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摘要：随着机械行业不断发展，给我国机械工程教育带来很多挑战，本着培养学生的工程素质为宗旨，根据机械类课程教学现有共同的抽象特点以及机械共性的基础技术——公差与配合，由于传统教学模式的不足，本文提出建设基于数字化的机械类工程教育教学平台，包括了数字化建模与仿真模拟、工程零部件制造装配录像视频、3D打印教学模型、实验介绍的视频资源及数字化虚拟实验室。提高了学生对课程知识的掌握程度，从而对机械类其他相关课程和设计教学质量的提高起到了重要作用。
关键词：机械课程；数字化平台；教学改革；互换性；虚拟实验
本文引用格式：胡聪芳,等.基于数字化的机械类工程教育教学平台——以互换性与技术测量为例[J].教育现代化,2019,6(21):111-113.
一 机械类课程的特点
随着我国机械行业不断发展，对机械人才的需求也日益显著，因此给我国机械工程的教育也带来了更高的挑战。机械专业本科教学的基础类课程注重培养学生的基本工程素质，学生的识图能力以及机械零件的平面与立体转化的抽象思维能力是基本工程素质之一。比如《机械制图》中的正投影法，要求绘制简单的平面和空间三维的转换；《互换性与技术测量》的圆柱度、圆跳动、垂直度等各项形位公差；《机械设计》以及课程设计的带轮、螺栓齿轮、轴承以及齿轮箱体等，都需要学生根据教材中的二维图凭借空间想象能力抽象构思三维形状。
此外，机械工程开设的基础课程和专业课程，如《机械制图》《机械原理》《机械设计》《机械制造工艺学》等以及各类设计，往往标准项目多、涉及的知识面广、抽象概念也多，且都包含一个共性基础技术——公差与配合。
二 互换性课程的特点
《互换性与技术测量》是在国际化大生产背景下迅速发展起来的一门学科，各个地区生产的零件要求良好地互换装配。是机械、微电子、材料和土木工程等专业必修的重要的基础课程，也是架设在基础课专业课之间的桥梁，对后续的课程设计和毕业设计非常重要的[1]。
《互换性与技术测量》这门课程抽象概念多，理论性及实践性强[1]。课程的目的是使学生获得公差与配合的基本知识，理解国家标准；掌握一般几何量检测的基本原理和方法，初步具备其检测的基本技能和处理测量数据的能力，会选用公差和表面粗糙度。因此，通过学习这门课程使学生获得互换性与技术测量的知识，具有解决复杂工程问题的能力。
三传统教学方式的弊端
传统教学中，都是教师课堂利用多媒体、PPT及讲练结合的方式来帮助学生理解平面和空间的转化。而本科生往往缺乏工程实践经验，老师上课时采用传统的知识灌输式教学方式讲解定义、公式和标准，学生在理解和掌握上存在一定的难度，空间转化都较抽象，抽象思维不强的学生会很吃力，从而对课程认识不明确，缺乏学习兴趣。此外，此门课程内容较多，机械类学生其他课程也很多，没有过多的时间去思考理解各知识点[2]。
教师在指导各类设计时了解到学生的公差配合基础相当薄弱，可见传统教学模式的效果并不明显，不利于教学质量的保证。这会导致工程专业的学生工程意识和实践能力相对较差，不能为将来从事机械行业和科学研究工作打下坚实的基础。
四 数字化教学改革
如何帮助学生快速及牢固地掌握《互换性与技术测量》中的知识？数字化的工程教育教学平台是深化教学改革的一种有效途径。传统教学中平面及三维转化困难，将三维数字化构型融合到教学及实训中，可针对互换性的知识应用于机械类课程及设计的教学与指导，为培养高质量、有工程竞争力的人才打下良好的基础。
许多国外著名的学校在数字化教学方面早有建设，比如美国麻省理工大学、德州农工大学、英国的帝国理工大学等拥有全面的教学平台，各类教学网站有丰富的教学视频，并建设有虚拟实验室，可以网上完成各类虚拟实验，不受制于有限的实验设备，学生还可以进行在线讨论、作业上传。
这是国内的高校欠缺的，我国课程的数字化教学与国外相比还有很大差距，不利于学生对重点难点知识的掌握。学生苦于记忆大量的名词术语和技术规范，对课程内容的不理解导致了前面所述的教学效果窘况。因此，基于数字化技术开发及机械类工程教育教学平台是一项迫在眉睫的基础性建设。
（一）数字化建模与仿真模拟
