知識結構圖在“機械制造技術基礎”課程教學中的設計與應用

于愛兵，施晨淳，李錦棒，婁軍強

（寧波大學機械工程與力學學院，浙江 寧波 315211）

0 引言

目前，為了提高課程教學質量，知識圖譜、知識結構圖、思維導圖、概念圖等知識可視化工具逐漸應用于各類課程教學中。例如，范玉雷等[1]將知識圖譜導入到“計算機組成原理”課程的教學過程，劉兵等[2]在“農業生態學”教學過程中應用了知識結構圖，張翠紅[3]將概念圖應用于“針灸學”課程教學中，紀燕玲[4]在“微生物學”和“普通真菌學”兩門課程的教學中應用了思維導圖。應用知識可視化方法可以提供一種簡單、實用、清晰的知識表征手段，有助于幫助學生快速建立課程的知識結構體系，實現課程知識點之間的有機聯系和整合，提高學習興趣和學習效率、鍛煉學生的深度思考能力，促進學生與老師之間的互動，從而獲得良好的教學效果。

1 課程應用知識結構圖的必要性

“機械制造技術基礎”是機械設計制造及其自動化專業的核心專業課，是培養機械類高級工程技術人才的重要課程。國家教學指導委員會設置了“機械制造技術基礎”這門課程，本課程由機械專業原有的“金屬切削機床設計”“金屬切削原理及刀具”“機床夾具設計”和“機械制造工藝學”等4 門課程整合而成，需要學生及時復習先修課程中與本課程相關的知識，才能深入理解和掌握本課程所包含的技術和知識內容。因此，本課程具有教學內容多[5]、知識面廣、知識結構復雜、知識體系豐富等特點，學生普遍感覺課程的知識點多、抓不住重點、學習難度大、缺乏系統清晰的學習思路，難以理解和掌握本課程中涉及的各項制造技術知識內容。

知識結構圖是用來組織和表征知識的工具[6]，是一種用圖形來表達知識的方法。知識結構圖通常采用節點與連線的表達形式，節點以圓圈或方框表示，每個節點代表一個概念或知識點，節點之間的連線代表概念或知識點之間的關系，在節點之間的連線上還可以用文字進行標明，以進一步說明概念或知識點之間的關系。此外，還可以配有相關示意圖，以增加知識的生動性和趣味性。因此，在“機械制造技術基礎”課程的教學中，采用知識結構圖可以簡單、清晰表達出本課程的知識體系和知識內容以及知識點之間的關系，解決學生在課程學習中遇到的上述問題，有助于提高課程的教學質量。

2 課程整體知識結構圖設計

通過對“機械制造技術基礎”課程的教學內容進行梳理和整合，可以發現，如果以工藝規程為課程教學主線，構造出一個將毛坯加工成零件并完成裝配的完整工作內容，便很容易將本課程涉及的各部分知識串聯起來。課程選用了盧秉恒主編的《機械制造技術基礎》（第4 版，機械工業出版社）教材，圖1 為本課程教學內容的知識結構圖。

圖1 中以汽車發動機的制造過程為工程實例，首先進行汽車發動機零件的機械加工，然后再將加工好的零件裝配成發動機。在零件的機械加工過程中，涉及加工方法、機床、刀具、夾具、切削用量、加工質量檢測以及加工工藝等內容，在機器裝配過程中涉及裝配工藝內容。在圖1 中，上述內容分別與教材的6 個章節相關聯，通過這個知識結構圖，學生很容易知曉各章節知識在產品制造過程中的作用。因此，通過圖1學生就很容易將本課程的教學內容串聯起來，指導學生以全局角度了解本課程的知識結構，理解教材各個章節所學知識的工程應用，掌握個章節之間的關系，使學生對眾多、復雜的課程內容和不再感到混亂和迷茫。

3 章節知識結構圖設計

盧秉恒主編《機械制造技術基礎》教材一共包含六章，筆者根據教材分別設計并制作了教材每一章的知識結構圖，以生動、有趣的圖片描述課程每章應該掌握的知識內容以及知識點之間的關系，從而幫助學生以簡單、輕松、有趣的方式系統學習和掌握本章的各部分知識內容。這里，以“第四章機床夾具原理與設計”為例，說明“機械制造技術基礎”課程中章節知識結構圖的設計。“機械制造技術基礎”課程第四章的知識結構圖如圖2 所示。

