《高速切削技术》课程CDIO授课模式实践与探讨

葛英飞

(南京工程学院 机械学院，江苏 南京 211167)

0 引言

自我国实施教育扩招政策以来，本科生的招生数量大幅度增加，高等教育大众化使得更多的人能够接受高等教育的同时产生了本科生素质下降和就业难问题[1]。南京工程学院是全国高等学校教学研究会副理事长单位、全国应用型本科院校专门委员会主任委员单位和国家“CDIO 工程教育模式改革研究与实践”试点高校之一，该校一直秉承“学以致用”的办学理念。近几年，南京工程学院本科生的就业率一直保持在95%以上，但从用人单位的反馈意见来看，学生虽然基础较扎实、肯干，但动手能力欠缺、团队协作意识不够，在一定程度上缺乏可持续发展能力。

目前，广大本科学生对传统的以满堂灌、多媒体授课方式为主的工科教育模式有诸多不适应[2]：（1）学习课程特别是专业课和专业限选课比较枯燥，书本上的知识偏重基础理论或应用基础，不少知识点都落后于当前的应用技术；（2）讲课基本以课堂讲解教学为主，虽然辅以各种多媒体课件和CAI 课件，但学生的动手实践愿望得不到满足；（3）教学内容与社会需求有较大差距，学生容易产生学习无用的思想。上述现象长期存在就造成学生学习兴趣下降、课堂不注意听讲、学习主动差等问题，长此以往，学生产生懒散、不思进取、应付考试的性格和行为方式，大大影响了他们的人格成长和品格修养。

那么如何提高本科生的培养质量，培养高素质人才，增强在社会上就业竞争力，提升可持续发展能力和后续学习深造能力是一个值得关注和研究的重要课题。突出实践教育教学在应用型人才培养中的重要地位，增强学生的动手能力、创新能力和现场解决问题能力是应用型人才培养的客观要求，也是市场的需要。

CDIO 模式是国外高等工科教育的一种创新模式，自上世纪末的开创到现在，已经有十多年的发展历史[3]。CDIO 理念提出了系统能力培养、全面实施指导、培养计划、教学方法、学生考核、学习环境等创新模式[4-5]。CDIO 工程教育模式的核心目标是提高工程人才培养质量，特别注重培养学生的创新能力、实践能力和团队协作能力。机械工程专业作为培养工程实践人才的学科，应该以CDIO 工程教育理念为指导，开展教学实践活动[6-7]。

高速切削技术自20 世纪70年代以来得到了突破性发展，目前几乎所有与机械加工有关的国营或民企都有拥有高速切削机床或高速加工中心。然而，目前国内外特别是我国在高速切削机床操作工人或高速切削工艺人员方面有很大缺口，且现有的工人其关于高速切削基础理论和工艺方面的知识还比较欠缺，导致高速切削加工人才紧缺、加工成本较高、难加工材料高速切削加工问题较多。《高速切削技术》课程是机械设计制造及其自动化专业各专业方向的一门专业选修课，其目的是使学生了解高速切削技术及其理论的兴起、发展与特点，以及高速切削机床的基本结构，掌握高速加工的主要工艺技术和装备技术，并进一步了解高速加工机床控制系统、高速切削技术应用和研究进展情况，使学生能够具备一定的高速切削技术知识，为其毕业后从事相应的专业工作打下必要的基础。由于课时较少（24 学时），这门课长期以来是以讲座的形式进行授课的，即主要以多媒体课件和动画、影音为方法和手段，以课堂讲授的形式进行介绍和讲解，没有任何实验或实践环节。学生虽然对该门课程很感兴趣，在课堂上也能注意听讲，但他们反应总体收获不大，很多知识无法理解和消化，更无法与工程实践和工程实际相结合。

鉴于此，课题组将《高速切削技术》的CDIO 模式授课研究作为主要内容，通过基于项目、实验、实训的学习，激发学生的积极性和主动性，增强学生解决现场问题与研发创新的能力，以及团队工作和沟通的能力。在具体教学方式和方法上将启发互动式教学、问题式教学、协作式教学、案例式教学和情境式教学等多种教学方法有机结合，灵活运用，最大限度地提高教学质量和教学效果。