将教材的平面知识通过数字化建模表达可以将比较抽象的知识变成可视化的空间三维模型，通过CAD、CAE等现代化工具对教学内容进行三维建模，将难懂的理论结合数字化模型将想象过程具体化、可视化。将建立的三维模型进行仿真模拟并制作动画，为学生制作动画、视频等多种数字化教学资源[3]，利用丰富、形象的动画将抽象的课程内容展示出来。这无疑有利于教师对有关概念定义的讲解和学生对这些知识点的理解，提升专业认知水平。
（二）制造装配录像
因课程中存在大量通用标准零件的公差与配合，轴承、螺栓、平键与花键等，这些零件有标准化的配合公差带及公差等级，此外还有非标件如齿轮、轴等，存在大量的检测项目。此课程大部分高校开设在大二上学期，绝大部分本科生在上这门课之前都没有进过相应的工厂，对这些零件的制造与装配过程一无所知，比如：过渡配合与过盈配合采用何种装配方法，重要零件轴承装配时内圈和外圈分别采用何种配合制，渐开线齿轮复杂的轮齿形状的检测项目是何含义等。上课时反复强调，学生表面上弄懂了，但是做题目和开展毕业设计时依然一知半解，没有完全理解和消化。因此能进入工厂将这些重要的基本零件所有生产制造、检测和装配过程拍摄下来，课堂上通过视频呈现出来，理解效果会更好。
（三）3D打印教学模型
笔者曾两次在课程结课时对学生做过教学问卷调查，一部分同学指出，若有实物演示会有更直观的认识，但根据笔者了解到的，大部分高校并没有为此课程配备相应的教学实物。任课教师可以通过3D打印技术将零件模型打印出来，课堂采用模型教学，并可根据自己需要进行教学模型设计，将零件不同的状态3D打印出来，将教学内容具体化。
（四）数字化虚拟实验
实验是培养现代高级人才的基本要求，为学生将来优秀地完成专业方面的工作打下扎实的基础，对保证教学质量有积极的作用。在实际教学中，很多试验设备采购验收完毕后用于教学的时间相当长，而随着技术的飞速发展，新一代设备更先进，因此教学设备与外界先进技术存在明显差距，学生掌握不到最新的科技[4]。并且实验教学中往往学生数量比较多，而实验设备台套数较少，所以经常出现一组同学使用一个设备做实验的情况，这样只有少部分同学得到了锻炼。
针对这些问题，制作实验教学视频是有效解决方案之一。做实验之前，学生观看实验教学视频可提前对实验的原理、实验设备的结构、操作步骤、测量方法和数据处理等有全方位的认识[3]。这样学生在正式做实验时可顺利完成操作，缩短时间，从而让更多的学生有动手机会，以提高实验教学质量[5]。
此外，可以开发数字化虚拟实验室模块，将本课程的实验与课程知识融合，通过数字化技术搭建课程实验平台，将实验设备以及实验内容建立三维模型，并将实验操作程序化，提高学生的学习兴趣。因此，数字化虚拟实验室是解决学生人数多与设备的矛盾的有效途径，并且虚拟化的环境可以方便和低成本地植入新技术的模拟，为学习最新科技提供了便利[6]。
五 总结
数字化的工程教育教学平台从讲台上的数字教学资源到实验室的数字化虚拟，包括了数字化建模与仿真模拟、工程零部件制造装配录像视频、3D打印教学模型、实验教学视频及数字化虚拟实验室。对建设教学资源、进行现代化教学改革、解决传统教学模式的弊端、提高学生解决工程问题的先进性。提高了学生对《互换性与技术测量》这门课程知识的掌握程度，从而对机械类课程和设计教学质量的提高起到了重要作用，更增强了学生的竞争力。
参考文献
[1]林俊.《互换性与测量技术基础》的教学改革与实践[J].装备制造技术,2012(12):191-193+202.
[2]李旻.“互换性与技术测量”课程立体化教材的建设[J].机械制造与自动化,2011,40(06):97-99.
[3]朱登洁,郑淑萍.基于数字化的互换性与技术测量课程教学改革[J].机械工程师,2014(12):18-19.
[4]李梦奇,李冬英,王斌.应用型机械工程数字化实验室建设研究与实践[J].时代农机,2016,43(09):104-106.
[5]高兴军,孙铁,邓子龙,等.机械专业数字化虚拟制造实验平台开发的研究与实践[J].价值工程.2014，33(05):273-274.
[6]蔡璇.构建数字化教学平台的实践与探索——以上海市机械工业学校机电实训中心建设为例[J].中国教育技术装备,2017(11):144-146.
[7]于晓东,张艳芹,孙全颖,等.“互换性与技术测量”课程教学改革探索[J].教育现代化,2017,4(38):110-111.
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