基于五維模型的互換性與測(cè)量技術(shù)課程教改

張育斌

（寧波財(cái)經(jīng)學(xué)院數(shù)字技術(shù)與工程學(xué)院 浙江 寧波 315175）

創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展引領(lǐng)的變革是我國(guó)高等教育發(fā)展的背景。當(dāng)今的大學(xué)必須把科技創(chuàng)新和教育人才培養(yǎng)結(jié)合在一起，既要培養(yǎng)高水平的研發(fā)、設(shè)計(jì)和管理人才；也要培養(yǎng)有一定的理論知識(shí)、較強(qiáng)的實(shí)踐操作的綜合型人才。[1-2]

互換性與測(cè)量技術(shù)作為寧波財(cái)經(jīng)學(xué)院機(jī)械工程（大類）的精度設(shè)計(jì)相關(guān)的必修課，教學(xué)計(jì)劃在大學(xué)二年級(jí)開(kāi)設(shè)，是支撐機(jī)械設(shè)計(jì)、課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)、科研創(chuàng)新的課程體系中必不可少的專業(yè)基礎(chǔ)課，也是機(jī)械工程技術(shù)人才培養(yǎng)的關(guān)鍵課程。該課程具有“四多兩廣兩強(qiáng)”特點(diǎn)，傳統(tǒng)的教學(xué)模式過(guò)于偏理論知識(shí)講解[3-4]，沒(méi)有工程實(shí)踐系統(tǒng)概念，容易導(dǎo)致學(xué)生實(shí)踐思維淡化，無(wú)法完成系統(tǒng)的精度設(shè)計(jì)。因此本文在MIT“NEET計(jì)劃”和《斯坦福大學(xué)2025計(jì)劃》的教學(xué)改革的啟發(fā)下，基于多維模型的教學(xué)模式，探討新教學(xué)模式。

一、教學(xué)改革背景分析

麻省理工學(xué)院一直是全球工程教育、工科人才培養(yǎng)的典范，MIT工程教育歷經(jīng)三次大的改革，第三次改革實(shí)踐是“新工程教育轉(zhuǎn)型（New Engineering Education Transformation）”（2017—2020）NEET計(jì)劃。MIT的工程教育改革目的是讓工程教育回歸工程實(shí)踐，使主流的工程科學(xué)模式轉(zhuǎn)向工程實(shí)踐模式，這樣可以培養(yǎng)工程實(shí)踐能力較強(qiáng)的應(yīng)用人才。工程教育改革的核心思想是整合多重創(chuàng)新思維，系統(tǒng)反思工程教育，注重變革學(xué)習(xí)內(nèi)容與學(xué)習(xí)方式，綜合培養(yǎng)學(xué)生的三維思維模式（人本思維、科學(xué)思維和工程思維）。[5]改革的重點(diǎn)是CDIO工程教育理念：構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計(jì)（Design）、實(shí)現(xiàn)（Implement）、運(yùn)作（Operate）。CDIO培養(yǎng)模式十分重視和開(kāi)發(fā)構(gòu)思設(shè)計(jì)能力。

美國(guó)《斯坦福大學(xué) 2025 計(jì)劃》是在高等教育不斷發(fā)展的基礎(chǔ)上對(duì)未來(lái)高等教育體系進(jìn)行的探索和創(chuàng)新，在“辦學(xué)模式”“自適性教育”“軸心翻轉(zhuǎn)”“學(xué)習(xí)使命”等方面進(jìn)行了重構(gòu)，顛覆了傳統(tǒng)的高等教育模式的諸多限制，實(shí)現(xiàn)了人才培養(yǎng)的多元化。[6]《斯坦福大學(xué)2025計(jì)劃》突破時(shí)空限制，構(gòu)建“開(kāi)環(huán)大學(xué)”，翻轉(zhuǎn)教學(xué)重心，突出能力培養(yǎng)，以學(xué)生為教育主體，實(shí)現(xiàn)自適教育，打破學(xué)科界限，交叉融合，協(xié)同創(chuàng)新。這些理念對(duì)我國(guó)當(dāng)前新一輪高等教育改革具有重要的啟示，尤其對(duì)立足于本地的應(yīng)用型大學(xué)教改具有非常重要的借鑒意義。

