《特種加工技術》課堂教學方法的思考

辛培防　向光波　樊利芳　裴雅晴

摘 要：本文側重對《特種加工技術》課程內容的前沿性、綜合性、實用性及專業(yè)性等特點，為避免課堂教學出現(xiàn)學生學習枯燥乏味的現(xiàn)象，結合自身多年工程實踐經(jīng)驗，及時發(fā)現(xiàn)當前課堂授課過程中存在的問題，提出課堂教學方法的幾點思考，進一步提升學生的課堂學習興趣，實現(xiàn)教學大綱規(guī)定的預期教學目標，為機械制造技術相關的課堂教學提供一定的教學參考。

關鍵詞：特種加工技術 課堂教學 教學方法

1 引言

20世紀以來，人類社會隨著工業(yè)經(jīng)濟實現(xiàn)跨越式的發(fā)展到知識經(jīng)濟時代。全球經(jīng)濟正處在一個動態(tài)的變革期間，制造業(yè)面臨更嚴峻的挑戰(zhàn)；世界各國越來越重視加工制造業(yè)的轉型，紛紛提出了各項應對政策：“美國提出“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”、德國提出“工業(yè)4.0”中國也提出了“中國制造2025””[1]。為了滿足在高溫、高壓、高速、重載、強腐蝕等苛刻環(huán)境工況條件下的工作要求，某些裝備和機載設備上大量采用了新工藝、新結構、高精度、新材料和復雜形狀的精密零件，這些零件采用傳統(tǒng)的機械加工方法難以達到加工精度要求；因此，新型特種加工方法應運而生，并被廣泛應用于工業(yè)制造、醫(yī)療、航空及軍事中[2]。

電火花加工是蘇聯(lián)拉扎連科夫婦受到開關觸點遭受火花放電腐蝕破壞的生活現(xiàn)象啟發(fā)，進而開創(chuàng)了特種加工的歷史。特種加工技術是將電能、光能、熱能、聲能、磁場能及化學能和機械能直接施加或通過按規(guī)則排列組合后施加到被加工毛坯件的部位上，從而實現(xiàn)材料的去除或鍍覆或材料改性的特種加工方法[3]?！短胤N加工技術》的課程涉及加工、工藝分析、工程材料、編程程序、化學原理、電工電子理論知識以及計算機輔助設計等多門學科交叉融合的綜合類課程體系，其課程內容比較晦澀抽象[4-5]。因此，授課教師的知識面要求相對全面；同時，學生要具有一定相關專業(yè)課及基礎課知識的理論基礎。該課程內容包含電火花成型加工（EDM）、線切割加工（WEDM）、電解/電鑄/涂鍍加工（ECM/EFM/EPM）、激光/電子束/離子束加工（LBM/EBM/IBM）、超聲/射流加工（USM）及光敏樹脂固化/粉末燒結/薄片疊加/熔絲堆積成型技術（CHP/SLA/SLS/LOM/FDM）和復合加工；本課程要求學生掌握各種加工技術的工藝原理、基本性能特點、適用范圍以及配套機床設備的結構組成和作用；同時，課程額外增加了“拓展提高”部分知識，便于學生課后對該部分知識進行拓展和鞏固。

《特種加工技術》作為機械及機電專業(yè)的一門專業(yè)必修課程，基于學校高水平應用型人才的目標培養(yǎng)方案：“以培養(yǎng)學生的創(chuàng)新設計意識和靈活思維能力，拓寬學生除傳統(tǒng)機加方法以外的特殊加工手段的掌握為最終目標”。面向本校機械工程學院21級機械設計制造及其自動化專業(yè)、21級機電一體化技術及21級工業(yè)機器人技術專業(yè)開設本門課程，通過對該課程的課堂授課和校內數(shù)控重點實驗室的案例實驗，使學生可以真正掌握和理解常用特種加工方法工藝的理論和規(guī)律，做到根據(jù)設計要求可以正確制定合理工藝方案并正確編寫加工程序的水平；此外，要求學生必須具備一定的實際動手操作能力。因此，本文結合我學院機械制造自動化專業(yè)、機電一體化專業(yè)和工業(yè)機器人技術專業(yè)的學生學習特點及《特種加工技術》課程教學過程存在問題，就如何進一步完善課堂教學方法及達到高效高質的教學效果，需要從課程的教學模式、教學方式以及實驗實習等方面進行持續(xù)優(yōu)化改進，為機械專業(yè)同行的課程教學提供參考，以期進一步提升課堂教學的質量和效能。

