智能制造背景下 “公差配合”课程改革与优化
摘 要：在国家制造业转型升级背景下，课题组以智能制造背景“公差配合”课程为对象进行教学改革，基于智能制造专业培养目标、学校办学定位、智能制造专业实验设备等内容优化该专业的培养方向，提出了紧跟学科前沿，以学科竞赛、教师科研为依托进行“公差配合”课程改革的建议；并在此基础上对课程进行优化，缩减画法几何的陈旧内容，丰富工程公差部分，促进三维数字化建模内容与力学、设计等部分的交叉融合，在公差配合测绘中引入三维造型设计、3D打印、数控加工环节，夯实学生绘图与设计能力，增强学生工程应用和实践能力，提升学生创新能力。
关键词：智能制造；课程改革；学科竞赛；三维造型设计；3D打印
智能制造是近些年为了适应国际制造业发展新趋势、促进我国制造业转型升级、解决智能制造高素质人才匮乏问题而设立的新专业[1]，是机械设计制造及其自动化专业的继承和发展，其更强调新一代信息技术，如人工智能、大数据、物联网等与机械的制造技术、传感技术、控制技术、自动化技术等相结合，以实现智能装备和智能制造系统的应用。该专业是机械工程、控制科学与工程、计算机科学与技术、材料科学与工程和认知科学等学科交叉的专业[2]。因此，“公差配合”是智能制造等新工科各专业机械设计方向的一门重要的专业基础课，为该专业后续专业课的学习打下基础。同时，该课程具有空间逻辑性强、理论与实际并重等特点，要求学生具有一定的立体几何基础和较强的空间逻辑思维能力，善于将理论联系实际[4-5]。然而，随着新一轮大学教育教学改革，需对一些理论课程进行压缩，尤其要淘汰一些不合时宜的课程，同时要对保留下来的课程内容进行优化，提升教学环节的实践性，以适应新专业、新技术的需求。在此背景下，考虑到智能制造专业课程涉及面较广、内容较多，分配给一些传统课程的学时不多，尤其是像“公差配合”这样机械设计方向的课程。因此，需要对“公差配合”课程进行全面改革，包括教学内容、课程体系、教学方法、教学大纲、培养计划等都需要编制及优化，以适应智能制造专业对人才培养的要求。
1 智能制造专业“公差配合”课程改革思考
智能制造专业培养目标是培养从事智能装备控制与系统集成、TC项目实施、TC系统集成与管理、NX与TC的数字化及智能化设计软件工具开发等技术工作的人才[1]。随着我国产业升级，企业生产向智能化、数字化、网络化方向发展，智能制造专业人才需求量将会逐年递增，以助力我国由制造业大国向制造业强国迈进。因此，要实现智能制造专业的培养目标，就必须在该专业培养方案、培养计划、课程设置方面进行课程改革并设计与之相匹配的培养模式。
数字孪生技术是智能制造过程中的关键技术，其是将制造相关的物理场景及制造装备由实转为虚的重要过程，为智能制造过程的优化提供支撑。基于此，在“公差配合”课程中需要设置更多与数字化建模相关的内容，目前“公差配合”课程已经引入三维数字化建模内容，但更多是直接沿用传统的机械专业三维建模软件，而没有将这种建模思想贯穿于公差配合全过程。以往在“公差配合”课程中介绍三维建模都是注重零件建模、静态建模，而没有从交叉学科角度进行教学，如受力分析、运动干涉、寿命分析等同力学、物理学、机械设计、机械原理等其他学科融合；在三维数字化建模中融入有限元、动力学仿真、优化设计等，这些对拓宽学生知识面有很大帮助。“公差配合”课程改革除了要介绍本学科内容外，还要同其他课程建立关联，为学生学习提供沟通的桥梁，这也是智能制造专业需要注重的思想之一。
2 智能制造专业“公差配合”课程内容优化
