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面向复杂工程问题的“公差与测量技术”课程教学改革探索

2024-10-29 53 上传者：管理员

摘要：“公差与测量技术”是机械类专业的基础课程，是课程体系中基础课程与专业课程的纽带，是面向复杂工程问题的主干课程，具有很强的理论性和实践性。以安徽农业大学“公差与测量技术”为例，分析课程教学存在的问题，有针对性地提出在课程目标设定、课程内容重构、教学模式改革、教学方法创新、课程思政融入、教学评价和持续改进等方面进行教学改革探索，拓展课程建设新途径，提高学生课程学习效果，为促进学生解决机械工程领域的复杂工程问题提供新路径。

关键词：
公差与测量技术
复杂工程问题
工程教育
教学改革
教学模式
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工程教育认证标准指出本科工程教育的主要任务之一是培养学生解决复杂工程问题的能力[1],12条毕业要求通用标准中就有8条提到“复杂工程问题”，对本科教育教学提出了新要求和新挑战，进一步促进了教学改革[2]。对于农业院校机械类或近机械类专业来说，学生要通过通识课程、基础课程、专业课程和实践课程等体系课程目标的达成，实现解决机械领域复杂工程问题能力的培养，尤其是解决农业机械领域复杂工程问题能力的培养。“公差与测量技术”是机械类和农机类专业基础课程，主要阐述孔、轴尺寸精度设计、几何精度设计、表面轮廓精度设计、测量技术基础和典型零件精度设计等内容，相关知识主要运用于机械零部件设计、制造、检测等方面，是典型的面向复杂工程问题的主干课程，其课程建设与教学改革备受关注[3-5]。在工程教育认证背景下，本文结合安徽农业大学（以下简称我校）机械类和农机类专业实际情况，开展面向复杂工程问题的“公差与测量技术”课程教学改革探索，着力提高学生面向复杂工程问题的实践能力。

1、课程教学现状

我校“公差与测量技术”开设在第五学期，是机械设计制造及其自动化、农业机械化及其自动化和车辆工程等专业培养学生从事精度设计能力的主力课程，包含理论课时32学时和实验课时12学时。调研发现，传统教学对学生解决复杂工程问题能力培养方面存在以下问题：（1）教学内容理论性强，学生理解难。“公差与测量技术”教学内容中包含大量专业术语与符号，如几何公差包括19种特征项目和14个特征符号，且几何公差带具有大小、形状、方向和位置四个特征要素。内容复杂、理论深、理解难度大，导致学生仅能勉强记住基础概念，但记忆周期短，更无法应用基础知识解决复杂工程问题。（2）教学内容多与课时少矛盾突出，课程安排难。课时不足对传统课程内容和教学模式提出了新挑战，必须避免课时少、授课内容少、学生学得少的恶性循环。（3）理论知识与实践不统一，结合难。公差与测量技术理论内容具有基础性，知识应用具备实践性，但学生较少接触实际工程案例，很难将知识与专业实践相结合，难以提高解决复杂工程问题的能力。（4）考核方式单一，教学评价难。传统考核的平时成绩仅涵盖考勤和课后作业，往往难以评判学生是否掌握几何量精度设计与测量技术能力的真实水平，也无法对教师下一轮教学环节持续改进提供有效支持。

图1“公差与测量技术”课程目标及对应课程内容

2、教学改革途径

在工程教育认证背景下，培养学生解决复杂工程问题的能力，“公差与测量技术”课程建设改革应包括课程目标与内容、教学模式与方法、教学评价与持续改进等环节。

2.1 面向复杂工程问题的课程目标和课程内容

根据工程教育认证标准和安徽农业大学2021版机械类和农机类专业培养方案要求，“公差与测量技术”用于支撑毕业要求工程知识和设计/开发解决方案。围绕复杂工程问题，凝练“公差与测量技术”课程知识目标、能力目标和素质目标。（1）知识目标：掌握互换性与标准化、技术测量之间的基本概念和关系；掌握各项公差标准含义、标记及应用；初步掌握机械产品零部件尺寸、几何和表面精度设计的基本知识、原理和方法。（2）能力目标：能够运用公差项目、标注、公差原则及相关要求等分析零件精度设计要求的能力；掌握滚动轴承、键与花键、螺纹、圆柱齿轮等尺寸精度、几何精度、表面粗糙度设计与检测的方法和技能；能够运用科学思维和创新方法解决复杂工程问题。（3）素质目标：培育学生求真务实、实践创新、精益求精的“大国工匠”精神，服务社会、服务“三农”的情怀，使学生立志成为有时代担当、能为“机械强农”发展目标奉献力量、“一懂两爱”的知农爱农新型人才。同时，选定安徽农业大学孔晓玲教授主编的《几何量精度设计与测量技术》为教材，并根据课程目标，以产出为导向，重构教学内容，如图1所示。