2 課程特點

《特種加工技術》的課程涉及加工、工藝分析、工程材料、編程程序、化學原理、電工電子理論知識以及計算機輔助設計等多門學科交叉融合的綜合類課程體系，其知識體系結構新穎、運用理論有一定深度、涉及知識面廣泛等特點，而且同類相關課程基本上都是在講解各特種加工方法，相互章節(jié)間相關性不大，基本獨立。具體可以總結為以下兩個方面：

1、理論涉及知識面廣泛。特種加工是一門涉及知識面非常廣泛的課程，既涉及力、熱、聲、光、電等基本物理知識，又包含機械設計、公差與互換性、機械制造工藝、數(shù)控加工技術等專業(yè)基礎知識，需要學生具備較為寬廣的基礎理論知識。

2、工程實踐性強。特種加工課程是一門與工程實踐密切結合度很高的實踐課程，只有不斷實踐反復印證理論基礎知識，才能真正掌握不同加工對象、不同加工工況所需要的特種加工方法，進而在以后步入該行業(yè)后才可以快速掌握基本知識并提升工程實踐的操作技能，真正做到學以致用。

3 課堂教學中存在的問題

1、課程內容抽象，學習興趣的持續(xù)性差。由于《特種加工技術》課程內容章節(jié)間關聯(lián)性不大、教學內容跨度較大、基本工藝規(guī)律較為抽象難理解、知識點繁雜；并加之本課程所涉及的能量來源、工藝方法、加工機理與傳統(tǒng)機械加工手段截然不同，絕大部分學生從來沒有接觸過，內容相對枯燥；同時，本學期授課對象為21級機械類、機電類專業(yè)的?？瓢鄬W生，學習能力和基礎相對較弱。因此，本課程起始階段學生們出于對知識點的缺乏和好奇而具有很高的聽課興致；但隨著課程的逐漸深入便覺的授課內容索然無味，總感覺所學知識距離他們很遙遠，學習興趣陡然下降甚至喪失，進而有了“得過且過、考試及格”的想法。當然，課程涉及的技術理論與原理深反而是影響大多數(shù)學生學習積極性高漲的一個普遍現(xiàn)象，如何在這種局面下帶動學生具有持續(xù)的高效的學習興趣是我們高校教學中需要面對和亟需解決的一個難題。

2、教學方法單一，學時較少。以我校機械工程學院《特種加工技術》為例，該課程本學期共設置24學時：教學20學時、實驗4學時。目前，上課普遍采用多媒體課件輔助相關圖片、視頻等資源，仍然沿襲傳統(tǒng)的填鴨的授課方式；學生被動的接受專業(yè)知識，主動思考能力慢慢減弱，導致在學習過程中難以形成深刻的理性認知和感性認識。在日前寬口徑人才培養(yǎng)模式下，由于課程有限的教學學時和特種加工技術的持續(xù)更新，導致課程教學內容與學時分配存在較大的不合理性；較少的教學學時使得采用傳統(tǒng)教學模式很難高效完成全部的教學任務，更難以取得良好的教學效果。如何優(yōu)化教學內容和有限學時合理分配的方案是當前特種加工技術教學過程需要重點關注的一個方面。

