CDIO理念下的電火花加工技術(shù)探究性實訓(xùn)

鹿德臺，馬建民，苗俊田，劉振東

(中國石油大學(xué)(華東)石油工業(yè)訓(xùn)練中心，山東 青島 266580)

“中國制造2025”“互聯(lián)網(wǎng)+”“新工科建設(shè)”等重大戰(zhàn)略的實施[1-2]，要求工科大學(xué)生必須掌握扎實的專業(yè)技能、良好的創(chuàng)新能力、較強的團隊協(xié)作能力，還要具備良好的工程實踐能力和工程素養(yǎng)。電火花加工技術(shù)已成為先進制造領(lǐng)域中不可或缺的重要組成部分，也是高等院校工程創(chuàng)新與訓(xùn)練課程的核心科目，電火花加工技術(shù)訓(xùn)練是培養(yǎng)大學(xué)生工程實踐能力、工程素養(yǎng)及創(chuàng)新能力的重要途徑。電火花加工技術(shù)課程的主要內(nèi)容包括電火花成型機的講解、電火花線切割兩種設(shè)備的結(jié)構(gòu)和操作，要求學(xué)生能夠獨立完成簡單零件加工，培養(yǎng)實踐操作技能；同時也介紹了電火花技術(shù)在特種材料、精密模具和精密微細加工等“一特二精”中的應(yīng)用[3]，開拓學(xué)生對先進制造技術(shù)領(lǐng)域的認識。由于課程形式分散、各機床操作訓(xùn)練相對獨立，學(xué)生參與工程應(yīng)用的實踐環(huán)節(jié)較少，存在重模仿輕應(yīng)用、缺乏綜合能力培養(yǎng)、創(chuàng)新訓(xùn)練效果不佳等問題。課題組結(jié)合“以學(xué)生為中心，以項目驅(qū)動為導(dǎo)向”的教學(xué)思想，將實訓(xùn)項目進行優(yōu)化整合，開展探究性實驗教學(xué)方案，以提升課程教學(xué)質(zhì)量。

1 課程設(shè)計理念

傳統(tǒng)的電火花加工技術(shù)實訓(xùn)教學(xué)多采用講授法和演示法，主要介紹機床結(jié)構(gòu)與原理，演示機床的操作，以學(xué)生能夠完成簡單實操訓(xùn)練、簡單模擬實際生產(chǎn)為教學(xué)目的。在電火花加工實訓(xùn)課程中引入CDIO(構(gòu)思(Conceive)、設(shè)計(Design)、實現(xiàn)(Implement)和運作(Operate))工程教育理念，即以項目設(shè)計為導(dǎo)向的能力培養(yǎng)，基于問題學(xué)習(xí)的教學(xué)模式[4-5]。電火花加工實訓(xùn)課程將DIY作品實物作為課程載體，引導(dǎo)學(xué)生通過對課程載體的分析、理解，進行項目設(shè)計、加工等，以項目驅(qū)動模式讓學(xué)生對電火花加工技術(shù)有直觀的認識。教學(xué)過程將緊密圍繞載體進行實踐創(chuàng)新訓(xùn)練，除了掌握機床安全操作任務(wù)外，以問題和案例引導(dǎo)學(xué)生開展頭腦風(fēng)暴，要求學(xué)生獨立設(shè)計制作作品，對載體進行設(shè)計，發(fā)揮想象創(chuàng)作作品，提高學(xué)生的創(chuàng)新思維。

2 建設(shè)先進的實踐教學(xué)體系

教學(xué)水平的提高離不開科學(xué)的教學(xué)體系，教學(xué)體系是由教學(xué)課程、實驗環(huán)節(jié)及教學(xué)手段、考核評估等組成的有機整體，是課程開展的指揮棒、指導(dǎo)書[6]。修訂前的實踐教學(xué)體系以理論知識、操作技能和考核方式進行分段建立，側(cè)重于以考試為最終結(jié)果的效果反饋，缺乏對教學(xué)過程的管理和考核，易造成學(xué)生重視測驗考試，缺乏學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新動力，忽略享受學(xué)習(xí)過程。通過本次探究性實驗項目，將進一步完善電火花加工技術(shù)教學(xué)體系，增加實踐教學(xué)和考核過程管理，優(yōu)化后課程教學(xué)體系如圖1所示。

2.1 實施“以問題案例為導(dǎo)向，引導(dǎo)與探究模式相結(jié)合”的混合式教學(xué)方法

采用先進的教學(xué)組織方式，促進學(xué)生學(xué)思結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生形成獨立批判性思維和創(chuàng)新思維，突出創(chuàng)新性的教學(xué)理念[7]，采用游戲互動式、同伴輔導(dǎo)和角色扮演式的教學(xué)手段，組織學(xué)生討論、探究，以問題、案例啟發(fā)引導(dǎo)學(xué)生開展創(chuàng)新性項目設(shè)計，培養(yǎng)創(chuàng)新能力。

