《高速切削技術(shù)》課程CDIO授課模式實踐與探討

葛英飛

(南京工程學(xué)院 機械學(xué)院，江蘇 南京 211167)

0 引言

自我國實施教育擴招政策以來，本科生的招生數(shù)量大幅度增加，高等教育大眾化使得更多的人能夠接受高等教育的同時產(chǎn)生了本科生素質(zhì)下降和就業(yè)難問題[1]。南京工程學(xué)院是全國高等學(xué)校教學(xué)研究會副理事長單位、全國應(yīng)用型本科院校專門委員會主任委員單位和國家“CDIO 工程教育模式改革研究與實踐”試點高校之一，該校一直秉承“學(xué)以致用”的辦學(xué)理念。近幾年，南京工程學(xué)院本科生的就業(yè)率一直保持在95%以上，但從用人單位的反饋意見來看，學(xué)生雖然基礎(chǔ)較扎實、肯干，但動手能力欠缺、團隊協(xié)作意識不夠，在一定程度上缺乏可持續(xù)發(fā)展能力。

目前，廣大本科學(xué)生對傳統(tǒng)的以滿堂灌、多媒體授課方式為主的工科教育模式有諸多不適應(yīng)[2]：（1）學(xué)習(xí)課程特別是專業(yè)課和專業(yè)限選課比較枯燥，書本上的知識偏重基礎(chǔ)理論或應(yīng)用基礎(chǔ)，不少知識點都落后于當(dāng)前的應(yīng)用技術(shù)；（2）講課基本以課堂講解教學(xué)為主，雖然輔以各種多媒體課件和CAI 課件，但學(xué)生的動手實踐愿望得不到滿足；（3）教學(xué)內(nèi)容與社會需求有較大差距，學(xué)生容易產(chǎn)生學(xué)習(xí)無用的思想。上述現(xiàn)象長期存在就造成學(xué)生學(xué)習(xí)興趣下降、課堂不注意聽講、學(xué)習(xí)主動差等問題，長此以往，學(xué)生產(chǎn)生懶散、不思進取、應(yīng)付考試的性格和行為方式，大大影響了他們的人格成長和品格修養(yǎng)。

那么如何提高本科生的培養(yǎng)質(zhì)量，培養(yǎng)高素質(zhì)人才，增強在社會上就業(yè)競爭力，提升可持續(xù)發(fā)展能力和后續(xù)學(xué)習(xí)深造能力是一個值得關(guān)注和研究的重要課題。突出實踐教育教學(xué)在應(yīng)用型人才培養(yǎng)中的重要地位，增強學(xué)生的動手能力、創(chuàng)新能力和現(xiàn)場解決問題能力是應(yīng)用型人才培養(yǎng)的客觀要求，也是市場的需要。

CDIO 模式是國外高等工科教育的一種創(chuàng)新模式，自上世紀(jì)末的開創(chuàng)到現(xiàn)在，已經(jīng)有十多年的發(fā)展歷史[3]。CDIO 理念提出了系統(tǒng)能力培養(yǎng)、全面實施指導(dǎo)、培養(yǎng)計劃、教學(xué)方法、學(xué)生考核、學(xué)習(xí)環(huán)境等創(chuàng)新模式[4-5]。CDIO 工程教育模式的核心目標(biāo)是提高工程人才培養(yǎng)質(zhì)量，特別注重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、實踐能力和團隊協(xié)作能力。機械工程專業(yè)作為培養(yǎng)工程實踐人才的學(xué)科，應(yīng)該以CDIO 工程教育理念為指導(dǎo)，開展教學(xué)實踐活動[6-7]。