1 基于CDIO 理念的《高速切削技术》教学

根据《高速切削技术》对本科生的要求，将该门课总体分为以下六个部分：（1）高速切削技术概论；（2）高速切削基础理论；（3）高速切削机床；（4）高速切削刀具；（5）高速切削工艺；（6）高速切削应用及发展趋势。根据上述不同部分的教学内容特点，设计不同的教学方案和教学方法。

1.1 高速切削技术概论

这部分教学内容重点要求学生了解常规机械加工技术的局限和瓶颈、高速切削技术产生的时代和社会背景，掌握高速切削的概念和内涵。鉴于前几年毕业生在毕业设计时普遍出现的开题报告不会撰写或不符合规范、毕业论文的撰写不符合科技报告或科技文献规范的现象和事实，特在这部分授课内容中锻炼学生的文献查阅和收集、撰写科技综述报告、制作PPT、上讲台陈述和表达等能力。为了解学生的能力现状，这节课在网络教室开展，以便学生当堂上网查阅文献。为了便于对学生学习情况进行考评，将学生按5～6 人一组分组，每组独立工作，每组成员之间进行分工和协作，每组推荐一名成员上台通过其制作的PPT 进行陈述和讲解。课堂上发现，很多学生对于如何在网络上查找和收集资料的相关知识和能力非常欠缺，如不知道那些网站可以查找并下载学术论文，不知道英文文献如何查找，不知道查询文献时如何选择和填写检索词，不知道关键词如何选择等待，甚至相当一部分学生竟然不知道学校图书馆中的数据库资源情况及如何使用。很多学生上台陈述时都比较紧张、表达能力和语言组织能力欠缺。通过这次课，学生对自己相关能力的短缺都有了较深刻的认识和反省，很多学生都表示在课后将对上述能力进行不断训练和加强。

1.2 高速切削基础理论

这部分教学内容重点要求学生掌握高速切削的定义及其基础理论。授课老师通过二战后美国战机经常失事（空中解体）和冷战时期的“东芝事件”等实例，建立高速切削基础理论学习的情境，并通过介绍当前高速机床操作工因为缺乏必要的高速切削基础理论知识而在工程实际中不知道如何选取刀具和工艺参数造成废品率和加工成本增加的现实，激发学生学习高速切削基础理论的兴趣。课后让学生思考：萨洛蒙（Carl Salomon）提出的超高速切削理论在哪些方面需要进一步验证或修正？在后续的课堂抽查中我们惊喜地发现，很多学生都给出了许多独到的看法和解释。通过这次考课可发现，学生的独立思考习惯、创新意识有了明显改善，可以推断，经过长期锻炼，学生这方面的能力一定会有比较有明显提高。

1.3 高速切削机床

这部分教学内容我们一改以往运用多媒体和录像进行课堂讲授的授课方式，将普通机床拆装实验和五轴高速加工中心实训相结合，让学生通过现场自己动手并观察、对比普通机床和高速机床的传动系统和进给系统存在着哪些本质区别，在增加学生对知识点理解的同时，激发了他们的创新意识，增强了他们的创新信心。通过五轴高速加工中心实训，让学生上机操作，学习编程初步，了解高档数控机床的数控系统、机床本体和结构，并通过五轴加工演示性实验让他们了解复杂曲面是如何加工制造出来的。课堂提出思考题：传统意义上的高速机床存在哪些缺点？后续课堂抽查中发现，学生的主动学习意识有了明显提高，他们对并联机床、高精密和超精密机床都做了深入的了解，并翻阅了不少相关的基础理论知识书籍。

