雖然采取了線上線下混合式教學、翻轉課堂、研討式教學等多種教學方法，但實際教學中，仍然是教師主導著教學過程，難以體現學生的主體地位，學生的學習積極性、主動性難以調動起來。傳統填鴨式教學方法使學生難以記憶、理解課程內容。而且，因為教學學時有限，理論性知識點多、涉及范圍廣、教學內容抽象，教師為了把理論知識講解得透徹，通常會花費大量的時間講授基礎知識，結果導致講授的知識點越多，學生越迷茫，且所講授的理論知識點已跟不上實際工程的發展。這種教學方法在一定程度上抑制了學生的學習興趣，不利于學生發揮自身的主觀能動性，顯然這種教學模式也無法滿足素質教育對科技創新型人才的培養要求[5]。

1.3 課程教學資源落后

雖然在教學中引入案例分析能增強學生對課程知識點的理解，但由于課程知識點的碎片化，所引入的案例多以單一零件為主，缺乏系統性的實際工程案例和課程綜合性實踐。當學生完成理論課程的學習后，往往存在理論知識與實際認識脫節的現象，達不到“學以致用”的效果。學生在接下來的課程設計和畢業設計中，針對具體產品進行設計時，無法很好地應用課程知識解決機械精度設計問題。

1.4 實踐教學環節薄弱

互換性與技術測量課程具有較強的實用性和技術性。對學生實踐能力的要求較高，實驗課在課程教學當中是一個至關重要的教學環節。但由于實驗學時和實驗設備的制約，目前開設的實驗主要為單項測量實驗和驗證性實驗，且多為實驗教師操作演示，學生模仿，這種實驗教學方式不利于培養學生學習的主動性和動手能力。教師處于優勢地位，學生相對被動。并且學生深度思考較少，實際操練不夠，沒有得到很高的重視，實驗效果也不理想。學生根據零件圖紙進行檢驗時依然困惑，無法獨立地進行測量。而對于比較復雜且非常重要的幾何誤差測量、齒輪精度測量、鍵和花鍵測量等則未能開展。

2 課程教學改革措施

2.1 線上課程教學資源建設

線上課程資源是構成線上課程乃至混合式教學模式實施的重點和關鍵，線上課程資源的建設是決定線上課程和混合式教學質量的關鍵要素，它是課程內容和知識的載體，承載著教學設計與學生的學習活動。從以下幾個方面研究并開展工作。

1）根據課程體系和特點設計，對線上課程資源進行分類和匯總；擬定課程信息資源方案、教學大綱、教學目標、教學日歷、課程管理細則等。在如今移動互聯網發達的時代，學生對知識的汲取更加傾向于通過圖片和視頻。將科學研究和產學研合作中積累的成果作為實際工程案例融入線上教學資源和課堂教學資源，以此來加強學生在工程方面的動手能力和創新能力?；趯嶋H工程案例，通過視頻、三維立體圖形、動畫、實時交互仿真模型等提高教學資源的感官效果；整合各類教學素材，精心制作多媒體課件；梳理優化教學內容，針對重點、難點錄制微課；設計、制作習題庫、試題庫等拓展練習資源。線上教學資源的框架如圖1所示。

圖1 線上教學資源的框架

2）為了更好地完成互換性與技術測量課程的網上授課，在超星平臺建設了線上課程。針對每一章的教學內容，設計了300多個章節測試題。針對課程教學內容緊密結合工程實際的特點，充分利用與企業進行產學研合作所積累的資源，到企業拍攝與課程教學內容密切相關的照片、視頻等資料，以實際的工程案例為主線，引出課程教學內容的知識點，并結合工程案例講述知識點的基本概念、基本原理、關鍵點、疑難點等，由此學生在理解、掌握知識點的同時，也對知識點的實際應用有了更清晰的認識，同時對學生的工程實踐能力也有一定的培養。