高速切削技術(shù)自20 世紀(jì)70年代以來得到了突破性發(fā)展，目前幾乎所有與機械加工有關(guān)的國營或民企都有擁有高速切削機床或高速加工中心。然而，目前國內(nèi)外特別是我國在高速切削機床操作工人或高速切削工藝人員方面有很大缺口，且現(xiàn)有的工人其關(guān)于高速切削基礎(chǔ)理論和工藝方面的知識還比較欠缺，導(dǎo)致高速切削加工人才緊缺、加工成本較高、難加工材料高速切削加工問題較多?！陡咚偾邢骷夹g(shù)》課程是機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)各專業(yè)方向的一門專業(yè)選修課，其目的是使學(xué)生了解高速切削技術(shù)及其理論的興起、發(fā)展與特點，以及高速切削機床的基本結(jié)構(gòu)，掌握高速加工的主要工藝技術(shù)和裝備技術(shù)，并進一步了解高速加工機床控制系統(tǒng)、高速切削技術(shù)應(yīng)用和研究進展情況，使學(xué)生能夠具備一定的高速切削技術(shù)知識，為其畢業(yè)后從事相應(yīng)的專業(yè)工作打下必要的基礎(chǔ)。由于課時較少（24 學(xué)時），這門課長期以來是以講座的形式進行授課的，即主要以多媒體課件和動畫、影音為方法和手段，以課堂講授的形式進行介紹和講解，沒有任何實驗或?qū)嵺`環(huán)節(jié)。學(xué)生雖然對該門課程很感興趣，在課堂上也能注意聽講，但他們反應(yīng)總體收獲不大，很多知識無法理解和消化，更無法與工程實踐和工程實際相結(jié)合。

鑒于此，課題組將《高速切削技術(shù)》的CDIO 模式授課研究作為主要內(nèi)容，通過基于項目、實驗、實訓(xùn)的學(xué)習(xí)，激發(fā)學(xué)生的積極性和主動性，增強學(xué)生解決現(xiàn)場問題與研發(fā)創(chuàng)新的能力，以及團隊工作和溝通的能力。在具體教學(xué)方式和方法上將啟發(fā)互動式教學(xué)、問題式教學(xué)、協(xié)作式教學(xué)、案例式教學(xué)和情境式教學(xué)等多種教學(xué)方法有機結(jié)合，靈活運用，最大限度地提高教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果。

1 基于CDIO 理念的《高速切削技術(shù)》教學(xué)

根據(jù)《高速切削技術(shù)》對本科生的要求，將該門課總體分為以下六個部分：（1）高速切削技術(shù)概論；（2）高速切削基礎(chǔ)理論；（3）高速切削機床；（4）高速切削刀具；（5）高速切削工藝；（6）高速切削應(yīng)用及發(fā)展趨勢。根據(jù)上述不同部分的教學(xué)內(nèi)容特點，設(shè)計不同的教學(xué)方案和教學(xué)方法。

1.1 高速切削技術(shù)概論

這部分教學(xué)內(nèi)容重點要求學(xué)生了解常規(guī)機械加工技術(shù)的局限和瓶頸、高速切削技術(shù)產(chǎn)生的時代和社會背景，掌握高速切削的概念和內(nèi)涵。鑒于前幾年畢業(yè)生在畢業(yè)設(shè)計時普遍出現(xiàn)的開題報告不會撰寫或不符合規(guī)范、畢業(yè)論文的撰寫不符合科技報告或科技文獻規(guī)范的現(xiàn)象和事實，特在這部分授課內(nèi)容中鍛煉學(xué)生的文獻查閱和收集、撰寫科技綜述報告、制作PPT、上講臺陳述和表達等能力。為了解學(xué)生的能力現(xiàn)狀，這節(jié)課在網(wǎng)絡(luò)教室開展，以便學(xué)生當(dāng)堂上網(wǎng)查閱文獻。為了便于對學(xué)生學(xué)習(xí)情況進行考評，將學(xué)生按5～6 人一組分組，每組獨立工作，每組成員之間進行分工和協(xié)作，每組推薦一名成員上臺通過其制作的PPT 進行陳述和講解。課堂上發(fā)現(xiàn)，很多學(xué)生對于如何在網(wǎng)絡(luò)上查找和收集資料的相關(guān)知識和能力非常欠缺，如不知道那些網(wǎng)站可以查找并下載學(xué)術(shù)論文，不知道英文文獻如何查找，不知道查詢文獻時如何選擇和填寫檢索詞，不知道關(guān)鍵詞如何選擇等待，甚至相當(dāng)一部分學(xué)生竟然不知道學(xué)校圖書館中的數(shù)據(jù)庫資源情況及如何使用。很多學(xué)生上臺陳述時都比較緊張、表達能力和語言組織能力欠缺。通過這次課，學(xué)生對自己相關(guān)能力的短缺都有了較深刻的認識和反省，很多學(xué)生都表示在課后將對上述能力進行不斷訓(xùn)練和加強。

