机械专业学生批判性思维培养中的问题设计与启发规律

侯宁 尚晓峰 孔宪俊 王奔 李跃中

摘  要：批判性思维对培养机械专业学生的创新能力具有重要作用，文章以金属切削技术课为例，提出批判性思维训练中的问题设计与启发规律。其中，设计问题的主要途径为理论自身发展中的矛盾、不同理论之间的矛盾、理论与实践之间的矛盾、实践认识过程中的矛盾及不同实践之间的矛盾。结合机械专业课教学内容，科学合理地设计问题有助于学生掌握提问方法、养成提问习惯，从而形成批判性思维。

关键词：机械专业;批判性思维;问题设计;金属切削技术

中图分类号：G642      文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2022）15-0103-04

Abstract： Critical thinking plays an important role in cultivating the innovative ability of mechanical major students. Taking the course of "Metal Cutting Technology" as an example， this paper puts forward the rules of problem design and inspiration in the training of critical thinking. The main ways of design problems are as follows： first， the contradiction in the development of theory itself; second， the contradiction between different theories; third， the contradiction between theory and practice; fourth， the contradiction in the process of practical cognition; fifth， the contradiction between different practices. Combining with the teaching content of mechanical major courses， the scientific and reasonable design of questions is helpful for students to master questioning methods， develop questioning habits and form critical thinking.

Keywords： Mechanical specialty; Critical thinking; Problem design; Metal cutting Technology

制造業是国民经济的主体，是立国之本、兴国之器、强国之基。“中国制造2025”规划中指出：坚持走中国特色新型工业化道路，以促进制造业创新发展为主题，促进产业转型升级，培育有中国特色的制造文化，实现制造业由大变强的历史跨越，完善多层次多类型人才培养体系[1]。其中，机械制造业在服务与支撑“制造强国”战略中具有不可替代的作用，为其他行业（航空、航天、航海、汽车及能源等）提供重要的生产装备。然而，随着第四次工业革命的到来，制造业正朝着数字化、网络化和智能化方向快速发展，新技术、新模式及新业态层出不穷。这对机械专业学生的创新能力提出了更高要求，培养创新能力的重要途径之一是学生接受批判性思维训练。目前，培养批判性思维能力的课程分为：独立的批判性思维课程和渗透于专业学科课程的“融合课程”[2]。独立的批判性思维课程重点训练批判性思维方法、态度和习惯。但是，这种模式不利于将一般化的批判性思维方法迁移到特定领域;如果产生迁移，则需要在相应领域进行有针对性的训练。因此，把批判性思维训练渗透于专业课教学中是一个有效的途径。机械工程是研究设计制造理论和实际问题的应用学科，为开展批判性思维训练提供了良好的载体。在批判性思维训练中如何提出问题至关重要，而提出问题离不开具体的背景知识。所以，在机械专业课教学中科学设计问题并合理启发是培养学生批判性思维能力的关键。本文通过对金属切削技术课教学过程中学生批判性思维能力培养实践经验的分析、归纳和概括，进而凝练出机械专业学生批判性思维培养中的问题设计与启发规律，希望对其他专业课程具有一定的参考意义。

一、批判性思维训练中问题的作用与提出

批判性思维是对背景条件、相关因素、知识储备及研究方法进行合理运用和思考，以便决定相信什么或者做什么的有目的、反思性的判断过程，它的目的是利用推理来理解和解决问题[3-4]。根据这个概念可知：问题是训练批判性思维的起点，只有提出问题才能带来深刻的逻辑思考。因此，在机械专业课教学过程中结合具体知识点设计相应的问题，是培养学生批判性思维能力与习惯的重要途径。为了科学合理地设计问题，需要掌握问题的生成规律与策略。问题是根据已经掌握的事实或知识，探求未知寻求正确的答案。常见的问题形式包括“什么”“为什么”“怎么”等，包含“什么”的提问有助于弄清特定的事实资料，包含“为什么”的提问有助于获取现象背后的根本原因，包含“怎么”的提问有助于描述事情的详细经过[5]。

问题反映了目标与行动之间的矛盾，找到矛盾主体是提出问题的依据。矛盾主体主要存在于以下方面：（1）理论发展过程中产生的矛盾;（2）不同理论之间的矛盾;（3）理论与实践之间的矛盾;（4）实践认识过程中产生的矛盾;（5）不同实践之间的矛盾。在专业知识教学中找到这些矛盾主体可以提出有启发价值的问题，对培养学生的批判性思维能力具有重要意义。

