楊浩泉,周平,賈立新,魏天翔

(上海第二工業(yè)大學智能制造與控制工程學院,上海201209)

“特種加工技術(shù)”實驗教學設計與實踐

楊浩泉,周平,賈立新,魏天翔

(上海第二工業(yè)大學智能制造與控制工程學院,上海201209)

實驗是幫助學生掌握課程教學內(nèi)容的重要手段,恰當?shù)卦O定實驗內(nèi)容和實驗方法可以起到事半功倍的效果,依據(jù)“特種加工技術(shù)”課程的特點,結(jié)合“主體—主導”教學設計模式,從確定實驗課教學目標、實驗時機,教學方法、教學手段的設計,形成性評價幾方面開展了教學研究與實踐工作。教學實踐表明:合理制訂教學目標,選擇恰當?shù)膶嶒灂r機,創(chuàng)設良好的學習情境,充分利用現(xiàn)代媒體和資源可有效地提高教學效率,改善教學效果。針對該課程實驗教學提出的教學方法和實踐內(nèi)容,能夠為相關(guān)學科的教學提供有益的借鑒或參考。

特種加工技術(shù);教學設計;教學實踐

0 引言

隨著生產(chǎn)發(fā)展和科學實驗的需要,很多工業(yè)部門,尤其是航空航天工業(yè)部門,要求產(chǎn)品向高精度、高速度、高溫、高壓、大功率、小型化等方向發(fā)展。于是,產(chǎn)品零件所使用的材料越來越難以加工,零件的形狀越來越復雜,加工精度、表面質(zhì)量和某些特殊要求也越來越高,傳統(tǒng)機械制造工藝難以勝任,機械制造行業(yè)面臨許多新問題:各種難切削材料如何加工,零件上的各種復雜表面如何實現(xiàn),如何完成各種超精、光整或具有特殊要求的零件加工。為解決這一系列問題,許多專家學者進行了大量研究,特種加工技術(shù)就是在這一背景下產(chǎn)生和發(fā)展起來的,它的重要性不言而喻[1-2]。特種加工方法在國內(nèi)外得到了廣泛的應用,1963年哈爾濱工業(yè)大學在我國最早開設了特種加工課程和實驗課程,1981年我國成立了特種加工教學研究會,對特種加工技術(shù)的普及和提高起了很大的促進作用。我校機械類專業(yè)也開設了“特種加工技術(shù)”課程。特種加工技術(shù)對機械類專業(yè)的學生是不可缺少的學習內(nèi)容,這方面的知識有助于學生將來適應與工藝相關(guān)的各種崗位,因為要快速、低成本地完成零件加工,必須將各種加工工藝有效搭配。另外,設計出的產(chǎn)品必須經(jīng)過各種加工工藝和裝配工藝才能成為最終產(chǎn)品。因此,機械產(chǎn)品設計人員具備相關(guān)工藝知識,對提高產(chǎn)品質(zhì)量,降低產(chǎn)品成本,縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期也很重要。

1 主體—主導教學設計模式簡介

教學設計是教師在課堂上教什么,怎么教,怎么學,學得怎么樣的一種創(chuàng)造性的策劃。它是一個綜合運用專業(yè)知識、系統(tǒng)理論和現(xiàn)代教學理論指導課堂教學的再創(chuàng)造過程。教學設計模式主要有“以教師為中心”、“以學生為中心”和“主導—主體”3種[3-4]。其中“主導—主體”教學設計模式既能發(fā)揮教師的主導作用、又能體現(xiàn)學生的主體地位,“主導—主體”教學設計的基本模式如圖1所示。

圖1“ 主導—主體”教學設計模式Fig.1 Model of Teacher-led-learner-centered

我校“特種加工技術(shù)”課程的教學時數(shù)為32學時,其中實驗環(huán)節(jié)安排6學時。如何利用實驗環(huán)節(jié)更好地為教學服務,筆者在多年教學實踐的基礎上,結(jié)合“主體—主導”教學設計模式,在實驗課教學目標與實驗時機的確定,教學方法與教學手段設計,形成性評價方面開展了教學研究工作。

