探討智能制造下的《切削原理與刀具》的課程教學(xué)設(shè)計(jì)

李軍利 王大中 張立強(qiáng) 王明紅

摘要：《切削原理與刀具》是機(jī)械工程專(zhuān)業(yè)的基礎(chǔ)課與必修課，主要介紹以切削加工為手段的金屬加工方法及常見(jiàn)的切削用刀具，具有理論性與實(shí)踐性較強(qiáng)的特點(diǎn)。在新一輪的工業(yè)變革、信息技術(shù)發(fā)展的背景下，培養(yǎng)適宜現(xiàn)代工業(yè)需求的機(jī)械工程專(zhuān)業(yè)人才顯得愈加重要。本文通過(guò)探討智能制造新專(zhuān)業(yè)下的《切削原理與刀具》教學(xué)方案優(yōu)化，通過(guò)教學(xué)內(nèi)容迭代，教學(xué)模式革新以及教學(xué)實(shí)驗(yàn)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，達(dá)到以學(xué)生為中心，產(chǎn)出導(dǎo)向，全面提升學(xué)生學(xué)習(xí)效能與綜合實(shí)踐能力的目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：智能制造;課程教學(xué);教學(xué)設(shè)計(jì)

1.引言

為推動(dòng)新一輪的科技革命與產(chǎn)業(yè)增量發(fā)展，各國(guó)都出臺(tái)了工業(yè)發(fā)展規(guī)劃，如德國(guó)的“工業(yè)4.0”，美國(guó)的“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟”，日本的“日本產(chǎn)業(yè)重振計(jì)劃”，韓國(guó)的“制造業(yè)創(chuàng)新3.0”以及我們國(guó)家的“制造2025”。在此背景下，從2017年以來(lái)，教育部積極推進(jìn)新工科建設(shè)，啟動(dòng)新工科人才培養(yǎng)的新機(jī)制，拓展工程教育改革的新思路與新路徑，助力高等教育的創(chuàng)新發(fā)展。智能制造是全球工業(yè)的必由之路，也是中國(guó)“制造2025”的核心與產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的重中之重。上海工程技術(shù)大學(xué)積極響應(yīng)國(guó)家“人工智能”、“互聯(lián)網(wǎng)+”與“智能制造”的號(hào)召，針對(duì)傳統(tǒng)工科學(xué)非所用、與企業(yè)失枝脫節(jié)的弊端，開(kāi)展了“智能制造”新專(zhuān)業(yè)建設(shè)，借助學(xué)校機(jī)械工程“一流學(xué)科”建設(shè)與工程教育認(rèn)證，對(duì)機(jī)械工程專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)方案進(jìn)行了較大的調(diào)整，培養(yǎng)適用現(xiàn)代科技發(fā)展和國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)需求，創(chuàng)新意識(shí)強(qiáng)，能夠在現(xiàn)代工業(yè)各個(gè)領(lǐng)域從事機(jī)械工程的設(shè)計(jì)制造、產(chǎn)品開(kāi)發(fā)及技術(shù)管理工作的高素質(zhì)、創(chuàng)新人才。

《切削原理與刀具》是現(xiàn)代裝備與控制工程專(zhuān)業(yè)的一門(mén)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課與必修課，主要介紹以金屬切削加工為主的金屬加工方法以及常用的加工刀具，分析金屬切削過(guò)程中材料的變形過(guò)程，引導(dǎo)并培養(yǎng)學(xué)生透過(guò)現(xiàn)象探尋本質(zhì)的能力，理論性與實(shí)踐性相輔相成。傳統(tǒng)的課程教學(xué)設(shè)計(jì)中，主要以授課教師課堂講授為主，學(xué)生參與度不高且難以評(píng)價(jià)，探討性、拓展性教學(xué)更是寥寥無(wú)幾。除此之外，課程知識(shí)因循守舊，陳言老套居多，與智能制造下的新工科模式、制造工藝往往應(yīng)者寥寥，學(xué)生所學(xué)與社會(huì)脫節(jié)情況可見(jiàn)一斑。因此，對(duì)于《切削原理與刀具》這門(mén)基礎(chǔ)與傳統(tǒng)必修課，如何開(kāi)展智能制造新背景下的教學(xué)改革，使得學(xué)生學(xué)習(xí)時(shí)甘之如飴，學(xué)成后能夠?qū)W以致用，是我們當(dāng)今面臨的新問(wèn)題與新挑戰(zhàn)。

2.《切削原理與刀具》課程教學(xué)設(shè)計(jì)

2.1 智能制造與金屬切削融合為一

《切削原理與刀具》的基本知識(shí)點(diǎn)涵蓋了金屬材料學(xué)、材料力學(xué)、大學(xué)物理、理論力學(xué)、大學(xué)化學(xué)以及機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)等多門(mén)學(xué)科的知識(shí)，因此課程的教學(xué)設(shè)計(jì)要綜合多門(mén)學(xué)科的基礎(chǔ)知識(shí)與、研究熱點(diǎn)與前沿技術(shù)，這樣才能保證課程的教學(xué)方案既能夠夯實(shí)基礎(chǔ)，又能夠推陳出新，引人入勝，不至于全篇是枯燥乏味的基礎(chǔ)知識(shí)，對(duì)當(dāng)前新技術(shù)、熱點(diǎn)技術(shù)全然不知。

