探討智能制造下的《切削原理與刀具》的課程教學設計

李軍利 王大中 張立強 王明紅

摘要：《切削原理與刀具》是機械工程專業的基礎課與必修課，主要介紹以切削加工為手段的金屬加工方法及常見的切削用刀具，具有理論性與實踐性較強的特點。在新一輪的工業變革、信息技術發展的背景下，培養適宜現代工業需求的機械工程專業人才顯得愈加重要。本文通過探討智能制造新專業下的《切削原理與刀具》教學方案優化，通過教學內容迭代，教學模式革新以及教學實驗的優化設計，達到以學生為中心，產出導向，全面提升學生學習效能與綜合實踐能力的目標。

關鍵詞：智能制造;課程教學;教學設計

1.引言

為推動新一輪的科技革命與產業增量發展，各國都出臺了工業發展規劃，如德國的“工業4.0”，美國的“工業互聯網聯盟”，日本的“日本產業重振計劃”，韓國的“制造業創新3.0”以及我們國家的“制造2025”。在此背景下，從2017年以來，教育部積極推進新工科建設，啟動新工科人才培養的新機制，拓展工程教育改革的新思路與新路徑，助力高等教育的創新發展。智能制造是全球工業的必由之路，也是中國“制造2025”的核心與產業轉型升級的重中之重。上海工程技術大學積極響應國家“人工智能”、“互聯網+”與“智能制造”的號召，針對傳統工科學非所用、與企業失枝脫節的弊端，開展了“智能制造”新專業建設，借助學校機械工程“一流學科”建設與工程教育認證，對機械工程專業培養方案進行了較大的調整，培養適用現代科技發展和國家經濟建設需求，創新意識強，能夠在現代工業各個領域從事機械工程的設計制造、產品開發及技術管理工作的高素質、創新人才。

《切削原理與刀具》是現代裝備與控制工程專業的一門專業基礎課與必修課，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，分析金屬切削過程中材料的變形過程，引導并培養學生透過現象探尋本質的能力，理論性與實踐性相輔相成。傳統的課程教學設計中，主要以授課教師課堂講授為主，學生參與度不高且難以評價，探討性、拓展性教學更是寥寥無幾。除此之外，課程知識因循守舊，陳言老套居多，與智能制造下的新工科模式、制造工藝往往應者寥寥，學生所學與社會脫節情況可見一斑。因此，對于《切削原理與刀具》這門基礎與傳統必修課，如何開展智能制造新背景下的教學改革，使得學生學習時甘之如飴，學成后能夠學以致用，是我們當今面臨的新問題與新挑戰。

2.《切削原理與刀具》課程教學設計

2.1 智能制造與金屬切削融合為一

《切削原理與刀具》的基本知識點涵蓋了金屬材料學、材料力學、大學物理、理論力學、大學化學以及機械原理、機械設計等多門學科的知識，因此課程的教學設計要綜合多門學科的基礎知識與、研究熱點與前沿技術，這樣才能保證課程的教學方案既能夠夯實基礎，又能夠推陳出新，引人入勝，不至于全篇是枯燥乏味的基礎知識，對當前新技術、熱點技術全然不知。

《金屬切削原理與刀具》課程包括切削過程基本定義、刀具材料與角度、金屬變形過程、切削力與切削溫度、加工表面質量、磨削以及各類加工刀具等。除了少數章節知識點外，如刀具材料、切削力與溫度、加工表面質量、各類刀具等，都可以與智能制造有機融合。借助先進的制造理念、智能化的傳感器、信息化與大數據技術，金屬切削過程正在由最早的“黑匣子”轉向為“開放式、可視化”，甚至基于VR的制造過程也已嶄露頭角。因此，在進行該課程的課程大綱與教學方案設計時，如果能夠在知識點的講解上加以展示智能制造相關的實例，既能幫助學生進一步鞏固現有的知識點，還能進一步激發起學生的學習興趣，培養他們具備一定的科學素養與工程認知能力。

2.2 混合式教學模式

教學過程中容易存在兩個個誤區，一是傳統輸入型教學方法，多以照本宣科，按照教科書填鴨式灌入教學為主;另一種則是深受所謂的“反轉課堂”影響，提倡課程由學生主導，互動式教學方式，稍微控制不當就會放由學生聽之任之，雖然課堂氛圍熱火朝天，但是實際上教學效果往往差強人意。