2 實驗課教學目標和實驗時機的確定

教學目標是師生通過教與學的活動所要達到的教學目的和要求,它是課堂教學的出發(fā)點,也是落腳點。在設計教學目標時,不僅要注重知識性目標的要求,還要重視學生能力、情感、態(tài)度與價值觀等方面發(fā)展的要求。在認知領(lǐng)域,針對知識要點和學習水平,定出了解、理解、掌握、運用等要求,并將目標一步一步具體化。另外,由于學生的能力與水平不同,教學目標應具有一定的彈性。

在“特種加工技術(shù)”課程教學的初期,筆者對實驗課堂的教學目標設計主要是針對相關(guān)理論規(guī)律、現(xiàn)象等進行驗證,以強化相關(guān)內(nèi)容的學習,所以實驗課時要在相關(guān)理論講授完后進行。但是,由于課程中有些教學內(nèi)容比較抽象而且復雜,比如電火花加工機理;許多內(nèi)容所涉及的知識點多、分散并且邏輯性不強,比如電火花加工基本規(guī)律。這些內(nèi)容完全在課堂中講授會使學生始終處于被動接受狀態(tài),由于教學內(nèi)容的特點和一些學生的意志力和學習動機不強等原因,結(jié)果是教師授課很辛苦,但教學效果不佳。為改變學生被動接受的學習狀態(tài),同時提升教學效果,筆者合理安排實驗時機,并將驗證性實驗修改為探索性實驗,以激勵學生自主學習、培養(yǎng)學生的探究精神和協(xié)作意識為出發(fā)點,確定了6學時的實驗教學目標(見圖2)。

圖2 實驗教學目標具體規(guī)劃Fig.2 The planning of experimental teaching objectives

實驗目標確定后,要將學生的學習狀態(tài)變被動接受為主動探索,應適當選擇實驗時機。如在緒論和最基本的原理講授后馬上進行“實驗1”,即觀察了解加工現(xiàn)象,分析研究機床結(jié)構(gòu),通過“實驗1”可以讓學生了解電加工機床的主要類型,觀察一些加工現(xiàn)象。雖然學生們不知道這些現(xiàn)象意味著什么,不清楚機床結(jié)構(gòu)為什么這樣設計,不了解機床各部分的作用,但通過這一實驗可以為后續(xù)的理論學習建立許多感性認識。“實驗2”借助實驗數(shù)據(jù),探索掌握加工規(guī)律,實驗安排在電加工規(guī)律理論課之前進行,通過實驗讓學生初步了解機床操作,積累典型數(shù)據(jù),再使用數(shù)據(jù)處理軟件處理實驗數(shù)據(jù),由學生探索和總結(jié)電加工的基本規(guī)律。在線切割加工工藝內(nèi)容講授后安排“實驗3”,學習了解線切割軟件,因為線切割編程不是簡單地操作軟件,需要建立在一定工藝知識的基礎上。

3 教學方法、教學手段的設計

教學設計的思想和方法有許多種,并且各有千秋[5-9],目前常用的教學方法和學習方法有:研究性學習、自主學習、協(xié)作學習、探究學習,互動教學、任務驅(qū)動教學。教師在選擇教學設計思想指導教學實踐時,應多關(guān)注學習者現(xiàn)有的能力水平和學習任務的類型,并通過能否在該教學策略下獲得較好的效果來進行理智的選擇。

“實驗1”的目的是為后續(xù)教學做鋪墊,因為電火花加工是一種加工工藝,涉及到加工原理、加工規(guī)律、工藝系統(tǒng)(工件、機床、刀具和夾具等)及有關(guān)工藝方法。由于其中有些教學內(nèi)容比較繁雜抽象,容易讓學生產(chǎn)生畏難情緒。為降低學生的學習難度,讓學生產(chǎn)生一定的好奇心,有必要在理論課學習之前安排實驗。為引導學生達到教學目標,在實驗之前依據(jù)教學內(nèi)容給學生布置問題,設計問題時應考慮學生的原有知識狀況,要仔細研究知識間的縱橫聯(lián)系,要把知識點貫串起來,使它們條理清楚,層次分明。只有這樣,教學才能組織得生動活潑,使學生帶著任務主動探究學習。