《金屬切削原理與刀具》課程包括切削過(guò)程基本定義、刀具材料與角度、金屬變形過(guò)程、切削力與切削溫度、加工表面質(zhì)量、磨削以及各類(lèi)加工刀具等。除了少數(shù)章節(jié)知識(shí)點(diǎn)外，如刀具材料、切削力與溫度、加工表面質(zhì)量、各類(lèi)刀具等，都可以與智能制造有機(jī)融合。借助先進(jìn)的制造理念、智能化的傳感器、信息化與大數(shù)據(jù)技術(shù)，金屬切削過(guò)程正在由最早的“黑匣子”轉(zhuǎn)向?yàn)椤伴_(kāi)放式、可視化”，甚至基于VR的制造過(guò)程也已嶄露頭角。因此，在進(jìn)行該課程的課程大綱與教學(xué)方案設(shè)計(jì)時(shí)，如果能夠在知識(shí)點(diǎn)的講解上加以展示智能制造相關(guān)的實(shí)例，既能幫助學(xué)生進(jìn)一步鞏固現(xiàn)有的知識(shí)點(diǎn)，還能進(jìn)一步激發(fā)起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)他們具備一定的科學(xué)素養(yǎng)與工程認(rèn)知能力。

2.2 混合式教學(xué)模式

教學(xué)過(guò)程中容易存在兩個(gè)個(gè)誤區(qū)，一是傳統(tǒng)輸入型教學(xué)方法，多以照本宣科，按照教科書(shū)填鴨式灌入教學(xué)為主;另一種則是深受所謂的“反轉(zhuǎn)課堂”影響，提倡課程由學(xué)生主導(dǎo)，互動(dòng)式教學(xué)方式，稍微控制不當(dāng)就會(huì)放由學(xué)生聽(tīng)之任之，雖然課堂氛圍熱火朝天，但是實(shí)際上教學(xué)效果往往差強(qiáng)人意。

近年來(lái)網(wǎng)絡(luò)課程建設(shè)、精品課程建設(shè)、金課建設(shè)如火如荼，上述資料應(yīng)當(dāng)作為課程教學(xué)的借鑒與參考。同時(shí)教學(xué)者應(yīng)該要注重因材施教，因?yàn)槊恳粚玫膶W(xué)生都是不同的，基本素質(zhì)可能會(huì)有偏差，個(gè)體就更加大同小異了，而技術(shù)的發(fā)展卻是日新月異的，因此，每一次教學(xué)完成后，到下一年應(yīng)該對(duì)教材、教案乃至教學(xué)設(shè)計(jì)都進(jìn)行一次總結(jié)與更新。例如，借助多媒體、網(wǎng)絡(luò)短視頻、網(wǎng)絡(luò)精品課程等多媒體手段，結(jié)合信息化平臺(tái)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)“線(xiàn)下”教學(xué)與“線(xiàn)上”的有機(jī)結(jié)合。

總之，采用混合式教學(xué)方法，發(fā)揮多媒體視頻的優(yōu)勢(shì)，利用好信息化技術(shù)平臺(tái)技術(shù)如虛擬仿真、VR情景，改變傳統(tǒng)教師講授為主的填鴨式教學(xué)方法，根據(jù)教學(xué)內(nèi)容，合理運(yùn)用案例法、身份轉(zhuǎn)換法等以學(xué)生為主的教學(xué)手段，引導(dǎo)學(xué)生積極參與課程設(shè)計(jì)與學(xué)，及時(shí)對(duì)學(xué)生反饋信息進(jìn)行更新迭代，增強(qiáng)學(xué)生的獲得感與自信心，從而使得教學(xué)效果更顯著。

2.3 面向綜合工程能力培養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐

改革現(xiàn)有簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)為多樣化實(shí)驗(yàn)，《金屬切削原理與刀具》共有兩次課內(nèi)實(shí)驗(yàn)，分別為刀具角度測(cè)量、切削力測(cè)量試驗(yàn)。以往的實(shí)驗(yàn)課，大都采取教師現(xiàn)場(chǎng)演示，學(xué)生依葫蘆畫(huà)瓢的方式，效果往往差強(qiáng)人意。通過(guò)以往的教學(xué)過(guò)程與效果來(lái)看，部分學(xué)生到了試驗(yàn)課堂上兩眼一抹黑，根本不知道從何下手，試驗(yàn)課上臨時(shí)抱佛腳的大有人在。甚至在刀具測(cè)量試驗(yàn)課上，部分學(xué)生在做刀具角度測(cè)量時(shí)，將刀具擺放位置弄反而不自知;切削力測(cè)量試驗(yàn)課上，有的學(xué)生甚至都搞不清楚哪個(gè)是裝夾工裝，哪個(gè)是測(cè)力儀，而對(duì)于測(cè)力儀的測(cè)量切削力方向與機(jī)床坐標(biāo)系的對(duì)應(yīng)關(guān)系一頭霧水的同學(xué)也不在少數(shù)。凡此種種，試驗(yàn)課程的教學(xué)效果究竟如何可見(jiàn)一斑。