2.2 构建机械类专业课程互联机制，打造一体化教学模式

机械工程领域或农业机械领域的机械设计过程包括系统设计、参数设计、精度设计和工艺设计等多个环节，是一个典型的复杂工程问题，各个环节之间存在直接或间接关联，且相互影响。例如，拖拉机变速箱传动系统设计就包括齿轮结构、传动方式、表面轮廓、孔轴配合、轴承、轴与齿轮联结等设计内容，需要运用多科目交叉领域内容，仅靠一门课程的知识无法完全解决问题。因此，必须充分挖掘“公差与测量技术”在课程体系中的价值，利用与其他课程的内在联系，重构教学内容，创新教学模式。

结合我校实际，充分发挥课程教学组和教研室集中的课程教学优势，构建“机械制图与CAD”“机械设计”“机械制造工艺学”等多专业课程互联机制，打造一体化教学模式（见图2），帮助学生将知识点融会贯通，提升学生面向复杂工程问题的分析能力和解决能力。围绕“公差与测量技术”与相关课程关联性加以说明：（1）“机械制图与CAD”是先修课程，零件图绘制涉及公差的标注，但是受课时限制，不能详细讲解公差项目内在含义，导致学生无法真正理解，而这部分正是公差与测量技术主要内容之一。因此，可将相关重复内容进行重构，提高学生绘图识图能力，也能结合具体零件提高学生对尺寸公差、几何公差和表面粗糙度等概念的理解和应用能力。（2）“机械设计”是同期开设课程，二者在螺纹、键与花键、齿轮传动、轴承等内容上均有所关联甚至重合。例如“机械设计”中轴承装置的设计包括轴承安装、配置、紧固、调节、润滑、密封等，其中滚动轴承的配合是必须解决的问题之一，这就涉及“公差与测量技术”中滚动轴承公差带、基准值等相关知识的运用，是学生面向复杂工程问题的能力体现。（3）“机械制造工艺学”是后修课程，讨论加工过程中的工艺问题，要求理论与实践紧密结合。例如，零件表面轮廓精度是制定加工工艺的重要依据。“公差与测量技术”主要围绕表面粗糙度的概念、评定参数、标注、参数的选用原则进行教学，属于表面轮廓精度设计；“机械制造工艺学”研究机械加工中各种工艺因素对加工表面质量的影响规律，以便控制加工过程，得到满足要求的加工表面轮廓精度。二者结合起来，能够帮助学生理解精度设计与工艺加工的关联性，提高学生针对复杂机械结构表面设计加工问题的分析能力和解决能力。

图2 课程互联机制与一体化教学模式

2.3 充分利用教学资源，面向复杂工程问题创新教学方法

面向复杂工程问题要求教师在教学过程中“以学生为中心”，充分利用现代教学资源和教学手段，探索教学方法丰富化，激发学生的学习热情，调动其学习积极性。主要举措如下：

(1）增加教学环节的多样性。如通过比较教学法帮助学生理解区分径向全跳动公差和圆柱度公差的控制功能；通过案例教学法帮助学生从实际工程案例中学习和掌握几何公差项目的特征、标注和应用等；通过项目驱动法帮助学生从实践中掌握不同典型轴、孔零件测量方法和光滑极限量规设计等。根据教学内容制定特色教学方法，不仅能够增加课堂趣味性，引导学生积极参与课程学习，更能够帮助学生有效地掌握理论知识和实践技能，从而提高解决复杂工程问题的能力。

(2）合理运用现代工具。如利用AutoCAD软件提升学生对尺寸公差、几何公差、表面粗糙度的标注能力和理解能力；利用Solidworks软件/ANSYS软件中装配和力学仿真分析尺寸误差、几何误差、表面粗糙度误差等对装配结构力学特性影响，增强学生对公差与配合的理解和应用能力；利用CETOL等公差分析软件，模拟真实状态下模型的装配过程，揭示装配质量中关键的尺寸，辅助学生开展机械零件精度设计与优化。

(3）充分利用线上线下资源。利用超星学习通教学平台，建立线上教学资源库，学生可通过平台完成课前预习、课中讨论与问答、课后作业等教学环节，从而掌握公差与互换性基础知识；在线下课堂教学中充分利用学校智慧教室和教学软件等资源，加强师生互动，提高教师课堂教学效率，提升学生课堂参与度，强化学生学习效果；课后充分结合学科竞赛、机械设计课程设计、毕业设计等，理论与实践结合，提高学生运用精度设计相关知识解决复杂工程问题的能力。