二、金属切削技术课教学中的问题设计与启发

本文以金属切削技术课为例进一步讨论批判性思维训练过程中的问题设计与启发规律。“金属切削技术”是研究利用刀具将工件上多余材料去除，以获得满足设计要求的加工精度和表面质量的一门技术科学[6]。该门课是专业基础课，为后续的金属切削机床和机械制造工艺学课程以及专业课程设计、毕业设计提供必要的基础知识。同时金属切削技术课还涉及材料学、力学、热学和化学等相关理论。所以，该门课既有一定的理论深度又有较强的应用属性，需要学生对课程内容进行批判性思考才能完成理解、掌握、使用的学习过程。为此，在教学过程中通过老师主动提出问题，一方面向学生传授提问的方法，另一方面帮助学生养成提问的习惯。在此基础上，鼓励学生积极大胆地独立提出问题，进而达到培养学生批判性思维的目的。根据批判性思维训练中问题的作用与提出规律，金属切削技术教学中的问题设计分为以下类型。

（一）从理论发展过程中产生的矛盾方面设计问题

理论的提出、完善、发展是不断否定旧知识、创建新知识的过程，这个过程中伴随着问题的提出与解决，因此在教学过程中对专业理论发展脉络进行梳理是设计问题的主要途径之一。

切削速度的范围是多少？

切削速度是切削用量三要素之一，对加工质量和效率具有重要影响。在讲解切削速度的概念和计算公式后，提出切削速度范围是多少的问题。该问题可以激发学生踊跃讨论，学生们会提出切削速度的范围从十几米每分钟到几百米每分钟。根据学生们的讨论结果，对切削速度的范围进行分类引出高速切削技术。与传统切削技术相比，高速切削技术发生了质的飞跃，其单位功率的金属切除率和刀具使用寿命大幅提高，切削力和切削热明显降低[7]，如圖1所示。通过讲解切削速度从低到高的变化过程，使学生明白提出问题在技术创新发展中的重要作用。同时，启发学生大胆猜想切削速度是否可以进一步提高，提高到什么程度。

图1 高速切削温度变化规律

（二）从不同理论之间的矛盾方面设计问题

理论的对立现象说明理论的成立需要一定的前提条件。通过对不同理论进行比较分析可以加深对客观事物的认识、不断扩展理论的应用范围。

前刀面磨损与后刀面磨损条件的区别是什么？

前刀面磨损通常发生在切削塑性材料、切削厚度较大及切削速度较高时;后刀面磨损发生在切削塑性材料及铸铁、切削厚度较小及切削速度较低时[6]。在讲授该知识点的过程中，可以通过设计问题启发学生思考前刀面磨损与后刀面磨损条件不同的原因是什么。为了回答该问题，学生需要回忆起切削厚度的概念及切削速度对切削温度的影响。例如，当切削厚度和切削速度较小时，刀具的切削作用变弱，主要以挤压摩擦为主，容易引起后刀面磨损。在理解了前刀面和后刀面磨损条件不同的原因之后，学生将明白如何控制切削用量减小刀具磨损。

（三）从理论与实践之间的矛盾方面设计问题

实践对理论具有决定作用，理论对实践具有指导作用，理论和实践是相辅相成的、辩证统一的关系。客观事物处于不断的发展变化之中，理论也要随着实践的发展而发展，做到理论和实践的统一。

为什么理论粗糙度不等于测量粗糙度？

表面粗糙度是指加工表面的微观几何形状误差，对零件的配合性质、耐腐蚀性、耐磨性和疲劳性能具有重要影响，因此需要掌握加工表面粗糙度的大小[6]。如果把切削刃看作几何学的线，它相对于工件运动所形成的已加工表面的微观不平度称为理论粗糙度，如图2所示。但是，理论计算的表面粗糙度并不等于实际测量的表面粗糙度，这时可以设计问题关于理论与实际粗糙度不同的原因是什么。学生们经过交流后提出不同原因，如切削振动、工件材料缺陷、积屑瘤及鳞刺等因素。通过该问题的讨论，首先可以培养学生的独立思考能力;其次可以使学生联系以往学过的知识点，做到学以致用;最后可以顺其自然地引出后续知识点，如何减小表面粗糙度，从而增强学生解决实际工程问题的能力。

图2 理论粗糙度

（四）从实践认识过程中产生的矛盾方面设计问题

认识是以实践为基础的辩证发展过程，实践是认识的出发点、动力、条件和归宿，认识开始于实践，在实践中才能获得认识和经验。通过在实践认识过程中的矛盾处设计问题有助于掌握本质和规律。