寧波財(cái)經(jīng)學(xué)院是一所多學(xué)科協(xié)調(diào)發(fā)展的地方應(yīng)用型本科高校，擁有省一流機(jī)械工程學(xué)科，人才培養(yǎng)圍繞應(yīng)用型專業(yè)建設(shè)總體目標(biāo)，面向工程領(lǐng)域的機(jī)械工程方向，運(yùn)用工程哲學(xué)思維，堅(jiān)持以行業(yè)需求為導(dǎo)向，以能力培養(yǎng)為核心，以工程應(yīng)用為主線，以協(xié)作培養(yǎng)為突破，以綜合創(chuàng)新為標(biāo)準(zhǔn)，培養(yǎng)具有較強(qiáng)的“工程思維、工程設(shè)計(jì)和工程創(chuàng)業(yè)”的能力，能夠承擔(dān)“工程管理和工程技術(shù)”的工作（簡(jiǎn)稱五維模型），具有良好工程教育素養(yǎng)的應(yīng)用型專門(mén)人才。

二、課程特點(diǎn)及存在的問(wèn)題

互換性與測(cè)量技術(shù)課程的特點(diǎn)是專業(yè)名詞術(shù)語(yǔ)多、抽象概念多、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)多、符號(hào)公式多，知識(shí)面和應(yīng)用面都較廣，理論性和實(shí)踐性均較強(qiáng)（四多兩廣兩強(qiáng)）。寧波財(cái)經(jīng)學(xué)院數(shù)字技術(shù)與工程學(xué)院大綱設(shè)計(jì)了課程的總學(xué)時(shí)是32學(xué)時(shí)，包含理論教學(xué)28學(xué)時(shí)，實(shí)踐實(shí)驗(yàn)4學(xué)時(shí)，課程內(nèi)容絕大部分是選擇性講解，基本上只講解理論知識(shí)，難以做到結(jié)合工程應(yīng)用實(shí)例講解，形成了“難教、難學(xué)、難互動(dòng)、難應(yīng)用”的四難局面。在傳統(tǒng)教學(xué)中，教學(xué)以教師講解為主，學(xué)生被動(dòng)地接受理論知識(shí)，學(xué)生參與度低，無(wú)法對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)目標(biāo)進(jìn)行合理的評(píng)估，缺少和實(shí)際工程實(shí)例聯(lián)系的能力，造成了教師難教、學(xué)生難學(xué)的普遍狀況。存在的問(wèn)題如下：

1.教學(xué)過(guò)程

講解知識(shí)點(diǎn)，解釋抽象名詞，公差項(xiàng)目符號(hào)及含義，完成課后討論和練習(xí)集，期末采用閉卷筆試考核。

2.教學(xué)模式

按照教學(xué)大綱和教材章節(jié)講解，學(xué)生相對(duì)被動(dòng)地跟著教材章節(jié)按部就班學(xué)習(xí)。教師滿堂灌，交叉一些練習(xí)題，沒(méi)有觀察學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

3.考核方式

大部分采用傳統(tǒng)的考試模式，學(xué)生死記硬背概念和項(xiàng)目符號(hào)，應(yīng)付考試。這容易造成學(xué)得好不一定考得好，學(xué)不好也能考高分的情況，無(wú)工程應(yīng)用思維。

4.教學(xué)資源

教學(xué)資源主要是配合教材的PPT課件，云平臺(tái)的作業(yè)和討論區(qū)，缺乏有工程和項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的實(shí)際相關(guān)產(chǎn)品或裝配。從實(shí)體資源出發(fā)，實(shí)體的形狀、位置引出相關(guān)專業(yè)名稱概念和符號(hào)，造成抽象性過(guò)強(qiáng)。