3、實訓設備不足，實驗操作不充分?！短胤N加工技術》是一門實踐性很強的學科，理論源于實踐同時也指導實踐，只有反復的實驗操作才能真正掌握該項加工技術。但是，特種加工技術涉及EDM、WEDM、ECM/EFM/EPM、LBM/EBM/IBM、USM、CHP/SLA/SLS/LOM/FDM等多項特種加工技術?？紤]到多數(shù)高校教學設備經(jīng)費有限和特種加工設備高昂的價格，學基本不可能配備齊全的實驗設備；僅有少量的特種機床設備供學生進行以點帶面的分組推薦單人演示實習，無法實現(xiàn)每位學生都可以親自動手參與操作；導致學生出現(xiàn)“親自操作的體驗感缺乏、動手能力進一步弱化、教學內容的深刻理解度降低”的問題。

綜上所述，為提升課堂授課質量和學生學習效果，迫切需要對《特種加工技術》課程的教學方法和教學手段進行持續(xù)優(yōu)化改進，確保為進一步培養(yǎng)創(chuàng)新型人才提供重要保證。

4 課程教改探索

針對傳統(tǒng)教學過程中被動灌輸式學習、實驗條件和設備有限、聽課效果不佳和教學效果差等部分問題，結合鄭州科技學院機械工程學院數(shù)控實驗室的現(xiàn)有機床資源；建議采用以下教學手段為學生提供一種沉浸式、體驗式和互動式的教學方法，進而提高本課程的教學效果和學習質量。

1、面向學習目標的小組教學模式。教學過程中引導學生主導思考、積極參與，通過教學反思評價學生學習目標的達成度。具體可按照以下步驟組織學習：興趣案例導入-明確學習目標-前序知識導入-核心課程參與討論-目標問題解決-重點難點總結。首先，課程教學過程會提前根據(jù)授課內容在班級內部進行合理分組并確定小組代表；其次，小組內部的討論和小組間的代表討論，該環(huán)節(jié)也是本模式的核心；最后，綜合分析并指導修正討論最終結果與學習目標的偏差。

2、案例啟發(fā)式教學手段?；趯W生對工程案例的趣味驅動，以“冰墩墩3D模型實物”為案例來講解快速成型技術，容易引起學生對該吉祥物如何設計加工制造的思考，進而提升學生學習該項課程的興趣和主動參與設計制造的迫切愿望。該教學案例的成型步驟如下：首先，利用三維計算機輔助設計或建模軟件建?；蛲ㄟ^三維掃描設備建立三維圖形；其次，3D模型轉為STL文件和打印路徑確認；再次，導入3D模型切片信息和切片路徑；最后，3D打印機打印并對粗糙的地方用銼刀進行打磨，保證光滑。因此，采用源于生活的案例導入教學，使學生對特種加工快速成型技術的理解和應用更深入到位，可以有效避免學生出現(xiàn)所學知識與特種加工技術間距離感的現(xiàn)象，提升教學質量和聽課效果。

3、校企聯(lián)合協(xié)同實踐實驗教學。面對我院《特種加工技術》課程配套特種機床配置數(shù)量有限的情況，需要依托企業(yè)設備資源優(yōu)勢進行校企聯(lián)合來實現(xiàn)全員參與實際操作的過程，有效彌補學校實驗設備有限的短板，鍛煉學生實踐能力。學生在學校進行基本理論學習與工件的理想加工實訓，但在企業(yè)需要對實際工件進行加工制造；校企聯(lián)合協(xié)同實踐真正做到“實踐中學習、學習中實踐”的目的，也有效彌補了理論教學與企業(yè)實踐之間的偏差，真正做到學以致用和指導社會生產(chǎn)的目的，實現(xiàn)高校和企業(yè)共同培養(yǎng)高技能人才的雙贏局面。