1.2 高速切削基礎(chǔ)理論

這部分教學(xué)內(nèi)容重點要求學(xué)生掌握高速切削的定義及其基礎(chǔ)理論。授課老師通過二戰(zhàn)后美國戰(zhàn)機經(jīng)常失事（空中解體）和冷戰(zhàn)時期的“東芝事件”等實例，建立高速切削基礎(chǔ)理論學(xué)習(xí)的情境，并通過介紹當(dāng)前高速機床操作工因為缺乏必要的高速切削基礎(chǔ)理論知識而在工程實際中不知道如何選取刀具和工藝參數(shù)造成廢品率和加工成本增加的現(xiàn)實，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)高速切削基礎(chǔ)理論的興趣。課后讓學(xué)生思考：薩洛蒙（Carl Salomon）提出的超高速切削理論在哪些方面需要進一步驗證或修正？在后續(xù)的課堂抽查中我們驚喜地發(fā)現(xiàn)，很多學(xué)生都給出了許多獨到的看法和解釋。通過這次考課可發(fā)現(xiàn)，學(xué)生的獨立思考習(xí)慣、創(chuàng)新意識有了明顯改善，可以推斷，經(jīng)過長期鍛煉，學(xué)生這方面的能力一定會有比較有明顯提高。

1.3 高速切削機床

這部分教學(xué)內(nèi)容我們一改以往運用多媒體和錄像進行課堂講授的授課方式，將普通機床拆裝實驗和五軸高速加工中心實訓(xùn)相結(jié)合，讓學(xué)生通過現(xiàn)場自己動手并觀察、對比普通機床和高速機床的傳動系統(tǒng)和進給系統(tǒng)存在著哪些本質(zhì)區(qū)別，在增加學(xué)生對知識點理解的同時，激發(fā)了他們的創(chuàng)新意識，增強了他們的創(chuàng)新信心。通過五軸高速加工中心實訓(xùn)，讓學(xué)生上機操作，學(xué)習(xí)編程初步，了解高檔數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)、機床本體和結(jié)構(gòu)，并通過五軸加工演示性實驗讓他們了解復(fù)雜曲面是如何加工制造出來的。課堂提出思考題：傳統(tǒng)意義上的高速機床存在哪些缺點？后續(xù)課堂抽查中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生的主動學(xué)習(xí)意識有了明顯提高，他們對并聯(lián)機床、高精密和超精密機床都做了深入的了解，并翻閱了不少相關(guān)的基礎(chǔ)理論知識書籍。