針對“實驗1”的教學目標所設置的題目為:機床由哪幾部分組成;各個組成部分如何連接,它們之間是否有相對運動;各組成部分在機床中的作用;工具和工件是如何引電的;指出工具電極的材料和形狀;指出工作液的種類;描述機床的工作過程;描述機床在加工過程中的現(xiàn)象至少5種,并做初步分析;觀察加工速度和控制柜上的儀表指針動作的關(guān)系;指出工具電極與加工痕跡尺寸之間的關(guān)系;記錄其他所看見的、所聽到的和所聞到的。借助以上問題可引導學生由大到小,由粗到細,由淺到深的來觀察分析所看到的事物和現(xiàn)象。由于學生在其他專業(yè)課程中已經(jīng)學過一些機械結(jié)構(gòu)和工藝方面的知識,并且實驗進行之前,教師已對電加工機理進行了講解,故達到教師所設定的目標不難。

實驗中教師在加工現(xiàn)場進行必要的講解和演示,依據(jù)過去的教學經(jīng)驗,學生對這類實驗不太重視往往走馬觀花。為解決這一問題,筆者將實驗設定為3個步驟,即實驗前、中、后。實驗前將所設置的題目發(fā)給學生,要求學生了解本實驗的教學目標和所需完成的任務;實驗中要求學生利用自己手機的拍照、攝像功能詳細記錄所看到和所聽到的,描述所聞到的,實驗不得由其他同學替代,但可以討論。實驗后要求學生完成實驗報告,報告要求圖文并茂及必要的分析說明。實驗報告不是按時提交即可,還須在課堂中展示交流,這一措施激勵了大多數(shù)學生的上進心,同時也是復習和知識共享的過程,然后教師依據(jù)情況做適當補充。由于實驗過程易操作,故學生們能夠積極主動、仔細觀察記錄,有助于培養(yǎng)學生的探究精神。

“實驗2”是為電火花加工基本規(guī)律這部分教學內(nèi)容服務的,由于電火花加工速度較慢,實驗課只利用機床做少量數(shù)據(jù)讓學生進行觀察,并要求學生記錄機床的基本操作和主要功能,之后教師發(fā)給學生一些實際加工數(shù)據(jù)以及機床操作視頻,要求學生在課后借助相關(guān)軟件處理數(shù)據(jù)、總結(jié)規(guī)律,然后學生按要求完成實驗報告,報告要求圖文并茂,并在課堂中交流。為降低學生的難度,實驗前同樣會布置題目來引導學生進行總結(jié),比如:在脈沖電流一定的情況下,隨著脈沖寬度的增加,加工速度、表面粗糙度、放電間隙、電極損耗有什么變化規(guī)律？脈沖寬度一定,隨著脈沖電流的增加,加工速度、表面粗糙度、放電間隙、電極損耗如何變化？并對這些變化進行初步分析;指出單個脈沖能量與脈沖電流和脈沖寬度的關(guān)系,脈沖能量和加工精度的關(guān)系。為了提高學生克服困難的信心,將往屆學生的報告展示給學生,并分析報告的特點。讓學生了解到,任務雖有一定的難度,但通過努力是可以實現(xiàn)的。為避免抄襲,每一屆學生所給的數(shù)據(jù)不同。通過這一環(huán)節(jié)培養(yǎng)了學生探索、分析、總結(jié)的能力。經(jīng)過幾年的教學實踐表明:絕大部分同學都能較好的完成任務,少數(shù)學生需要其他同學幫助。由于加工規(guī)律由學生自己總結(jié),教師在后續(xù)的教學中只需圍繞一系列加工規(guī)律進行補充說明,這樣有助于調(diào)動學生的學習積極性,師生之間容易產(chǎn)生共鳴,這種帶著任務去實驗,再以多媒體手段進行課后補充學習的教學方式提高了課堂效率。

目前,電火花線切割機床的加工程序都可以通過編程軟件來完成,因此,“特種加工技術(shù)”課程的教學內(nèi)容中包含加工程序的編制和軟件學習部分。要正確使用軟件,首先應具備相關(guān)加工工藝知識。所以“實驗3”設置為先在課堂上介紹相關(guān)工藝知識和編程原理,然后演示軟件的使用。由于教學時數(shù)有限,軟件的學習和掌握由學生在課后時間完成,為便于學生課后學習,教師將制作的多媒體課件提供給學生。具體做法是學生分小組自行設計零件,要求有外形和內(nèi)孔的加工,經(jīng)老師確認后,通過小組協(xié)作,利用線切割編程軟件、運用理論課所學工藝知識完成零件加工程序的編制。為了幫助學生理清編程思路,同樣設置了相關(guān)問題,比如:切割路徑如何確定、絲的起點放在那里比較合適、零件的定位裝夾方式與切割方向的關(guān)系、偏移量如何確定、編程過程中哪些參數(shù)的確定與零件加工精度有關(guān)。以上問題要求學生在撰寫程序說明報告中表述清楚,并完成個人及小組的總結(jié),其中注明小組成員的貢獻。最后,學生在課堂中交流討論,教師進行補充和總結(jié)。在實驗中學生以特定項目為驅(qū)動,借助小組協(xié)作來完成任務,充分鍛煉了學生的實際應用能力和協(xié)作精神。