本實驗課題教學可參照《特種加工技術》中電火花線切割加工實驗，數(shù)控實驗室配套設備名稱：數(shù)控線切割機床；型號：CTW400TA。在校實驗學生可以在我院數(shù)控實驗室按照工件圖紙分析后采用3B手動編程的模式F4編寫程序、F7加工預演、F1x/y手動調整、靠邊定位、加工/高頻開啟、WireON＼PumpON、F8開始加工，最終加工成所需要的形狀；但是，本次程序編寫過程中未考慮鉬絲直徑和放電間隙的影響。通過校內實驗實訓后，學生基本掌握線切割加工的基本流程和系統(tǒng)操作，在此基礎上可以與校企合作單位聯(lián)系，讓學生入場實訓；實際電火花線切割加工件過程中，編程時需要充分考慮鉬絲半徑r和放電間隙S的影響，進而保證工件加工的尺寸要求。通過校內實訓和企業(yè)實踐，真正掌握切割加工編程。

4、考核模式的改革。綜合分析學生學習效果，對比傳統(tǒng)的“考試成績+平時成績+實驗成績”三段式考核手段，本課程建立高效的考核辦法，重點考核學生對《特種加工技術》中專業(yè)知識的領悟能力和應用能力，規(guī)定將《特種加工技術》課程考核的內容分解為以下四個部分：試卷考察（占比40%）、專題PPT匯報（占比20%）、校內或企業(yè)實踐成果（占比30%）、課堂討論參與度（10%）。試卷考核側重于對本課程基本知識的理解和運用方面，以少量自主創(chuàng)新能力提高型題目為輔，檢測學生采用特種加工技術分析問題和解決問題的能力；專題PPT匯報各班級小組根據(jù)本組的需求自主選題、相關文獻資料搜索及分析研究、形成匯報PPT、教師和小組代表分類點評；校內或企業(yè)實驗成果按照各自設計加工圖形進行綜合評比；課堂參與度主要根據(jù)出勤狀況和課堂回答問題的參與度進行記錄。

5、科研反哺促進教學成效。在研究性教學過程中，利用翻轉式課堂教學，以學生自主討論研究為主，以教師指導為輔。在授課過程中對科研項目中的部分與本課程相關的內容進行抽絲剝繭，分類分層細化程若干小模塊或小問題，利用所學知識，讓學生主導參與、逐個解決，最終完成整體的方案。充分調動學生學習的興趣和探究熱情，寓教于研，研教相輔相成，獲得事半功倍的效果。如果在此過程有興趣參與教師科研項目研究的，可以根據(jù)學生自己的愛好和知識專長從事科研項目某個板塊的研究，進一步加深對該課程的學習成效，也為后續(xù)學生畢業(yè)課題的設計提供一定的設計基礎。

5 結束語

本文以《特種加工技術》課程作為案例，對課程特點帶來教學過程中存在的被動的灌輸式學習、實驗條件和設備有限、聽課效果不佳和教學效果差等問題，提出了面向學習目標的小組教學模式、案例啟發(fā)式教學手段、校企聯(lián)合協(xié)同實踐實驗教學、考核模式的改革、科研反哺促進教學成效等部分改進建議和思路策略。經(jīng)過近年來的教學結果對比：提出的教學模式可以讓學生自行查閱相關文獻資料、視頻資源等學習信息的能力和綜合表達能力極大提升，而且可以取得更好的教學效果，可為本課程的教學提供一定的參見借鑒。

參考文獻：

［1］雍玖，王陽萍，黨建武．面向新工科的“虛擬現(xiàn)實+先進制造”協(xié)同創(chuàng)新實踐教學體系探索［J］．計算機教育，2021（8）：57-59．

［2］梅華平，李玉梅，李濤．智能制造背景下地方本科院校機械工程應用型人才培養(yǎng)研究［J］．裝備制造技術，2018（9）：196-198．

［3］靳敏，牛俊，張學明．特種加工技術（“互聯(lián)網(wǎng)+”創(chuàng)新型教材）［M］．北京郵電大學出版社，2021．

［4］張瑞平．精密與特種加工技術課程的教學改革研究［J］．教育現(xiàn)代化，2017（8）：121-122．

［5］張佳樂，郝旭暖，周逸飛，賈財良．高職《特種加工技術》課程教學改革研究［J］．張家口職業(yè)技術學院學報，2018（12）：79-80．