面向工程教育的金屬工藝及機制基礎教學改革研究

[摘要]針對目前機械類專業平臺課程《金屬工藝及機制基礎》存在的教學問題，結合CDIO工程教育理念，從教學內容、教學理念、考核方式等方面進行了教學改革，綜合運用多種教學方法不斷提升教學效果，建立了多節點的綜合考核評價體系，強調學生工程能力、對知識的綜合應用能力和團隊合作能力，提高機械類學生的工程素質。

[關鍵詞]教學改革；CDIO；工程教育；綜合素質；金工教學

[中圖分類號]0642.0

[文獻標識碼]A

[文章編號]1005—4634（2012）04—0089—03

0 引言

作為高等工科教育工程訓練的重要環節、作為重要基礎課的金工系列課程，對于提高本科生的全面素質，培養高質量、高層次的工程技術人才起著其他課程不能替代的作用。

為充分調動學生積極性，改善當前機械類專業基礎課程的教學效果，燕山大學機械工程學院作為全國機械工程類專業CDIO改革牽頭單位在學校內啟動了基于CDIO理念的本科生教學改革。作為近年來國際工程教育改革的最新成果——CDIO工程教育模式，代表構思（Conceive）、設計（De—sign）、實現（Implement）和運作（Operate），它以產品從研發到運行的生命周期為載體讓學生以主動的、實踐的、課程之間有機聯系的方式來學習的教育教學理念。CDIO強調個人工程能力不僅應包含個人的理論知識和專業技能，而且還應包含創新能力、終身學習能力、團隊交流合作、大系統掌控等一系列能力，這與具有工程素質的機械制造人才的培養具有許多相似之處。目前國內許多高校都在學習CDIO理念，研究基于CDIO的教學模式，并根據學校各自的實際情況，探索工程教育理念的教學改革之路。為深化金工教學改革，構建具有現代工程背景的教學體系，全面加強學生素質教育成為新形勢下金工教學改革的中心任務。

1 正確認識課程意義，提高課程學習興趣

CDIO工程教育改革的三大目標之一就是把學生培養成能夠掌握深厚技術基礎知識的人才。《金屬工藝及機制基礎》是在總結長期機械制造工藝實踐的基礎上形成的，研究制造金屬零件工藝方法的綜合性技術基礎課，其內容涉及大量生產實踐過程，其內容覆蓋面廣，介紹從事機械制造必不可少的知識和技能，課程涉及鑄造、鍛造、焊接、切削加工、特種加工的實質、特點、工藝過程和零件結構設計的工藝原則等，其應用性、實踐性、綜合性很強，工程特色明顯，充分體現了學生分析問題解決問題的能力和利用自己掌握的知識解決工程問題的能力。《金屬工藝及機制基礎》課程不僅為后續專業課學習做準備，更重要的是為學生將來成為工程技術人員奠定堅實的基礎。

由于課程授課時間短，只有42個學時，內容多而繁雜、廣而不深，系統性差，推理性內容少、敘述性內容多，易懂難用，學生在學習時，感到頭緒多、概念多，很難將各種加工方法有機的結合起來。

興趣是學習最好的老師。教育心理學的觀點認為：濃厚的學習興趣是掌握科學知識的重要條件。興趣是力求認識某種事物，從事某種活動的傾向。由于這種傾向，會使一個人的思想集中，自覺地去接受領會，而且還會進一步去分析判斷，運用思維的能力去認識理解。

教師首先要培養和引發學生的學習興趣，讓學生認識到學習金工課的必要性。《金屬工藝及機制基礎》課程是機械類學生最先接觸到的專業基礎課程，此時學生對機械制造過程沒有感性認識。在第一次授課時向學生提出汽車是如何制造出來的概念，引發學生的好奇和興趣，然后講解汽車主要零部件如何通過一些加工方法成形，從而讓學生了解機械制造的一般過程和應用。用生動具體的實例讓學生明白。作為一名未來的工程技術人員，將來從事的工作是離不開金屬材料和各種熱加工和冷加工方法的。如果不懂得金屬材料的機械性能及常見的加工方法是不能勝任工作的。