2.4 课程思政融入课程教学全过程

课程思政建设是高校发挥教书育人功能的重要途径，充分发挥“公差与测量技术”课堂教学的引领作用，从可持续发展、规矩意识、新农人等方面深入挖掘思政元素，与专业知识点相结合，应用到课程教学全过程，引导师生在专业知识、情感责任、价值体现上的共鸣，培养学生精益求精的工匠精神，求真务实的职业精神，服务“三农”的爱国情怀，提升学生解决复杂机械工程问题的能力，使他们成为“一懂两爱”的知农爱农强农新型人才。

2.5 教学评价与持续改进

教学评价是判断学生是否掌握解决复杂工程问题的知识和能力的重要手段，是激发学生学习潜能的重要途径，评价结果能够为促进教师教学改革提供重要参考。“公差与测量技术”的教学评价应注重直接评价和间接评价相结合，如表1所示。直接评价由过程性考核评价和期末考试评价组成。过程性考核包括阶段性测试、课后作业、课堂互动等环节，其中阶段性测试可利用学习通在线平台开展，考核内容以客观题为主，方便教师根据平台的统计功能快速了解学生对相关知识的掌握情况，以便分析教学效果和发现存在的问题，及时做出教学环节动态调整。图3为几何精度设计章节测试结果统计情况，既可以清楚看到整体得分情况，分析大部分学生课程学习的薄弱环节，又可以了解他们每题的具体答题情况，分析他们未掌握相关知识的原因。例如，第15题考查最大实体要求的应用情况，得分率仅为67%，在后续讲解中要对此知识点进行重点复习；又如第2题考查的是径向全跳动公差项目控制功能，得分率为97%，仅有两名学生答错，分析后发现主要集中在径向圆跳动公差和径向全跳动公差未区分清楚，后续可帮助这两名学生开展有针对性的复习。课堂互动以开放题为主，可在课前发布任务，在课堂上进行讨论和互评，重点考查学生对知识的理解和应用能力。间接评价通过调查问卷、座谈等形式实现学生对学习效果、知识掌握和应用能力的自我评价，评价结果作为直接评价的补充和参考。

表1“公差与测量技术”考核评价体系

实施课程教学改革后，在学期结束后开展课程目标达成情况分析，图4为2021年、2022年、2023年学生“公差与测量技术”课程目标达成情况。如图4所示，所有课程目标的达成情况都在0.6以上，达到了课程目标的预期值，虽然各课程目标达成情况并不是特别好，但课程目标1和课程目标3整体呈现上升趋势，课程目标2虽出现明显波动但整体良好，表明课程教学改革取得显著成效。课程教学组根据课程目标达成情况及过程性考核与期末考试情况，从教师、学生、教学资源、教学方法和教学设计等方面分析各教学环节存在的问题，有针对性地提出持续改进措施，不断提高教学质量。

图3 线上平台客观题得分率统计和某一题学生答案统计

图4 2021—2023年学生课程目标达成结果分析

3、结论

工程教育认证为面向复杂工程问题的“公差与测量技术”课程教学模式改革带来新的机遇和挑战。本文结合安徽农业大学“公差与测量技术”课程教学实际，从知识、能力和素质等方面提出了面向复杂工程问题的课程目标，并依此优化教学内容，提出构建“机械制图与CAD”“机械设计”“机械制造工艺学”等多专业课程互联机制，打造一体化教学模式，解决课程理论深、学生理解难的问题；提出充分利用线上线下教学资源，创新教学方法，解决课时少、理论与实践结合难等问题；将课程思政融入课程教学，解决素质能力培养问题；提出注重过程性考核的教学评价和持续改进方法，解决考核方式单一问题。课程改革效果明显，为工程教育认证背景下“公差与测量技术”课程教学改革提供新思路。

参考文献:

[1]中国工程教育专业认证协会.工程教育认证通用标准解读及使用指南(2022版)[Z].2022.

[2]宁会峰.面向工程教育的“互换性与技术测量”教学改革:以兰州理工大学为例[J].教育教学论坛,2021(26):53-55.

[3]李炳林,郑华林,董亮亮,等.基于OBE理念的线上线下混合式公差配合与技术测量教学改革[J].高教学刊,2023(19):140-143.

[4]张秀华,方斌,许崇海.基于成果导向的互换性与测量技术教学改革与实践[J].高教学刊,2022(2):141-144.

[5]张凤梅,戴俊.基于应用的互换性与测量技术课程体系重构探讨[J].中国教育技术装备,2022(9):120-123.

基金资助:安徽省高等学校省级质量工程项目“新工科背景下面向复杂机械工程问题的‘公差与测量技术’课程教学改革探索”(2021jyxm0432); 校企合作实践教育基地项目(2021xqhzsjjd031); 研究生全英文/双语示范课程(2022qyw/sysfkc011); 安徽农业大学校级质量工程项目研究生全英文/双语示范课程(yj224101);

文章来源:唐千升,李庆,周洁,等.面向复杂工程问题的“公差与测量技术”课程教学改革探索[J].科教文汇,2024,(20):90-94.