圖2 課程第四章知識結構圖

在課堂教學中，第四章的教學重點是機床夾具的原理部分的內容，而機床夾具設計部分內容主要在后續的課程設計中通過實踐教學環節完成，不作為本課程課堂教學的主要內容。首先，通過工件在機床的兩種裝夾方法，引出機床夾具的教學內容。然后，將機床夾具的教學內容劃分為三個部分：夾具基礎知識、工件定位方式、定位誤差分析計算，從而構成本章課堂教學內容的三個主要組成部分。最后，將每部分的教學內容進行細分，并指出本章內容的相關知識點。例如，工件的定位方式內容包括四個方面內容：以工件平面定位方式、以工件圓孔定位方式、以工件外圓定位方式、組合定位方式。這些定位方式內容的基礎理論知識為：六點定位原理。要掌握上述四種定位方式，學生需要具體掌握相應的定位元件，對于組合定位方式，更需要全面掌握各種定位元件所能夠限制的自由度。為了使知識結構圖更加生動形象，可以在圖中添加一些圖片，如圖2 中所示的工件裝夾圖片示意圖、機床夾具示意圖。當然，如果圖片的空間足夠，各類定位元件以及各類機床夾具等內容也可以用示意圖來表達。這樣，知識結構圖的圖片就更豐富多彩了，能夠進一步提高學生的學習興趣。

4 課程應用

自2021 年開始，筆者將所設計的知識結構圖逐漸應用于寧波大學機械設計制造及其自動化專業“機械制造技術基礎”課程的教學中，每次開課的學生平均數量為120 名。在課程教學過程中，圖1 所示的“機械制造技術基礎”課程整體知識結構圖，一直貫穿于整個課程的教學環節，包括：緒論、每一章開始之初以及課程復習環節。在課程“緒論”的講授過程中，給學生展示圖1，一方面，介紹本課程所學內容的組成部分、課程的功能和作用。告知同學們，本課程主要學習零件的機械加工和機器裝配兩方面的內容，從而實現將毛坯變成零件、再將零件裝配成機器的過程。通過課程學習，學生應該能夠掌握和具備機械零件的機械加工和機器裝配的能力，從而引出本課程的教學目標。另一方面，在“緒論”的課堂講授過程中，讓學生查看教材的目錄頁面，再對照圖1 所示的課程整體知識結構圖，學生就很容易知道本課程中6 個章節學習內容在產品制造過程中的作用和功能，同時也很方便學生掌握課程6 個章節內容之間的邏輯關系，從而讓學生建立起“機械制造技術基礎”課程的整體認識，幫助學生以全局角度學習本課程。此外，在各個章節開始學習之前，教師都會向學生展示圖1，告知學生本章學習內容的作用，同時對圖1 所示的課程整體知識結構圖進行適當改動，已經講授和學習后的教學內容在方框圖上涂綠色，這樣通過對教學內容的顏色，學生就很方便知道學習進度，已經學習了那些內容，還需要學習那些內容，做到心中有數。最后，在復習環節，再次向學生展示圖1，并促進學生從全局角度復習和掌握課程內容。

章節知識結構圖主要應用于每一章教學內容的講授之前和講授完成之后。例如，在講授課程第四章之前，教師向學生展示圖2，說明本章內容的主要任務是實現工件在機床的裝夾，而機床夾具是實現工件裝夾的常用裝夾方法，通過圖2 引出第四章的三部分主要教學內容：夾具基礎知識、工件定位方式和定位誤差分析計算。然后，再通過圖2 概要介紹本章將要學習和掌握的主要內容和知識點，說明本章教學內容的重點和難點。在講授課程第四章之后，教師再次向學生展示圖2，復習本章所講授的知識內容，并指出本章復習的重點內容。

在“機械制造技術基礎”課程的教學中引入知識結構圖，并經過了3 年的課程應用，取得了良好的教學效果。結課后學生普遍反映，本課程的知識結構圖對學生的課程學習和復習很有幫助，充分掌握了“機械制造技術基礎”的課程內容，有助于學生理解教材每一章節內容的工程應用以及課程章節之間相互關系。同時，授課教師也體會到，在課程教學中應用知識結構圖，解決了本課程知識點多、抓不住重點、學習難度大、缺乏系統學習思路等一系列學習難題，教師的教和學生的學變得相對容易和簡單，獲得了較好的教學效果，明顯提高了課程教學質量。我們在“機械制造技術基礎”課程教學中引入知識結構圖的教學工作還是初步的探索，還有很多工作需要進一步補充和完善，例如，受到知識結構圖的篇幅限制，一些課程細節內容如何表達？如何進一步實現知識結構圖的生動性？如何在知識結構圖有效區分課程中的理論知識與工藝技術內容？課程各個章節知識結構圖表達形式是否需要一致等問題。

5 結語

在“機械制造技術基礎”課程的教學中引入知識結構圖，以簡單、清晰圖片表達出本課程的知識體系和知識內容以及知識點之間的關系。設計的課程整體知識結構圖有助于指導學生以全局角度了解本課程的知識結構，理解教材各個章節所學知識之間相互關系和知識的工程應用。設計的章節知識結構圖能夠以生動、有趣的圖片描述課程每章應該掌握的知識內容以及知識點之間的關系，從而幫助學生以簡單、輕松、有趣的方式系統學習和掌握各章的知識內容。在“機械制造技術基礎”課程的教學中引入知識結構圖，解決了學生面對的課程知識點多、抓不住重點、學習難度大、缺乏系統學習思路等一系列的學習難題，有助于學生快速理解和掌握本課程中涉及的各項制造技術和知識內容，獲得了較好的教學效果，提高了課程教學質量。