圖1 優(yōu)化后課程教學(xué)體系Fig.1 Optimized curriculum teaching system

2.2 構(gòu)建“重過程表現(xiàn)、重實踐能力、重創(chuàng)新素質(zhì)”的多元化教學(xué)過程與考核過程測評體系

注重教學(xué)過程與考核過程管理，采用平時表現(xiàn)和技能操作相結(jié)合、學(xué)習(xí)過程和考核結(jié)果相結(jié)合、知識掌握和創(chuàng)新作品相結(jié)合的方式，測評體系既關(guān)注學(xué)生對基礎(chǔ)知識的理解和掌握，也重視學(xué)生對問題和案例的理解能力、解決問題的策略和評價，更關(guān)注對創(chuàng)新和實踐能力以及合作與交流方法等方面的評價。多元化教學(xué)過程管理與評價體系幫助學(xué)生認識自我、建立自信、激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識、創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力[8]。

3 優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)手段

電火花加工技術(shù)實訓(xùn)在原電火花線切割技術(shù)實訓(xùn)基礎(chǔ)上進行延伸和拓展，建設(shè)成具有深層次、創(chuàng)新性、趣味性的“以物易物”課程，要求學(xué)生觀察實物，發(fā)揮思維想象力，設(shè)計并制作物體模型。充分發(fā)揮學(xué)生在探究性實驗項目中的主體地位，調(diào)動學(xué)生參與實驗教學(xué)的積極性和主動性。課程實行模塊化、遞進式教學(xué)，立足理論認知、機床操作、軟件學(xué)習(xí)、創(chuàng)新設(shè)計，針對不同的實驗內(nèi)容實施不同的教學(xué)手段。

3.1 游戲互動式教學(xué)

理論認知部分：部分學(xué)生從未見過電火花加工過程，缺乏基本的了解和感性認識，如果直接理論講解電火花加工原理的核心知識點，學(xué)生很難理解。為解決此類問題，在教學(xué)設(shè)計中首先讓學(xué)生觀看機床生產(chǎn)加工過程，觀察從水流中竄出的飛濺火花，激發(fā)他們對電火花加工的興趣，并產(chǎn)生很多疑問，然后通過游戲互動的方式解釋這些疑問[9]，使學(xué)生直觀有效地理解電火花的加工原理。游戲中選出14位學(xué)生，分別站兩隊，每隊同學(xué)按3/3/1隊形站立，每隊隊形從俯視上觀察像一個“山丘”，“山丘”頂端代表材料在微觀下突出的點，電離后變成電子和離子，可將電子和離子假想成高速墜落的隕石，快速向?qū)Ψ讲牧献矒?，達到材料蝕除的目的。游戲互動式教學(xué)可以把微觀的放電過程通過游戲的方式呈現(xiàn)出來，使學(xué)生更容易理解和掌握，達到寓教于樂的目的。

3.2 傳幫帶式教學(xué)

機床操作部分：“傳”的教學(xué)內(nèi)容是傳授技能，主要介紹機床的結(jié)構(gòu)作用和安全操作規(guī)程，通過示教法演示機床的加工工藝流程，工藝流程的要點需要重點示范和強調(diào)說明，工藝流程的難點要示范準確無誤；“幫”的教學(xué)內(nèi)容是幫服學(xué)生，學(xué)習(xí)技能的過程需要吸收和消化，勢必需要勤學(xué)苦練，操作時難免出現(xiàn)錯誤，教師要及時答疑解惑，分析問題出現(xiàn)的根本原因，找到解決對策，避免問題再次出現(xiàn)；“帶”的教學(xué)內(nèi)容是引領(lǐng)學(xué)生，學(xué)生短時間的實訓(xùn)很難達到高超的技能，教師要總結(jié)經(jīng)驗和生產(chǎn)技巧，示范演示現(xiàn)代生產(chǎn)過程中的技術(shù)難點，帶領(lǐng)學(xué)生攻克技術(shù)壁壘?！皞鲙蛶А钡慕虒W(xué)宗旨是“傳”授能力，“幫”助成長，“帶”出水平。

3.3 團隊合作式教學(xué)

軟件學(xué)習(xí)部分：學(xué)習(xí)電火花加工機床的工程軟件，主要教學(xué)內(nèi)容是練習(xí)圖形的繪制，教學(xué)過程一般為教師示范演示，但由于授課時間短，教學(xué)信息量較大，學(xué)生獨立思考和操練學(xué)習(xí)比較困難。教師在單位時間內(nèi)精力非常有限，主要針對學(xué)生的共性問題進行解答，對于個性問題不能全面釋疑解惑，造成部分學(xué)生帶著問題去操作，不能高效完成工程素養(yǎng)訓(xùn)練。因此，可采用合作學(xué)習(xí)的同伴輔導(dǎo)教學(xué)法[10]，教師先示范軟件的操作過程，學(xué)生自愿結(jié)合進行分組，兩名學(xué)生組成同質(zhì)小組進行同伴輔導(dǎo)法學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)方式從“扶”轉(zhuǎn)變?yōu)椤胺拧?，有效促進學(xué)生之間互幫互助。通過相互輔導(dǎo)，可以解決部分學(xué)生的個性問題，使能力相對較差的學(xué)生得到有針對性的幫助，讓能力強的學(xué)生加深學(xué)習(xí)印象，學(xué)生之間相互促進，取長補短。