5.學(xué)習(xí)效果

學(xué)生無(wú)法理解公差和配合的抽象概念，符號(hào)含義及用法，典型件配合設(shè)計(jì)無(wú)法融會(huì)貫通，只能表面簡(jiǎn)單理解，更缺乏聯(lián)系工程精度設(shè)計(jì)實(shí)際、應(yīng)用于工程實(shí)踐的能力。

三、基于五維模型的教學(xué)模式改革實(shí)施方案

1.教學(xué)目標(biāo)改革

通過(guò)本課程教學(xué)，使學(xué)生具備互換性與技術(shù)測(cè)量的基礎(chǔ)知識(shí)；打牢互換性與技術(shù)測(cè)量的基礎(chǔ)；掌握常用量具的使用和檢測(cè)技能；學(xué)會(huì)應(yīng)用有關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)合理選用公差配合的方法；獲得根據(jù)本課程知識(shí)和技術(shù)要求處理實(shí)際問(wèn)題的體驗(yàn)；建立務(wù)實(shí)、細(xì)致的學(xué)習(xí)和工作態(tài)度；提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。

教學(xué)目標(biāo)不僅要求單純的理論知識(shí)的掌握，更應(yīng)該結(jié)合地方產(chǎn)業(yè)特色、應(yīng)用型人才培養(yǎng)方案和畢業(yè)就業(yè)創(chuàng)業(yè)等多方面。教學(xué)目標(biāo)改革是要通過(guò)理論知識(shí)教育和工程實(shí)踐教育讓學(xué)生了解支持精度設(shè)計(jì)的知識(shí)點(diǎn)和內(nèi)容要素；能夠正確處理好設(shè)計(jì)、制造與檢驗(yàn)的關(guān)系和標(biāo)準(zhǔn)；能夠使用典型的常規(guī)量具，培養(yǎng)學(xué)生通過(guò)零件和裝配的實(shí)際工程項(xiàng)目來(lái)進(jìn)行精度設(shè)計(jì)、檢測(cè)和儀器篩選能力。

2.課程資源建設(shè)

本課程資源建設(shè)采用企業(yè)合作項(xiàng)目的工程零部件和零件檢測(cè)設(shè)備為基礎(chǔ)資料，教學(xué)過(guò)程中還運(yùn)用基于VR的三維教學(xué)模型、教學(xué)視頻與動(dòng)畫(huà)，用于課程教學(xué)中知識(shí)講解，建設(shè)了基于云班課的網(wǎng)絡(luò)課程平臺(tái)，并結(jié)合教材課后作業(yè)與習(xí)題集，用于課后鞏固知識(shí)點(diǎn)?？紤]到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的變化及對(duì)接國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，制作國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)集和對(duì)照表，以此作為教學(xué)資料。

3.課程的基本理念

（1）著重通過(guò)工程零部件和零件檢測(cè)設(shè)備使學(xué)生正確理解本課程的重要的名詞術(shù)語(yǔ)和基本概念；掌握基本理論和基礎(chǔ)知識(shí)。

（2）注重通過(guò)工程零部件使學(xué)生具有對(duì)尺寸公差、形位公差和表面粗糙度等重要幾何參數(shù)的實(shí)際選用的能力，從而使設(shè)計(jì)的圖樣更正確、更完整、更規(guī)范。

（3）重視通過(guò)零件檢測(cè)設(shè)備提高學(xué)生對(duì)常用量具的使用能力和動(dòng)手能力；重視培養(yǎng)學(xué)生查閱相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)資料的能力。

（4）注重培養(yǎng)學(xué)生基于工程項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用素養(yǎng)，養(yǎng)成耐心細(xì)致的工作作風(fēng)和嚴(yán)肅認(rèn)真的工作態(tài)度。

（5）通過(guò)國(guó)際新產(chǎn)品精度設(shè)計(jì)圖紙，關(guān)注《互換性與技術(shù)測(cè)量》課程的最新發(fā)展動(dòng)態(tài)和有關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的修訂情況并重視課程內(nèi)容的及時(shí)更新。

4.課程教學(xué)設(shè)計(jì)

