CDIO理念下的電火花加工技術探究性實訓

鹿德臺，馬建民，苗俊田，劉振東

(中國石油大學(華東)石油工業訓練中心，山東 青島 266580)

“中國制造2025”“互聯網+”“新工科建設”等重大戰略的實施[1-2]，要求工科大學生必須掌握扎實的專業技能、良好的創新能力、較強的團隊協作能力，還要具備良好的工程實踐能力和工程素養。電火花加工技術已成為先進制造領域中不可或缺的重要組成部分，也是高等院校工程創新與訓練課程的核心科目，電火花加工技術訓練是培養大學生工程實踐能力、工程素養及創新能力的重要途徑。電火花加工技術課程的主要內容包括電火花成型機的講解、電火花線切割兩種設備的結構和操作，要求學生能夠獨立完成簡單零件加工，培養實踐操作技能；同時也介紹了電火花技術在特種材料、精密模具和精密微細加工等“一特二精”中的應用[3]，開拓學生對先進制造技術領域的認識。由于課程形式分散、各機床操作訓練相對獨立，學生參與工程應用的實踐環節較少，存在重模仿輕應用、缺乏綜合能力培養、創新訓練效果不佳等問題。課題組結合“以學生為中心，以項目驅動為導向”的教學思想，將實訓項目進行優化整合，開展探究性實驗教學方案，以提升課程教學質量。

1 課程設計理念

傳統的電火花加工技術實訓教學多采用講授法和演示法，主要介紹機床結構與原理，演示機床的操作，以學生能夠完成簡單實操訓練、簡單模擬實際生產為教學目的。在電火花加工實訓課程中引入CDIO(構思(Conceive)、設計(Design)、實現(Implement)和運作(Operate))工程教育理念，即以項目設計為導向的能力培養，基于問題學習的教學模式[4-5]。電火花加工實訓課程將DIY作品實物作為課程載體，引導學生通過對課程載體的分析、理解，進行項目設計、加工等，以項目驅動模式讓學生對電火花加工技術有直觀的認識。教學過程將緊密圍繞載體進行實踐創新訓練，除了掌握機床安全操作任務外，以問題和案例引導學生開展頭腦風暴，要求學生獨立設計制作作品，對載體進行設計，發揮想象創作作品，提高學生的創新思維。

2 建設先進的實踐教學體系

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

2.1 實施“以問題案例為導向，引導與探究模式相結合”的混合式教學方法

采用先進的教學組織方式，促進學生學思結合，培養學生形成獨立批判性思維和創新思維，突出創新性的教學理念[7]，采用游戲互動式、同伴輔導和角色扮演式的教學手段，組織學生討論、探究，以問題、案例啟發引導學生開展創新性項目設計，培養創新能力。

圖1 優化后課程教學體系Fig.1 Optimized curriculum teaching system

2.2 構建“重過程表現、重實踐能力、重創新素質”的多元化教學過程與考核過程測評體系

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

3 優化教學內容及教學手段

電火花加工技術實訓在原電火花線切割技術實訓基礎上進行延伸和拓展，建設成具有深層次、創新性、趣味性的“以物易物”課程，要求學生觀察實物，發揮思維想象力，設計并制作物體模型。充分發揮學生在探究性實驗項目中的主體地位，調動學生參與實驗教學的積極性和主動性。課程實行模塊化、遞進式教學，立足理論認知、機床操作、軟件學習、創新設計，針對不同的實驗內容實施不同的教學手段。

3.1 游戲互動式教學

理論認知部分：部分學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，學生很難理解。為解決此類問題，在教學設計中首先讓學生觀看機床生產加工過程，觀察從水流中竄出的飛濺火花，激發他們對電火花加工的興趣，并產生很多疑問，然后通過游戲互動的方式解釋這些疑問[9]，使學生直觀有效地理解電火花的加工原理。游戲中選出14位學生，分別站兩隊，每隊同學按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，快速向對方材料撞擊，達到材料蝕除的目的。游戲互動式教學可以把微觀的放電過程通過游戲的方式呈現出來，使學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

機床操作部分：“傳”的教學內容是傳授技能，主要介紹機床的結構作用和安全操作規程，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說明，工藝流程的難點要示范準確無誤；“幫”的教學內容是幫服學生，學習技能的過程需要吸收和消化，勢必需要勤學苦練，操作時難免出現錯誤，教師要及時答疑解惑，分析問題出現的根本原因，找到解決對策，避免問題再次出現；“帶”的教學內容是引領學生，學生短時間的實訓很難達到高超的技能，教師要總結經驗和生產技巧，示范演示現代生產過程中的技術難點，帶領學生攻克技術壁壘。“傳幫帶”的教學宗旨是“傳”授能力，“幫”助成長，“帶”出水平。

3.3 團隊合作式教學

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

3.4 角色化探究式教學

創新設計部分：三維作品設計課程主要體現知識的綜合性應用，課程內容是設置一項具有較高挑戰、低風險性的探究性任務，該任務要求3～4人共同完成，教學過程中采用小組合作學習法[11]，合作學習小組通過異質模式組建，根據編程環節的教師打分，第一名與最后一名組成A隊，第二名與倒數第二名組成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內進行作品評選，確定優勝制作方案。根據任務的不同分為負責人、設計師、工藝師三種角色，團隊內優勝方案設計者為負責人，主要負責團隊決策和作品總結，具有領導、分工和督導的作用。選出2人為設計師，要求其應具有較好的空間想象和繪圖能力，主要負責繪制作品矢量圖，根據負責人的草圖并借鑒實物后空間想象出模型效果，并在軟件中繪制結構合理的圖形，分解圖應排列整潔緊湊，繪制完成的圖形另存為矢量格式后轉交給工藝師。工藝師應具備較強的動手能力，主要負責把矢量圖轉換成機床加工零件，負責人檢驗零件的尺寸精度和表面光潔度是否合格，設計師和工藝師對加工零件進行表面處理和裝配。負責人填寫創意作品設計書，說明作品設計、作品來源、工藝排版圖、作品展示和作品成本說明等內容，教師對成果進行成績評判。

4 注重多元化考評

為了激發學習興趣、培養創新思維、提升工程意識，電火花加工技術探究性實訓設計多元化考評手段，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絡考評系統，要求在10min內作答20道選擇題，考評系統自動檢測結果，及時評價理論知識的掌握情況。技能考評采用現場操作測驗，教師給定標準零件，通過現場加工測驗學生的勞動技能和操作規范，檢驗學生的動手能力和機床操作熟練度。圖形測驗也采用現場操作，在規定時間內繪制完成標準圖形，與技能考評有所區別，技能考評由教師評分，圖形測驗采用匿名的方式由學生間互評，目的是提高課堂效率，提升學生參與度，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計書，學生通過制作設計書可以慎思團隊協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，總結作品的創意和實施方案，最終以圖文結合的方式進行匯報。多元化的考評方式能夠幫助學生認識自我、建立自信、激發學習興趣。

5 結語

電火花加工技術探究性實訓立項后，受到石油工業訓練中心的高度重視，成立高水平課程教研改革小組，經過研精致思的課程設計，建立了上述電火花加工技術實訓教學方案，經過兩年的教學實踐，電火花加工技術探究性實訓使學生體驗到了學習的快樂，感受到了自己在課程教學中的主體地位，實現了學生對工程知識的態度從“要我學”到“我要學”的思想改變，實現了“以學生為中心”的教學目的。