1.4 高速切削刀具和工艺

这部分教学内容是本课程的重点，也是与工程实际联系最紧的内容，要求学生掌握高速切削技术对刀具提出了哪些新要求、影响高速切削的主要因素有哪些。本次课重点锻炼学生的动手能力、实践能力和解决现场问题能力。将刀具几何角度测量、切削力和切削温度测量和分析、刀具磨损、表面完整性评价（主要是表面粗糙度Ra 和表面变质层深度）融合进这次课的教学。这次课老师不进行课堂讲解，先由学生查阅相关文献和资料，了解高速切削刀具技术和高速切削工艺技术的基础知识，然后结合老师的科研项目，将实验对象（高强度钛合金）、各种几何参数和材料的刀具分发给大家，学生分组后以组为单位分别完成刀具几何参数测量、不同几何参数和材料刀具高速切削高强度钛合金时的切削力、切削温度、刀具磨损和表面完整性试验，最后对试验结果进行分析并得出结论。通过这次课，学生对工件材料或刀具加工性研究的内容和步骤有了深刻体会，并学会了方法和仪器设备的操作。在各个试验过程中总会出现各种各样的问题，如刀具后刀面磨损带宽度如何精确判断、切削温度信号为何出现较大干扰等，学生们遇到这些问题时都会自觉聚集在一起，形成一个临时团队，现场思考和解决问题。这样，当他们走上工作岗位后，遇到类似问题就会很快上手，且会知道如何组织、协调一个团队。

1.5 高速切削应用及发展趋势

这本分教学内容在授课时，同样先将学生分组，让每个组都独立地加工出一个铝合金薄壁件。绝大多数学生在一开始加工出的薄壁件精度都很差甚至无法加工出一个工件，他们通过组与组之间的讨论、交流，最终想出了各种解决的方法。通过这次课，深化了他们对高速切削的理解。通过文献查阅，他们了解到了超高速机床、超高速切削、高速微进给切削等名词及其内涵，了解了高速切削技术的未来发展趋势。

需要提出的是，在上述所有课时的教学过程中，学生每节课的成绩都是各组之间相互评分，组内学生相互评分的形式获得的，课程结束后学生的总成绩由平时成绩自动获得。

2 结论和建议

通过将CDIO 授课模式在《高速切削技术》课程中进行实践，将项目化教学、启发互动式教学、问题式教学、协作式教学、案例式教学和情境式教学相结合，将学生之前学过的多种课程如专业英语、金属切削原理与刀具、机械制造技术、数控技术等，以及多个课程的实验如机床拆装实验、切削力/切削温度测量实验、刀具几何角度测量实验、刀具磨损测量试验、五轴机床实训等融汇贯通起来，使学生解决实际工程问题的能力，对现代工程所必须具备的关经济、社会方面知识的了解，参与现代工程的领导、决策、协调、控制的初步能力和管理素质等方面的能力得到综合性的提升。实践证明，《高速切削技术》课程中使用CDIO 授课模式对提高学生的分析与综合能力，掌握科学的思维方法有重要作用。由于这种授课模式是面向企业，面向工程实际，所以可以解决人才培养与市场需求脱节的局面。由于CDIO 授课模式是一项系统的工程，需要较多的时间让学生思考、学习、实验、实践和解决问题，因此建议将该课程的24 学时增加至32 甚至40 学时，或者将若干相关课程组成高速切削技术课程群，以使学生得到更多、更全面、更系统的锻炼。

［1］侯树成.基于CDIO 理念下研究生非专业素质培养研究与实践[J].经济师，2011，1:132-133.

［2］江帆，张春良，王一军，等.机械专业CDIO 培养模式探索[J].装备制造技术，2010，6 :192-194.

［3］林海斌，叶汝军，高树昱.CDIO 理论基础综述[J].商场现代化，2010，5:189.

［4］施国萍，唐治中.CDIO 教学改革新思考[J].中国现代教育装备，2009，17:83-85.

［5］袁健，朱龙英.基于CDIO 的“机电一体化系统设计”课程考核方法改革的探索[J].中国地质教育，2010，2:18-20.

［6］高俊玲.CDIO 工程教育理念指导下的机械专业本科生顶岗实习探索与实践[J].南昌教育学院学报，2010，25(3):53-54.

［7］康全礼，陆小华，熊光晶.CDIO 大纲与工程创新型人才培养[J].高等教育研究学报，2008，31(4):15-18.