“特种加工技术”实验教学设计与实践

杨浩泉,周平,贾立新,魏天翔

(上海第二工业大学智能制造与控制工程学院,上海201209)

“特种加工技术”实验教学设计与实践

杨浩泉,周平,贾立新,魏天翔

(上海第二工业大学智能制造与控制工程学院,上海201209)

实验是帮助学生掌握课程教学内容的重要手段,恰当地设定实验内容和实验方法可以起到事半功倍的效果,依据“特种加工技术”课程的特点,结合“主体—主导”教学设计模式,从确定实验课教学目标、实验时机,教学方法、教学手段的设计,形成性评价几方面开展了教学研究与实践工作。教学实践表明:合理制订教学目标,选择恰当的实验时机,创设良好的学习情境,充分利用现代媒体和资源可有效地提高教学效率,改善教学效果。针对该课程实验教学提出的教学方法和实践内容,能够为相关学科的教学提供有益的借鉴或参考。

特种加工技术;教学设计;教学实践

0 引言

随着生产发展和科学实验的需要,很多工业部门,尤其是航空航天工业部门,要求产品向高精度、高速度、高温、高压、大功率、小型化等方向发展。于是,产品零件所使用的材料越来越难以加工,零件的形状越来越复杂,加工精度、表面质量和某些特殊要求也越来越高,传统机械制造工艺难以胜任,机械制造行业面临许多新问题:各种难切削材料如何加工,零件上的各种复杂表面如何实现,如何完成各种超精、光整或具有特殊要求的零件加工。为解决这一系列问题,许多专家学者进行了大量研究,特种加工技术就是在这一背景下产生和发展起来的,它的重要性不言而喻[1-2]。特种加工方法在国内外得到了广泛的应用,1963年哈尔滨工业大学在我国最早开设了特种加工课程和实验课程,1981年我国成立了特种加工教学研究会,对特种加工技术的普及和提高起了很大的促进作用。我校机械类专业也开设了“特种加工技术”课程。特种加工技术对机械类专业的学生是不可缺少的学习内容,这方面的知识有助于学生将来适应与工艺相关的各种岗位,因为要快速、低成本地完成零件加工,必须将各种加工工艺有效搭配。另外,设计出的产品必须经过各种加工工艺和装配工艺才能成为最终产品。因此,机械产品设计人员具备相关工艺知识,对提高产品质量,降低产品成本,缩短产品生产周期也很重要。

1 主体—主导教学设计模式简介

教学设计是教师在课堂上教什么,怎么教,怎么学,学得怎么样的一种创造性的策划。它是一个综合运用专业知识、系统理论和现代教学理论指导课堂教学的再创造过程。教学设计模式主要有“以教师为中心”、“以学生为中心”和“主导—主体”3种[3-4]。其中“主导—主体”教学设计模式既能发挥教师的主导作用、又能体现学生的主体地位,“主导—主体”教学设计的基本模式如图1所示。

图1“ 主导—主体”教学设计模式Fig.1 Model of Teacher-led-learner-centered

我校“特种加工技术”课程的教学时数为32学时,其中实验环节安排6学时。如何利用实验环节更好地为教学服务,笔者在多年教学实践的基础上,结合“主体—主导”教学设计模式,在实验课教学目标与实验时机的确定,教学方法与教学手段设计,形成性评价方面开展了教学研究工作。

2 实验课教学目标和实验时机的确定

教学目标是师生通过教与学的活动所要达到的教学目的和要求,它是课堂教学的出发点,也是落脚点。在设计教学目标时,不仅要注重知识性目标的要求,还要重视学生能力、情感、态度与价值观等方面发展的要求。在认知领域,针对知识要点和学习水平,定出了解、理解、掌握、运用等要求,并将目标一步一步具体化。另外,由于学生的能力与水平不同,教学目标应具有一定的弹性。

在“特种加工技术”课程教学的初期,笔者对实验课堂的教学目标设计主要是针对相关理论规律、现象等进行验证,以强化相关内容的学习,所以实验课时要在相关理论讲授完后进行。但是,由于课程中有些教学内容比较抽象而且复杂,比如电火花加工机理;许多内容所涉及的知识点多、分散并且逻辑性不强,比如电火花加工基本规律。这些内容完全在课堂中讲授会使学生始终处于被动接受状态,由于教学内容的特点和一些学生的意志力和学习动机不强等原因,结果是教师授课很辛苦,但教学效果不佳。为改变学生被动接受的学习状态,同时提升教学效果,笔者合理安排实验时机,并将验证性实验修改为探索性实验,以激励学生自主学习、培养学生的探究精神和协作意识为出发点,确定了6学时的实验教学目标(见图2)。