近年來網絡課程建設、精品課程建設、金課建設如火如荼，上述資料應當作為課程教學的借鑒與參考。同時教學者應該要注重因材施教，因為每一屆的學生都是不同的，基本素質可能會有偏差，個體就更加大同小異了，而技術的發展卻是日新月異的，因此，每一次教學完成后，到下一年應該對教材、教案乃至教學設計都進行一次總結與更新。例如，借助多媒體、網絡短視頻、網絡精品課程等多媒體手段，結合信息化平臺技術，實現“線下”教學與“線上”的有機結合。

總之，采用混合式教學方法，發揮多媒體視頻的優勢，利用好信息化技術平臺技術如虛擬仿真、VR情景，改變傳統教師講授為主的填鴨式教學方法，根據教學內容，合理運用案例法、身份轉換法等以學生為主的教學手段，引導學生積極參與課程設計與學，及時對學生反饋信息進行更新迭代，增強學生的獲得感與自信心，從而使得教學效果更顯著。

2.3 面向綜合工程能力培養的實驗實踐

改革現有簡單實驗為多樣化實驗，《金屬切削原理與刀具》共有兩次課內實驗，分別為刀具角度測量、切削力測量試驗。以往的實驗課，大都采取教師現場演示，學生依葫蘆畫瓢的方式，效果往往差強人意。通過以往的教學過程與效果來看，部分學生到了試驗課堂上兩眼一抹黑，根本不知道從何下手，試驗課上臨時抱佛腳的大有人在。甚至在刀具測量試驗課上，部分學生在做刀具角度測量時，將刀具擺放位置弄反而不自知;切削力測量試驗課上，有的學生甚至都搞不清楚哪個是裝夾工裝，哪個是測力儀，而對于測力儀的測量切削力方向與機床坐標系的對應關系一頭霧水的同學也不在少數。凡此種種，試驗課程的教學效果究竟如何可見一斑。

針對上述這些情況，有必要對試驗課程的教學方案進行變革，尤其是做好試驗課程的前期準備工作，對于試驗課程的預期教學效果具有良好的促進作用。具體而言，可以采用提前給學生布置好實驗要求，明確試驗的目的與一定的試驗條件，但是不限定具體的試驗方法，給予學生充分的準備時間，以往的既定實驗方案不提前公布，調動學生自己去查資料，鼓勵學生提出不一樣的試驗方法與手段。同時利用微信群、QQ群等方式與學生進行及時、有效的溝通，對學生自己制定的試驗方案尤其要注意多與學生溝通，避免部分學生試驗方案出現原則性錯誤的情況，加強對學生試驗準備過程的指導，發揮學生的主觀能動性，改變傳統試驗課程被動式接收學習方式，

作為機械工程專業的必修課程，《切削原理與刀具》系統地闡述了金屬切削過程的工件材料在切削刀具的作用下發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程中切削參數、工件材料性能、刀具材料與角度與切削力、切削溫度、切屑形態的變化規律，另外還介紹了常見的車、銑、鉆、磨等加工方式與刀具，對機械工程專業尤其是機械制造方向的專業知識支撐起著承前啟后的作用，在此背景下開展《切削原理與刀具》的教學設計改革對于進一步提高課程教學效果，培養新形勢下的社會主義價值體系下的專業人才具有重要意義。很有可能實驗效果出人意料。這樣的多樣化實驗方法也能促使學生開動腦筋，提高解決實際問題的能力。通過增加實驗教學環節的內容與課時，聚焦工程實際能力的培養，強調學有所用，讓學生在解決問題的過程中把所學知識系統性地串聯起來，達到以學生為中心、產出導向、持續改進的目的。

3.結語

在以互聯網、信息化技術為載體的全球工業智能化轉型發展的浪潮下，借助教育部“新工科”以及上海市教委“一流本科”建設契機，依托上海工程技術大學智能制造新專業平臺，開展《切削原理與刀具》的教學設計改革是非常有必要而且合時宜的。通過對教學知識點的進一步挖掘與更新，確保學生能夠在掌握知識點的同時更好地貼近工業應用與前沿科技;通過混合式教學模式變革，充分利用互聯網平臺大數據應用，實現“線下”與“線上”的相互交融，提高教師的授課輸出效能，增強學生的學習獲得感與自信心;最后通過啟發式的課程實驗，促使學生主動設計實驗過程，引導其解決工程實際問題，使得學生真正做到學有所成，學有所用，成為社會主義新中國新征程的合格建設者與實踐者。

參考文獻

[1]張媛，李小平，《機械制造技術基礎》課程教學設計，[J].輕工科技，2020，36（4）：131-132.

[2]李聰波，林利紅，湯寶平，江桂云.新工科建設背景下機械制造技術基礎課程建設探索[J].高等建筑教育，2020，29（2）：23-28.