智能制造专业“公差配合”课程应该更加注重学生应用能力，并加强与实际机械制造、数字化建模等的紧密结合。但目前该课程内容还是沿用原来机械设计制造及其自动化专业的公差课程内容，只是在原来基础上做了简单压缩，这样做不能从根本上培养学生机械设计、公差能力，应该结合该专业培养目标、培养计划以及本校办学特色，制定符合校情的“公差配合”课程内容。
目前，“公差配合”课程包括三个部分：几何公差、计算机公差。机械设计制造及其自动化专业需要两学期共128个学时，还要完成公差配合测绘的实践课程。随着本科课程的优化，理论课程学时不断被压缩，实践及实验课程学时增加，故“公差配合”课程也应作出调整。画法几何及投影理论注重学生几何学理论及投影理论学习，比较适用于传统的手工尺规作图，要求学生具有较强的几何学知识和空间想象能力。课题组建议压缩该部分内容，如去掉投影变换、线面和面面几何关系内容，该部分对后续工程公差用处不大，因此应该简化或去掉该部分内容。应该强化工程公差内容，该部分是绘制零件图的基础，应增加更多的零部件实例，拓宽学生对常见零部件的认知和绘图方法，提升学生绘图能力和绘图方法储备。计算机公差是智能制造专业最重要的内容，不仅应增加CAD公差、三维数字化建模[8-9]，而且在三维数字化建模中应增加装配体建模、有限元分析、运动及动力学仿真、数控加工模拟及程序输出等内容，这与智能制造专业的数字化制造方向也很契合。
在“公差配合”课程教学过程中，应该运用先进教学方法，如应用计算机辅助教学（CAI）活跃课堂气氛，激发学生学习兴趣，改变原有课程枯燥的面貌，同时采用翻转课堂形式开展三维数字化建模学习，让学生积极主动地参加课程学习。在零件图、装配图部分以项目驱动式教学方法来提升学生动手绘图能力，并与产品设计、制造环节无缝对接[10]。对于公差配合测绘环节，要大胆创新，原来的公差测绘环节都是学生在实验室对机械零件、装配体进行拆装测量，并在此基础上绘制对应图纸，很多学生无法获知自己绘制的图纸能否使用或者是否符合工程实际。因此，在公差配合测绘环节增加三维造型设计、3D打印、数控加工等内容，这是对学生绘图与设计能力的检验[10]，使学生保持认真学习的态度，增强学生工程应用和实践能力，进一步促进学生理论学习与生产制造实践的结合，让学生的学习更有目标性和针对性。
3 结论
课题组以智能制造专业“公差配合”课程为对象进行教学改革，基于智能制造专业培养目标、学校办学定位、智能制造专业实验设备等内容优化该专业的培养方向，提出应紧跟学科前沿，以学科竞赛、教师科研为依托构建“公差配合”课程改革方向和内容。并结合智能制造专业培养目标对课程进行优化，对画法几何理论部分进行缩减，丰富工程公差内容，促进三维数字化建模内容与力学、设计等部分的交叉融合，在公差配合测绘中引入三维造型设计、3D打印、数控加工环节，夯实学生绘图与设计能力，增强学生工程应用和实践能力，提升学生的创新能力。
参考文献：
[1]康超，刘赞，刘金锋，等.新工科背景下智能制造工程专业人才交叉融合培养探索[J].科技视界，2022(22)：153-155.
[2]刘永生，惠记庄，陈一馨.新工科背景下智能制造专业政产学研用融合创新创业教育体系探索[J].高教论坛，2022(9)：26-29.
[3]卢倩，金锋，周临震，等.新工科产教融合背景下智能制造工程专业融合型人才培养探索与实践[J].科教文汇，2022(20)：78-82.
[4] 钱 胜 ，郭东旭 智能制造专业“机械公差”课程改革与优化[J].黄山学院学报，2022，17(3)：101-105.