在CDIO教育理念指導下，本課程從授課開始就引入工程實踐概念，將實習工廠生產的產品和教師科研成果實例滲透到教學過程中，針對不同制造方法列舉不同工程實例，增加學生對工程實踐的感性認識和提升學生的知識結構。

2 根據課程特點，深化教學改革

課程改革從內容到形式都應堅持點、面結合，以培養學生發現問題和解決問題的能力為出發點，調動各種教學手段，活躍課堂氣氛，增進趣味性，進而提高學生的思維能力和主動學習的積極性。

2.1 注重課程體系建設

基于CDIO的教學模式是一種注重課程之間有機聯系的學習方式。在《金屬工藝及機制基礎》課程體系建設方面，堅持以理論知識為導向，以工程能力的培養為目標，注重理論教學與實踐教學在時間和內容上有機結合，實現教學效果的提高。金工實習是《金屬工藝及機制基礎》課程的先修課和實踐課，《金屬工藝及機制基礎》參與教學改革后，實踐教學和理論教學安排在同一學期進行，1～5周金工實習，從第6周開始《金屬工藝及機制基礎》課程的教學，在理論教學之前安排金工實習，讓學生首先有感性認識，便于知識的理解；在實習過程中老師針對后續授課內容讓學生有重點的觀察一些加工過程、加工工具、機床構造、機床運動形式，如龍門刨床、臥式鏜床、立式車床等學生沒有實習操作而設計授課內容的機床，為后續理論課程的教學奠定了很好的基礎，避免了之前實踐教學和理論教學不在同一學期而造成的學生對實踐操作的遺忘。

根據《金屬工藝及機制基礎》課程各知識模塊之間的關系，將授課內容按照“基礎理論”、“加工方法”和“工藝方案”來構建，其課程體系如圖1所示。

2.2 根據授課內容設計教學手段，激發學生參與意識

授課過程中，注意講授與啟發并重，摒棄課堂教學的注入式或填鴨式。在理解授課內容的基礎上，抓注重點，突破關鍵，不是平鋪直敘、照本宣科，而是不斷提出問題和解決問題，激發學生的積極思維，將講授法變成啟發式、互動式、探究式的教學方法。“啟發式”教學的核心就是對新闡述的問題有一個從提出問題、分析問題到解決問題的完整過程。授課過程中，盡量多采用有趣、直觀、多樣的方式進行啟發式教學，多舉生活、生產中的實例，不僅可以活躍課堂氣氛，而且可以收到滿意的教學效果。

教師首先以學生了解的典型代表引入加工方法，以提高學生的感性認識。然后針對容易混淆的概念，從某一具體問題出發，提出有待解釋的現象，讓學生根據已有知識和經驗對該問題做出相應判斷，然后老師再做出相應評判。例如，講完刨削和插削加工方法后，會向學生提出問題：刨削是否能像插削一樣在工件內部加工方孔，能在工件內部加工方孔的方法有哪些？在學生對問題討論過后，教師從刨削和插削的運動形式和機床構造入手，啟發學生對此問題的思考，從而最終做出正確的判斷。講完所有加工方法后，會向學生提出問題：有哪些熱加工和冷加工方法能在工件內部加工彎孔？引導學生從不同加工方法工藝特點入手正確解決問題。通過這種互動式和啟發式的教學和學習，讓學生體會到了自己解決問題后的成就感，從而進一步激發學生的學習興趣。

2.3 吸取行業最新成果，不斷優化教學內容

隨著制造技術日新月異，生產的發展和知識結構的不斷更新，工業領域的新材料、新技術、新工藝不斷涌現，使得《金屬工藝及機制基礎》課程的內容越來越豐富，必然帶來教學內容改革。教學內容是教學的核心，在教授傳統加工方法的同時，還需要讓學生了解金屬材料加工的先進工藝和相關制造技術學科前沿動態，豐富教學內容，實現知識的與時俱進。