針對(duì)上述這些情況，有必要對(duì)試驗(yàn)課程的教學(xué)方案進(jìn)行變革，尤其是做好試驗(yàn)課程的前期準(zhǔn)備工作，對(duì)于試驗(yàn)課程的預(yù)期教學(xué)效果具有良好的促進(jìn)作用。具體而言，可以采用提前給學(xué)生布置好實(shí)驗(yàn)要求，明確試驗(yàn)的目的與一定的試驗(yàn)條件，但是不限定具體的試驗(yàn)方法，給予學(xué)生充分的準(zhǔn)備時(shí)間，以往的既定實(shí)驗(yàn)方案不提前公布，調(diào)動(dòng)學(xué)生自己去查資料，鼓勵(lì)學(xué)生提出不一樣的試驗(yàn)方法與手段。同時(shí)利用微信群、QQ群等方式與學(xué)生進(jìn)行及時(shí)、有效的溝通，對(duì)學(xué)生自己制定的試驗(yàn)方案尤其要注意多與學(xué)生溝通，避免部分學(xué)生試驗(yàn)方案出現(xiàn)原則性錯(cuò)誤的情況，加強(qiáng)對(duì)學(xué)生試驗(yàn)準(zhǔn)備過(guò)程的指導(dǎo)，發(fā)揮學(xué)生的主觀(guān)能動(dòng)性，改變傳統(tǒng)試驗(yàn)課程被動(dòng)式接收學(xué)習(xí)方式，

作為機(jī)械工程專(zhuān)業(yè)的必修課程，《切削原理與刀具》系統(tǒng)地闡述了金屬切削過(guò)程的工件材料在切削刀具的作用下發(fā)生的一系列彈塑性變形、斷裂行為、摩擦磨損行為以及在此過(guò)程中切削參數(shù)、工件材料性能、刀具材料與角度與切削力、切削溫度、切屑形態(tài)的變化規(guī)律，另外還介紹了常見(jiàn)的車(chē)、銑、鉆、磨等加工方式與刀具，對(duì)機(jī)械工程專(zhuān)業(yè)尤其是機(jī)械制造方向的專(zhuān)業(yè)知識(shí)支撐起著承前啟后的作用，在此背景下開(kāi)展《切削原理與刀具》的教學(xué)設(shè)計(jì)改革對(duì)于進(jìn)一步提高課程教學(xué)效果，培養(yǎng)新形勢(shì)下的社會(huì)主義價(jià)值體系下的專(zhuān)業(yè)人才具有重要意義。很有可能實(shí)驗(yàn)效果出人意料。這樣的多樣化實(shí)驗(yàn)方法也能促使學(xué)生開(kāi)動(dòng)腦筋，提高解決實(shí)際問(wèn)題的能力。通過(guò)增加實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)的內(nèi)容與課時(shí)，聚焦工程實(shí)際能力的培養(yǎng)，強(qiáng)調(diào)學(xué)有所用，讓學(xué)生在解決問(wèn)題的過(guò)程中把所學(xué)知識(shí)系統(tǒng)性地串聯(lián)起來(lái)，達(dá)到以學(xué)生為中心、產(chǎn)出導(dǎo)向、持續(xù)改進(jìn)的目的。

3.結(jié)語(yǔ)

在以互聯(lián)網(wǎng)、信息化技術(shù)為載體的全球工業(yè)智能化轉(zhuǎn)型發(fā)展的浪潮下，借助教育部“新工科”以及上海市教委“一流本科”建設(shè)契機(jī)，依托上海工程技術(shù)大學(xué)智能制造新專(zhuān)業(yè)平臺(tái)，開(kāi)展《切削原理與刀具》的教學(xué)設(shè)計(jì)改革是非常有必要而且合時(shí)宜的。通過(guò)對(duì)教學(xué)知識(shí)點(diǎn)的進(jìn)一步挖掘與更新，確保學(xué)生能夠在掌握知識(shí)點(diǎn)的同時(shí)更好地貼近工業(yè)應(yīng)用與前沿科技;通過(guò)混合式教學(xué)模式變革，充分利用互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)大數(shù)據(jù)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)“線(xiàn)下”與“線(xiàn)上”的相互交融，提高教師的授課輸出效能，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)獲得感與自信心;最后通過(guò)啟發(fā)式的課程實(shí)驗(yàn)，促使學(xué)生主動(dòng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，引導(dǎo)其解決工程實(shí)際問(wèn)題，使得學(xué)生真正做到學(xué)有所成，學(xué)有所用，成為社會(huì)主義新中國(guó)新征程的合格建設(shè)者與實(shí)踐者。

參考文獻(xiàn)

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