4 形成性評價和教學內(nèi)容、方法的修改

形成性評價即過程評價,它是為了更好地完成教學目標,促進教學過程能夠順利地進行并獲得理想的教學效果而不斷進行的評價。通過形成性評價教師能夠及時了解教學目標的達成情況、學生在學習過程中存在的問題和發(fā)展情況,教師據(jù)此可以及時修改教學內(nèi)容和教學方法。對學生而言,形成性評價是通過學生提交的實驗報告、課堂討論情況、學生的表現(xiàn)和表情以及小組協(xié)作學習的個人與小組總結(jié)進行。對教師而言,可以通過自我評價,也可以通過向?qū)W生征求改進教學的意見和方法來完成[10]?？傊?通過形成性評價可以及時發(fā)現(xiàn)教學活動中存在的問題,及時調(diào)整教學內(nèi)容和教學方法,使教學過程形成良性的循環(huán)。

5 結(jié)語

本文所涉及的教學設計,是筆者在教學實踐中結(jié)合“特種加工技術(shù)”這門課的特點而做出的,雖然取得了一定的效果,但仍有一些需要補充、改進、細化的地方。如何更有效地組織教學過程以達到更好的教學效果還需要進一步的學習,比如學生學習興趣的持續(xù)維持,學生的激獎勵方法,協(xié)作學習小組的高質(zhì)量交互等問題,以及網(wǎng)絡和微信的充分利用,將學生手里的手機由玩具轉(zhuǎn)變?yōu)閷W習工具等,筆者將在未來的教學工作中對上述問題進行不斷地探索和實踐。

[1]劉晉春,趙家齊,趙萬生.特種加工(5版)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2008.

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Experiment Instructional Design and Practice of Non-traditional Machining Course

YANG Haoquan,ZHOU Ping,JIA Lixin,WEI Tianxiang
(School of Intelligent Manufacturing and Control Engineering,Shanghai Polytechnic University, Shanghai 201209,P.R.China)

Experiments are important methods that help students to master the teaching contents.Properly setting the experiment content and experiment method can have twice the result with half the effort.In this paper,a brief introduction to the instructional design model of Teacher-led-learner-centered is provided.According to characteristics of non-traditional machining technology course,combining the instructional design model of Teacher-led-learner-centered,we have made some studies to determine the teaching goals and the experimental time,to design the teaching methods and teaching means.The practice proves that the experimental teaching optimization design is advantageous in improving the teaching quality of non-traditional machining technology machining experiment.The appropriate use of various teaching media can optimize the teaching process.Teaching methods and practice content presented in the article can provide useful reference for teaching work.

non-traditional machining technology;instruction design;instruction practice

G712

B

上海第二工業(yè)大學3門課程獲批上海高校優(yōu)質(zhì)在線課程建設項目

1001-4543(2016)04-0338-05

2014-09-01

楊浩泉(1965–),女,廣東廣州人,副教授,碩士,主要研究方向為先進制造技術(shù)。電子郵箱hqyang@sspu.edu.cn。

上海第二工業(yè)大學校重點課程建設項目(No.A01GY13F023)資助

2016年1 2月,上海市教育委員會公布2016年上海高校優(yōu)質(zhì)在線課程建設項目名單。我校工學部夏天老師負責的“影視編輯與合成”、文理學部戴從喜老師負責的“詩經(jīng)愛情詩十二講”和經(jīng)濟與管理學院潘海蘭老師負責的“電子商務系統(tǒng)分析與設計方法”3門課程獲批立項。根據(jù)通知精神,本次立項的課程建設周期為2年,建設起訖日期為2016年11月到2018年10月。