在授課過程中，一些新技術、新工藝，如從數控加工發展到加工中心、集成制造系統，特種加工方法從電火花加工、超聲波加工、激光加工到新發展起來的水射流加工，特種鑄造方法從熔模鑄造到消失模鑄造，所有這些工藝方法都離不開電子技術和計算機技術以及相應交叉學科的新發展。這些全新的工藝方法雖然是以往人類所創造的工藝知識和手段的繼承和發展，但是無法取代以往的工藝技術，讓學生在傳統的加工方法與先進加工技術的對比中，感受和理解科學技術的產生和發展過程，培養學生的科學精神和創新思維習慣。

2.4 結合工程教育背景，改革考核內容與方式

為了全面衡量學生掌握知識的程度，使其更注重于自主學習和分析解決實際問題的能力，在《金屬工藝及機制基礎》課程考核方式采取多節點方式進行，平時成績（權重5%）、實驗成績（權重5%）、平時作業（權重5%）、綜合作業與答辯（權重15%）、理論知識閉卷考試（權重70%）。學生的學習態度通過出勤情況即平時成績和平時作業的考核實現，操作能力和對實驗結果的分析總結能力通過實驗成績體現。

15分的綜合作業以項目的形式在課程教學過程的中后期進行，2名同學以學習小組形式共同完成一個實習工廠鋼筋調直機產品零件的生產工藝規程制定，與工程實踐過程緊密的結合在一起。在作業完成過程中，學生需要根據金工實習經驗，通過查閱資料、小組討論等形式的主動學習判斷該零件的合理生產工藝過程和具體工藝參數。為了客觀的評價學生的學習效果，需要進行項目完成的現場答辯和評分，并對作業中的薄弱環節與學生共同探討解決方案。學生在完成項目而充滿成就感的同時，增強了繼續探索問題的信心，激發了強烈的求知欲，也培養了學生發現問題、分析問題和解決問題的能力。通過這種方式，學生在提高自學能力和獨立思考問題的能力基礎上，提升了他們的綜合分析能力和團隊合作能力，也大大提高了學生對加工方法的靈活應用能力和對課堂教學參與的積極程度。

3 利用現代化教學手段，提升課堂教學效果

選擇和應用現代化教學媒體（電影、多媒體課件、圖片等），并與傳統教學媒體（板書、講義、實物、模型等）有機地組合，給傳統課程注入了直觀、形象、生動的元素，更有利于課堂教學效果的發揮。

靜態的線條圖表、形態結構等，宜選擇模型、實物和板書。如在講授刀具角度時，通過板書和刀具實物的展示，加深學生對這一部分內容的消化與理解。在加工原理和機床加工形式等動態過程地學習中，選擇多媒體教學，可清楚、直觀、準確地表達教學內容，視聽結合，圖文并茂，提高學生聽課興趣。如金屬切削原理部分，錄像片將實際操作現場難以看清的切削過程通過近鏡頭、慢鏡頭清晰地展示出來，使學生印象深刻。對鑄造、壓力加工和焊接這些金工實習過程接觸比較少的生產方式，選擇多媒體教學，更能增加學生對加工方法的感性認識和生產實踐知識。

4 結束語

具有工程素質的機械制造人才培養是一個復雜的系統工程，作為我國高校教育改革探索的重要方向之一的CDIO工程教育理念，探究式、項目式、討論式等教學手段成為實現CDIO工程教育理念行之有效的方法。《金屬工藝及機制基礎》作為機械類專業的一門重要專業基礎平臺課程，嘗試在教學內容、教學方法、評價體系等多方面進行改革探索，建立符合學生認知規律的教學模式，培養學生的團隊合作和工程實踐能力，開闊眼界，大大提高了學習的主動性和知識的綜合應用能力，取得了良好的教學效果。