1. 刀具材料组成元素的选用依据是什么？

刀具被喻为工业的牙齿，刀具材料的成分对其性能具有直接影响。例如，高速钢是一种含钨、钼、铬和钒等合金元素较高的合金工具钢[6]。硬质合金是以高硬度、难熔的金属化合物微米级的粉末，用钴、镍等金属做黏结剂在高温高压下烧结而成的粉末冶金制品[6]，如图3所示。在讲授不同刀具材料的组成元素时，可以设计问题关于为什么含有这些元素、其主要作用是什么等。学生通过讨论会发现钨、钼等合金元素具有硬度高、耐磨性好的特点，进而加深对刀具材料性能的理解和掌握。在此处设计问题的好处是：首先，有助于使学生理解控制刀具材料性能的本质是什么，进而明白从哪个角度改进刀具性能;其次，在使用刀具时提前预判与哪些工件材料产生反应进而避免刀具磨损，如YT类硬质合金不适合切削钛合金;最后，有助于分析刀具磨损机理，优选刀具材料。

2. 切削变形的表示方法是什么？

金属切削过程会产生三个变形区，如何表示切削变形程度是研究金属加工的重要问题。因此，在学习该知识点时可以向学生提出两个问题：一是为什么要学习切削变形的表示方法;二是用什么指标评价切削变形。通过讨论使学生明白切削变形的定量表示可以控制切屑形成过程、预测切削力的大小。利用观察切屑形成过程视频，启发学生找到切削前后切屑形状和尺寸的变化规律，进而引出厚度变形系数和长度变形系数。所以，在此处设计问题可以培养学生独立探索知识的能力，提高学习的乐趣与积极性。

图3 不同刀具材料

（五）从不同实践之间的矛盾方面设计问题

通过对不同实践情况进行比较，可以找到事物之间的异同之处。在该处设计问题可以训练学生的类比思维以及知识的迁移能力。

镗削内孔时刀尖安装位置对工作角度的影响是什么？

在讲授车刀的标注角度时忽略了进给量的影响，并将切削刃选定点安装得与工件轴线等高[6]。然而，在实际车削外圆时，当刀尖高于工件回转轴线时，切削平面与基面向逆时针方向发生偏转，刀具工作前角大于标注前角，而工作后角小于标注后角，如图4所示。为了培养学生的批判性思维能力，在讲解完车削外圆刀尖安装位置的影响后，提出问题关于镗削内孔时刀尖安装位置对刀具角度的影响是什么。车削外圆与镗削内孔是两个正好相反的加工情况，在此处设计问题既有一定的难度又可以考察学生灵活运用知识的能力。参考车削外圆的知识点，学生们讨论了两种答案：一种是与车削外圆类似;另一种是与车削外圆相反。通过讨论，学生们加深了对知识点的理解，也培养其举一反三解决不同问题的能力。

以上关于金属切削技术课程教学中的问题设计与启发规律在机械1705-1706班和机械1805-1806班得到了较好的实践。通过在教学过程中科学合理地设计问题，首先使学生能够把注意力集中到课堂内容学习上;其次增加了学生主动思考、独立思考的积极性;最后提高了学生分析问题与解决问题的能力。金属切削技术课程的教学实践表明本文提出的问题设计与启发规律具有可行性，对培养学生的批判性思维方法与习惯具有重要意义。在课堂教学中老师主动提出问题是训练学生独立提问的前提基础，学生可以从老师设计的问题中获得提问的方法与途径。此外，还应该营造一种平等、自由、灵活的课堂氛围，鼓励学生积极大胆地提问，从而使学生养成爱提问的习惯。

三、结束语

批判性思维对培养学生的创新能力至关重要，为此本文以金属切削技术课为例，提出了在培养学生批判性思维中的问题设计与启发规律。在专业课教学中设计问题的途径包括：（1）从理论自身发展中的矛盾方面;（2）从不同理论之间的矛盾方面;（3）从理论与实践之间的矛盾方面;（4）从实践认识过程中的矛盾方面;（5）从不同实践之间的矛盾方面。结合专业课教学内容，从这五个方面设计问题对启发学生批判性思考、掌握提问方法及养成提问习惯具有积极的意义。

参考文献：

[1]徐菊芳.“中国制造2025”背景下机械设计制造类专业群建设策略[J].长沙大学学报，2019，33（2）：18-22.

[2]陈振华.批判性思维培养的模式之争及其启示[J].高等教育研究，2014，35（9）：56-63.

[3]李剑锋，刘桂珍.论批判性思维训练的途径及其问题[J].西北师大学报（社会科学版），2006，43（3）：63-67.

[4]彼得·范西昂，都建颖，李琼.批判性思维：它是什么，为何重要[J].工业和信息化教育，2015（7）：10-27+41.

[5]张掌然.问题的哲学研究[M].北京：人民出版社，2005.

[6]庞丽君，尚晓峰.金属切削原理[M].北京：國防工业出版社，2009.

[7]李长河，丁玉成，卢秉恒.高速切削加工技术发展与关键技术[J].青岛理工大学学报，2009，30（2）：7-16.