3）針對課程特點，在互換性與技術測量課程的線上線下授課資源中，融入產學研合作過程中的實際工程案例，如大國重器盾構機中的行星減速器、國產八軸五聯動數控錐齒輪加工機床等，緊密聯系工業實際產品設計實踐中的公差配合進行課程知識點的講解。對于行星減速器，對其核心零件以及主要零件之間的配合設計進行三維視頻展示；同時也可對減速器的拆卸以及裝配利用三維動畫進行演示。把實際工程案例充分地融入課程教學，采用生動、直觀的三維立體動畫展示零部件的配合情況以及精度選擇，把難于理解、掌握的難點、重點直觀地在學生面前展示出來，提高課程教學質量，使學生對知識點能夠充分地理解與掌握。

2.2 教學模式改革

進一步完善線上教學資源，增加課程導學案或思維導圖，引導學生更好地完成線上課程預習，為課堂留出更多的時間進行疑難點、重點知識點的講解以及課堂討論。

針對互換性與技術測量課程的特點，提高學生的實踐創新能力。建立以實際工程案例為主體的混合式教學模式，如圖2所示。把教師從傳統教學模式中的講解者轉化為混合式教學模式中的引導者，學生也從傳統課堂中的被動接受者轉化為學習的主體。而教學的主要任務就是引導學生進行深度學習以及形成創新思維和創新素質。

圖2 混合式教學模式

教師通過超星泛雅平臺發布課前預習任務，學生可以通過學習平臺、班級群等多種途徑快捷地收到學習任務。通過思維導圖、課程導學等方式引導學生利用線上教學資源（微課、章節測試、附加資料等）完成課前預習。學生可以通過線上平臺與同學以及教師討論在課前預習當中所發現的問題，及時地解決問題能夠激發學生的學習興趣。教師在進行課堂教學前，利用平臺的大數據統計出學生錯誤率較高的題目以及討論區參與度較高的問題，然后根據易錯、較難知識點進行課堂教學。線下課堂教學以實際工程案例分析為主線，對關鍵的知識點、疑難點等進行講述，使學生在掌握課程知識點的同時，理解知識點在工程中的應用情況。通過分組討論等方式提高學生的課堂參與度，例如，在講解螺紋公差與檢測時，可以通過實際產品標注的圖紙引導學生進行討論，包括螺紋的標注中所代表的含義、不同螺紋的優缺點及應用情況、螺紋的主要結構參數、螺紋的公差。課后通過對實際案例的設計分析、作業解析、難點答疑等方式增強學生對課程內容的理解和應用。通過課前、課中、課后三個環節的混編教學，提高學習效果，訓練和培養學生的工程實踐能力。針對課程的混合式教學模式，需要建立更加多元化、全面的成績評價系統?；旌鲜浇虒W模式主要包括線上教學、線下課堂教學以及分組討論完成的實驗任務，為了完成課程改革，需要調整各方面考核的成績占比，減少理論考試的成績占比，著重對學生的實操能力、理論知識運用能力的考核，增加過程性考核占比，基于平臺的數據統計分析以及課堂參與度的評價，對學生成績作出更客觀、科學的判斷。課程評價體系如圖3所示。

圖3 課程評價體系

2.3 實驗教學改革

新工科建設以培養學生的工程實踐能力和創新能力為目標，而工科實驗教學應以學生為主體、充分發揮學生在實驗中的主觀能動性，提高學生的動手實操能力，培養綜合能力和創新思維。

建設線上實驗教學平臺和虛擬仿真實驗平臺，引導學生課前完成實驗設計和相關的技術準備。在實驗設置上，增加由學生獨立或以小組形式完成的綜合性測量實驗，培養學生動手、獨立思考、團隊協作的能力。