图2 实验教学目标具体规划Fig.2 The planning of experimental teaching objectives

实验目标确定后,要将学生的学习状态变被动接受为主动探索,应适当选择实验时机。如在绪论和最基本的原理讲授后马上进行“实验1”,即观察了解加工现象,分析研究机床结构,通过“实验1”可以让学生了解电加工机床的主要类型,观察一些加工现象。虽然学生们不知道这些现象意味着什么,不清楚机床结构为什么这样设计,不了解机床各部分的作用,但通过这一实验可以为后续的理论学习建立许多感性认识。“实验2”借助实验数据,探索掌握加工规律,实验安排在电加工规律理论课之前进行,通过实验让学生初步了解机床操作,积累典型数据,再使用数据处理软件处理实验数据,由学生探索和总结电加工的基本规律。在线切割加工工艺内容讲授后安排“实验3”,学习了解线切割软件,因为线切割编程不是简单地操作软件,需要建立在一定工艺知识的基础上。

3 教学方法、教学手段的设计

教学设计的思想和方法有许多种,并且各有千秋[5-9],目前常用的教学方法和学习方法有:研究性学习、自主学习、协作学习、探究学习,互动教学、任务驱动教学。教师在选择教学设计思想指导教学实践时,应多关注学习者现有的能力水平和学习任务的类型,并通过能否在该教学策略下获得较好的效果来进行理智的选择。

“实验1”的目的是为后续教学做铺垫,因为电火花加工是一种加工工艺,涉及到加工原理、加工规律、工艺系统(工件、机床、刀具和夹具等)及有关工艺方法。由于其中有些教学内容比较繁杂抽象,容易让学生产生畏难情绪。为降低学生的学习难度,让学生产生一定的好奇心,有必要在理论课学习之前安排实验。为引导学生达到教学目标,在实验之前依据教学内容给学生布置问题,设计问题时应考虑学生的原有知识状况,要仔细研究知识间的纵横联系,要把知识点贯串起来,使它们条理清楚,层次分明。只有这样,教学才能组织得生动活泼,使学生带着任务主动探究学习。

针对“实验1”的教学目标所设置的题目为:机床由哪几部分组成;各个组成部分如何连接,它们之间是否有相对运动;各组成部分在机床中的作用;工具和工件是如何引电的;指出工具电极的材料和形状;指出工作液的种类;描述机床的工作过程;描述机床在加工过程中的现象至少5种,并做初步分析;观察加工速度和控制柜上的仪表指针动作的关系;指出工具电极与加工痕迹尺寸之间的关系;记录其他所看见的、所听到的和所闻到的。借助以上问题可引导学生由大到小,由粗到细,由浅到深的来观察分析所看到的事物和现象。由于学生在其他专业课程中已经学过一些机械结构和工艺方面的知识,并且实验进行之前,教师已对电加工机理进行了讲解,故达到教师所设定的目标不难。

实验中教师在加工现场进行必要的讲解和演示,依据过去的教学经验,学生对这类实验不太重视往往走马观花。为解决这一问题,笔者将实验设定为3个步骤,即实验前、中、后。实验前将所设置的题目发给学生,要求学生了解本实验的教学目标和所需完成的任务;实验中要求学生利用自己手机的拍照、摄像功能详细记录所看到和所听到的,描述所闻到的,实验不得由其他同学替代,但可以讨论。实验后要求学生完成实验报告,报告要求图文并茂及必要的分析说明。实验报告不是按时提交即可,还须在课堂中展示交流,这一措施激励了大多数学生的上进心,同时也是复习和知识共享的过程,然后教师依据情况做适当补充。由于实验过程易操作,故学生们能够积极主动、仔细观察记录,有助于培养学生的探究精神。

“实验2”是为电火花加工基本规律这部分教学内容服务的,由于电火花加工速度较慢,实验课只利用机床做少量数据让学生进行观察,并要求学生记录机床的基本操作和主要功能,之后教师发给学生一些实际加工数据以及机床操作视频,要求学生在课后借助相关软件处理数据、总结规律,然后学生按要求完成实验报告,报告要求图文并茂,并在课堂中交流。为降低学生的难度,实验前同样会布置题目来引导学生进行总结,比如:在脉冲电流一定的情况下,随着脉冲宽度的增加,加工速度、表面粗糙度、放电间隙、电极损耗有什么变化规律？脉冲宽度一定,随着脉冲电流的增加,加工速度、表面粗糙度、放电间隙、电极损耗如何变化？并对这些变化进行初步分析;指出单个脉冲能量与脉冲电流和脉冲宽度的关系,脉冲能量和加工精度的关系。为了提高学生克服困难的信心,将往届学生的报告展示给学生,并分析报告的特点。让学生了解到,任务虽有一定的难度,但通过努力是可以实现的。为避免抄袭,每一届学生所给的数据不同。通过这一环节培养了学生探索、分析、总结的能力。经过几年的教学实践表明:绝大部分同学都能较好的完成任务,少数学生需要其他同学帮助。由于加工规律由学生自己总结,教师在后续的教学中只需围绕一系列加工规律进行补充说明,这样有助于调动学生的学习积极性,师生之间容易产生共鸣,这种带着任务去实验,再以多媒体手段进行课后补充学习的教学方式提高了课堂效率。