3.4 角色化探究式教學(xué)

創(chuàng)新設(shè)計部分：三維作品設(shè)計課程主要體現(xiàn)知識的綜合性應(yīng)用，課程內(nèi)容是設(shè)置一項具有較高挑戰(zhàn)、低風(fēng)險性的探究性任務(wù)，該任務(wù)要求3～4人共同完成，教學(xué)過程中采用小組合作學(xué)習(xí)法[11]，合作學(xué)習(xí)小組通過異質(zhì)模式組建，根據(jù)編程環(huán)節(jié)的教師打分，第一名與最后一名組成A隊，第二名與倒數(shù)第二名組成B隊，以此類推進行組隊，最后一隊不足3人不能組隊，分別加入到A隊或B隊。每隊在20min內(nèi)進行作品評選，確定優(yōu)勝制作方案。根據(jù)任務(wù)的不同分為負責(zé)人、設(shè)計師、工藝師三種角色，團隊內(nèi)優(yōu)勝方案設(shè)計者為負責(zé)人，主要負責(zé)團隊決策和作品總結(jié)，具有領(lǐng)導(dǎo)、分工和督導(dǎo)的作用。選出2人為設(shè)計師，要求其應(yīng)具有較好的空間想象和繪圖能力，主要負責(zé)繪制作品矢量圖，根據(jù)負責(zé)人的草圖并借鑒實物后空間想象出模型效果，并在軟件中繪制結(jié)構(gòu)合理的圖形，分解圖應(yīng)排列整潔緊湊，繪制完成的圖形另存為矢量格式后轉(zhuǎn)交給工藝師。工藝師應(yīng)具備較強的動手能力，主要負責(zé)把矢量圖轉(zhuǎn)換成機床加工零件，負責(zé)人檢驗零件的尺寸精度和表面光潔度是否合格，設(shè)計師和工藝師對加工零件進行表面處理和裝配。負責(zé)人填寫創(chuàng)意作品設(shè)計書，說明作品設(shè)計、作品來源、工藝排版圖、作品展示和作品成本說明等內(nèi)容，教師對成果進行成績評判。

4 注重多元化考評

為了激發(fā)學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)創(chuàng)新思維、提升工程意識，電火花加工技術(shù)探究性實訓(xùn)設(shè)計多元化考評手段，包括理論測驗、技能考評、圖形測驗及交流答辯四種考核方式，分別占總分的10%、20%、30%、40%。理論測驗采用手機掃碼進入網(wǎng)絡(luò)考評系統(tǒng)，要求在10min內(nèi)作答20道選擇題，考評系統(tǒng)自動檢測結(jié)果，及時評價理論知識的掌握情況。技能考評采用現(xiàn)場操作測驗，教師給定標準零件，通過現(xiàn)場加工測驗學(xué)生的勞動技能和操作規(guī)范，檢驗學(xué)生的動手能力和機床操作熟練度。圖形測驗也采用現(xiàn)場操作，在規(guī)定時間內(nèi)繪制完成標準圖形，與技能考評有所區(qū)別，技能考評由教師評分，圖形測驗采用匿名的方式由學(xué)生間互評，目的是提高課堂效率，提升學(xué)生參與度，為防止虛假打分教師要進行抽查檢驗。交流答辯是團隊綜合性測評，要求4人為小組完成作品匯報和撰寫作品設(shè)計書，學(xué)生通過制作設(shè)計書可以慎思團隊協(xié)作的重要性和個人貢獻度，梳理分析作品制作的問題和困難，總結(jié)作品的創(chuàng)意和實施方案，最終以圖文結(jié)合的方式進行匯報。多元化的考評方式能夠幫助學(xué)生認識自我、建立自信、激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。

5 結(jié)語

電火花加工技術(shù)探究性實訓(xùn)立項后，受到石油工業(yè)訓(xùn)練中心的高度重視，成立高水平課程教研改革小組，經(jīng)過研精致思的課程設(shè)計，建立了上述電火花加工技術(shù)實訓(xùn)教學(xué)方案，經(jīng)過兩年的教學(xué)實踐，電火花加工技術(shù)探究性實訓(xùn)使學(xué)生體驗到了學(xué)習(xí)的快樂，感受到了自己在課程教學(xué)中的主體地位，實現(xiàn)了學(xué)生對工程知識的態(tài)度從“要我學(xué)”到“我要學(xué)”的思想改變，實現(xiàn)了“以學(xué)生為中心”的教學(xué)目的。