針對目前實驗教學以單項測量實驗和驗證性實驗為主的情況，結合課程的三大關鍵知識點（尺寸公差、幾何公差、表面粗糙度），設計并試制一種滿足綜合性誤差測量的零件，增加綜合性誤差測量實驗，開展以任務驅動的實驗教學。此外，隨著課程實驗學時的減少，可以把跳動誤差檢測任務包含在先修課程金工實習的車床加工環節，使學生了解掌握跳動誤差的檢測方法。而對于有實驗教學安排的章節，要把理論與實踐結合起來，在實驗過程中同時進行理論教學，可在學生課前預習掌握表面粗糙度基本術語、概念的前提下，在實驗室同時開展理論教學和實驗教學，這樣既增加了實驗教學時間，又實現了理論與實踐的結合。

新工科的人才培養，需要學生不僅了解傳統的通用測量工具，對現代化、數字化的先進測量儀器也必須了解，這是未來的發展方向。由于課程的技術測量部分涉及的內容多、項目多、儀器多，且由于課程實驗學時以及學校實驗室設備的限制，無法開展所有的實驗，但是這些測量在工程中都會應用到。為了提高學生的綜合素質，學校開發了虛擬仿真實驗平臺，通過實際測量視頻、三維動畫、虛擬仿真測量等手段展示各種測量方法和測量技術。

2.4 課程思政建設

思政教育是高等教育當中必不可少的內容。必須深入挖掘分析與教學內容相關的思政要素，把思政內容充分融入課堂教學、實驗，完成思想政治教育與科學知識教育的有機統一，實現專業課教育功能得到有效發揮，全方位提高學生的綜合能力。

通過引入實際工程案例和先進事跡，使學生了解和掌握我國機械制造業所取得的成就，培養學生樹立“工匠精神”，增強“民族自信、產業自信”，踐行“綠色設計、綠色制造”。在教學各環節中，把課程中蘊含的思政元素融入其中。例如，在講授互換性基本概念時，以國內某機床制造企業在鈑金件加工中，由平板切割后折彎成方盒子，在對接縫不做任何處理的情況下，可以實現不漏水，以此培養學生精益求精的工匠精神。對尺寸精度設計和幾何精度設計進行講解時，應告訴學生設計產品是沒有固定標準答案的，但設計方案是存在優劣的。其設計的基本原則是：在滿足使用要求的前提下，設計師應先考慮加工成本，加工效率，盡可能選擇公差等級低一些。因此，精度不是越高越好，此時融入綠色環保、可持續發展，使學生樹立“綠色設計、綠色制造”的理念。講述螺紋精度設計章節時，介紹機械基礎件“中國第一人”唐氏螺紋發明者唐宗才案例以及螺紋緊固原理，融入“工匠精神”教育。實際案例不僅能增強學生的學習興趣，也可教育學生要具有堅持不懈的探索精神和精益求精的工匠精神，在學習工作中不斷取得創新。

基于實際工程案例的案例式教學提高了學生的學習興趣和工程實踐能力。通過教學改革，學生學習的積極性、主動性、參與度不斷提升。最近兩個學期，試卷成績的平均分提高了12.2%，綜合成績的不及格率低于10%，平均優秀率接近20%。將授業、能力培養和育人等三個方面進行有機結合，并始終貫穿整個課程教學。真正意義上做到全員育人、全程育人、全方位育人，使學生成為德才兼備、全面發展的綜合型人才。

3 結束語

為了培養現代化創新應用型人才，從課程教學資源建設、教學模式改革、實驗教學改革、課程思政等方面進行了研究與實踐。針對課程知識點碎片化以及綜合性實踐的困難，充分利用產學研合作中的實際工程案例開展案例教學，以此提高學生的學習興趣，增強學生的創新能力和工程實踐能力；整理完善線上教學資源，結合線下教學資源，對理論知識點進行分層分類，構建連續完整的知識點模塊；把理論知識與實踐相結合，增加由學生獨立或以小組形式完成的綜合性測量實驗，培養學生動手能力和團隊協作的能力。通過教學改革與實踐，使課程教學質量和教學效果達到新工科建設的要求。