1.4 高速切削刀具和工藝

這部分教學(xué)內(nèi)容是本課程的重點，也是與工程實際聯(lián)系最緊的內(nèi)容，要求學(xué)生掌握高速切削技術(shù)對刀具提出了哪些新要求、影響高速切削的主要因素有哪些。本次課重點鍛煉學(xué)生的動手能力、實踐能力和解決現(xiàn)場問題能力。將刀具幾何角度測量、切削力和切削溫度測量和分析、刀具磨損、表面完整性評價（主要是表面粗糙度Ra 和表面變質(zhì)層深度）融合進這次課的教學(xué)。這次課老師不進行課堂講解，先由學(xué)生查閱相關(guān)文獻和資料，了解高速切削刀具技術(shù)和高速切削工藝技術(shù)的基礎(chǔ)知識，然后結(jié)合老師的科研項目，將實驗對象（高強度鈦合金）、各種幾何參數(shù)和材料的刀具分發(fā)給大家，學(xué)生分組后以組為單位分別完成刀具幾何參數(shù)測量、不同幾何參數(shù)和材料刀具高速切削高強度鈦合金時的切削力、切削溫度、刀具磨損和表面完整性試驗，最后對試驗結(jié)果進行分析并得出結(jié)論。通過這次課，學(xué)生對工件材料或刀具加工性研究的內(nèi)容和步驟有了深刻體會，并學(xué)會了方法和儀器設(shè)備的操作。在各個試驗過程中總會出現(xiàn)各種各樣的問題，如刀具后刀面磨損帶寬度如何精確判斷、切削溫度信號為何出現(xiàn)較大干擾等，學(xué)生們遇到這些問題時都會自覺聚集在一起，形成一個臨時團隊，現(xiàn)場思考和解決問題。這樣，當(dāng)他們走上工作崗位后，遇到類似問題就會很快上手，且會知道如何組織、協(xié)調(diào)一個團隊。

1.5 高速切削應(yīng)用及發(fā)展趨勢

這本分教學(xué)內(nèi)容在授課時，同樣先將學(xué)生分組，讓每個組都獨立地加工出一個鋁合金薄壁件。絕大多數(shù)學(xué)生在一開始加工出的薄壁件精度都很差甚至無法加工出一個工件，他們通過組與組之間的討論、交流，最終想出了各種解決的方法。通過這次課，深化了他們對高速切削的理解。通過文獻查閱，他們了解到了超高速機床、超高速切削、高速微進給切削等名詞及其內(nèi)涵，了解了高速切削技術(shù)的未來發(fā)展趨勢。

需要提出的是，在上述所有課時的教學(xué)過程中，學(xué)生每節(jié)課的成績都是各組之間相互評分，組內(nèi)學(xué)生相互評分的形式獲得的，課程結(jié)束后學(xué)生的總成績由平時成績自動獲得。

2 結(jié)論和建議

通過將CDIO 授課模式在《高速切削技術(shù)》課程中進行實踐，將項目化教學(xué)、啟發(fā)互動式教學(xué)、問題式教學(xué)、協(xié)作式教學(xué)、案例式教學(xué)和情境式教學(xué)相結(jié)合，將學(xué)生之前學(xué)過的多種課程如專業(yè)英語、金屬切削原理與刀具、機械制造技術(shù)、數(shù)控技術(shù)等，以及多個課程的實驗如機床拆裝實驗、切削力/切削溫度測量實驗、刀具幾何角度測量實驗、刀具磨損測量試驗、五軸機床實訓(xùn)等融匯貫通起來，使學(xué)生解決實際工程問題的能力，對現(xiàn)代工程所必須具備的關(guān)經(jīng)濟、社會方面知識的了解，參與現(xiàn)代工程的領(lǐng)導(dǎo)、決策、協(xié)調(diào)、控制的初步能力和管理素質(zhì)等方面的能力得到綜合性的提升。實踐證明，《高速切削技術(shù)》課程中使用CDIO 授課模式對提高學(xué)生的分析與綜合能力，掌握科學(xué)的思維方法有重要作用。由于這種授課模式是面向企業(yè)，面向工程實際，所以可以解決人才培養(yǎng)與市場需求脫節(jié)的局面。由于CDIO 授課模式是一項系統(tǒng)的工程，需要較多的時間讓學(xué)生思考、學(xué)習(xí)、實驗、實踐和解決問題，因此建議將該課程的24 學(xué)時增加至32 甚至40 學(xué)時，或者將若干相關(guān)課程組成高速切削技術(shù)課程群，以使學(xué)生得到更多、更全面、更系統(tǒng)的鍛煉。

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