本課程教學(xué)思維是讓工程科學(xué)范式向工程實(shí)踐范式轉(zhuǎn)變，課程教學(xué)設(shè)計(jì)是從合作企業(yè)生產(chǎn)的空調(diào)零部件出發(fā)，圍繞工程零部件“思維、設(shè)計(jì)、技術(shù)、管理和創(chuàng)業(yè)”的五維模型，針對(duì)零部件的批量生產(chǎn)過(guò)程中講解互換性知識(shí)點(diǎn)，對(duì)照產(chǎn)品重點(diǎn)講解孔與軸的極限與配合、形狀和位置公差、表面粗糙度，接著圍繞企業(yè)高效管理提高檢測(cè)效率，圍繞項(xiàng)目組開(kāi)發(fā)的零部件的檢測(cè)篩選設(shè)備，講解開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)過(guò)程，講解測(cè)量相關(guān)技術(shù)，最后完成整機(jī)試運(yùn)行，講解尺寸鏈和典型件的配合，實(shí)現(xiàn)“工程實(shí)踐—工程教育—工程實(shí)踐”的循環(huán)模式。

具體教學(xué)過(guò)程分兩個(gè)步驟：“工程零部件—極限與配合—新零件精度設(shè)計(jì)”和“零部件檢測(cè)設(shè)備—技術(shù)檢測(cè)—參與整機(jī)精度設(shè)計(jì)”。完成上述工作，以檢測(cè)設(shè)備精度設(shè)計(jì)方案和期末考試結(jié)合，并跟蹤到畢業(yè)設(shè)計(jì)中精度設(shè)計(jì)。

具體框架設(shè)計(jì)如圖1所示：

圖1 課程教學(xué)設(shè)計(jì)框架

四、實(shí)踐效果分析

本課程期末考核采用閉卷理論考試和選做綜合工程實(shí)踐（零部件的檢測(cè)篩選設(shè)備設(shè)計(jì)），教學(xué)對(duì)象是2018級(jí)和2019級(jí)本科機(jī)械類專業(yè)學(xué)生，其中2018級(jí)教學(xué)采用傳統(tǒng)的教學(xué)模式，而2019級(jí)采用基于五維模型的教學(xué)模式，學(xué)生提交的零部件的檢測(cè)篩選設(shè)備設(shè)計(jì)方案各種各樣，總體來(lái)看每個(gè)人都提出了設(shè)計(jì)方案，光檢測(cè)零部件的接觸式和非接觸式方案就很多種，可以推進(jìn)設(shè)備進(jìn)一步改進(jìn)。

期末閉卷理論考試在兩種教學(xué)模式下采用同一類型試卷，卷面成績(jī)也有區(qū)別，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

表1 期末理論考試成績(jī)分析表

由表對(duì)比結(jié)果可知，新型教學(xué)模式有利于促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性和目標(biāo)性，中等及以上成績(jī)學(xué)生比例由40%提高到了70%，通過(guò)工程實(shí)踐的鍛煉，學(xué)生由灌輸式學(xué)習(xí)變成了從實(shí)踐工程應(yīng)用出發(fā)，學(xué)習(xí)知識(shí)，掌握方法，應(yīng)用到工程中并完善方案，再學(xué)習(xí)再回歸到工程，形成循環(huán)學(xué)習(xí)。

五、結(jié)語(yǔ)

互換性與測(cè)量技術(shù)課程是機(jī)械類專業(yè)的基礎(chǔ)課程，學(xué)生通過(guò)從實(shí)踐需求和設(shè)備研制出發(fā)學(xué)習(xí)并掌握互換性的理論知識(shí)及技術(shù)檢測(cè)方法，為今后實(shí)際工程實(shí)踐打好基礎(chǔ)。

在互換性與測(cè)量技術(shù)課程教學(xué)中，基于五維模型的教學(xué)模式，能夠增強(qiáng)學(xué)生的直觀性和好奇性，激發(fā)其內(nèi)在的學(xué)習(xí)動(dòng)力；在實(shí)際項(xiàng)目完成過(guò)程中，學(xué)生以五種身份參與工程實(shí)踐，培養(yǎng)了分析、解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力。