目前,电火花线切割机床的加工程序都可以通过编程软件来完成,因此,“特种加工技术”课程的教学内容中包含加工程序的编制和软件学习部分。要正确使用软件,首先应具备相关加工工艺知识。所以“实验3”设置为先在课堂上介绍相关工艺知识和编程原理,然后演示软件的使用。由于教学时数有限,软件的学习和掌握由学生在课后时间完成,为便于学生课后学习,教师将制作的多媒体课件提供给学生。具体做法是学生分小组自行设计零件,要求有外形和内孔的加工,经老师确认后,通过小组协作,利用线切割编程软件、运用理论课所学工艺知识完成零件加工程序的编制。为了帮助学生理清编程思路,同样设置了相关问题,比如:切割路径如何确定、丝的起点放在那里比较合适、零件的定位装夹方式与切割方向的关系、偏移量如何确定、编程过程中哪些参数的确定与零件加工精度有关。以上问题要求学生在撰写程序说明报告中表述清楚,并完成个人及小组的总结,其中注明小组成员的贡献。最后,学生在课堂中交流讨论,教师进行补充和总结。在实验中学生以特定项目为驱动,借助小组协作来完成任务,充分锻炼了学生的实际应用能力和协作精神。

4 形成性评价和教学内容、方法的修改

形成性评价即过程评价,它是为了更好地完成教学目标,促进教学过程能够顺利地进行并获得理想的教学效果而不断进行的评价。通过形成性评价教师能够及时了解教学目标的达成情况、学生在学习过程中存在的问题和发展情况,教师据此可以及时修改教学内容和教学方法。对学生而言,形成性评价是通过学生提交的实验报告、课堂讨论情况、学生的表现和表情以及小组协作学习的个人与小组总结进行。对教师而言,可以通过自我评价,也可以通过向学生征求改进教学的意见和方法来完成[10]。总之,通过形成性评价可以及时发现教学活动中存在的问题,及时调整教学内容和教学方法,使教学过程形成良性的循环。

5 结语

本文所涉及的教学设计,是笔者在教学实践中结合“特种加工技术”这门课的特点而做出的,虽然取得了一定的效果,但仍有一些需要补充、改进、细化的地方。如何更有效地组织教学过程以达到更好的教学效果还需要进一步的学习,比如学生学习兴趣的持续维持,学生的激奖励方法,协作学习小组的高质量交互等问题,以及网络和微信的充分利用,将学生手里的手机由玩具转变为学习工具等,笔者将在未来的教学工作中对上述问题进行不断地探索和实践。

[1]刘晋春,赵家齐,赵万生.特种加工(5版)[M].北京:机械工业出版社,2008.

[2]赵万生.先进电火花加工技术[M].北京:国防工业出版社,2003.

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[5]钱研.教学设计思想研究评述[D].长春:东北师范大学, 2006.

[6]杜惠洁.德国教学设计的理论与实践研究[D].上海:华东师范大学,2006.

[7]陈子超,蒋家傅.高校翻转课堂教学模式探索与实践[J].现代教育技术,2014,24(12):112-117.

[8]卓毅,李亚丽.基于智能手机的移动学习在大学生中的应用研究[J].西南师范大学学报(自然科学版),2014(5): 45-51.

[9]郑旭东,杨九民,苗浩.反思性实践的认识论:教学设计实践审视与教学设计人员成长的新视角[J].中国电化教育,2015(5):25-29.

[10]贾国瑞,赵慧洁,郭琦,等.网络教学融入高校工科专业基础课的实践——以“光电子技术”课程为例[J].高等教育研究学报,2016,39(1):96-100.

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

上海第二工业大学3门课程获批上海高校优质在线课程建设项目

1001-4543(2016)04-0338-05

2014-09-01

杨浩泉(1965–),女,广东广州人,副教授,硕士,主要研究方向为先进制造技术。电子邮箱hqyang@sspu.edu.cn。

上海第二工业大学校重点课程建设项目(No.A01GY13F023)资助

2016年1 2月,上海市教育委员会公布2016年上海高校优质在线课程建设项目名单。我校工学部夏天老师负责的“影视编辑与合成”、文理学部戴从喜老师负责的“诗经爱情诗十二讲”和经济与管理学院潘海兰老师负责的“电子商务系统分析与设计方法”3门课程获批立项。根据通知精神,本次立项的课程建设周期为2年,建设起讫日期为2016年11月到2018年10月。