知識(shí)結(jié)構(gòu)圖在“機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)”課程教學(xué)中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

于愛(ài)兵，施晨淳，李錦棒，婁軍強(qiáng)

（寧波大學(xué)機(jī)械工程與力學(xué)學(xué)院，浙江 寧波 315211）

0 引言

目前，為了提高課程教學(xué)質(zhì)量，知識(shí)圖譜、知識(shí)結(jié)構(gòu)圖、思維導(dǎo)圖、概念圖等知識(shí)可視化工具逐漸應(yīng)用于各類課程教學(xué)中。例如，范玉雷等[1]將知識(shí)圖譜導(dǎo)入到“計(jì)算機(jī)組成原理”課程的教學(xué)過(guò)程，劉兵等[2]在“農(nóng)業(yè)生態(tài)學(xué)”教學(xué)過(guò)程中應(yīng)用了知識(shí)結(jié)構(gòu)圖，張翠紅[3]將概念圖應(yīng)用于“針灸學(xué)”課程教學(xué)中，紀(jì)燕玲[4]在“微生物學(xué)”和“普通真菌學(xué)”兩門課程的教學(xué)中應(yīng)用了思維導(dǎo)圖。應(yīng)用知識(shí)可視化方法可以提供一種簡(jiǎn)單、實(shí)用、清晰的知識(shí)表征手段，有助于幫助學(xué)生快速建立課程的知識(shí)結(jié)構(gòu)體系，實(shí)現(xiàn)課程知識(shí)點(diǎn)之間的有機(jī)聯(lián)系和整合，提高學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效率、鍛煉學(xué)生的深度思考能力，促進(jìn)學(xué)生與老師之間的互動(dòng)，從而獲得良好的教學(xué)效果。

1 課程應(yīng)用知識(shí)結(jié)構(gòu)圖的必要性

“機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)”是機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)的核心專業(yè)課，是培養(yǎng)機(jī)械類高級(jí)工程技術(shù)人才的重要課程。國(guó)家教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)設(shè)置了“機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)”這門課程，本課程由機(jī)械專業(yè)原有的“金屬切削機(jī)床設(shè)計(jì)”“金屬切削原理及刀具”“機(jī)床夾具設(shè)計(jì)”和“機(jī)械制造工藝學(xué)”等4 門課程整合而成，需要學(xué)生及時(shí)復(fù)習(xí)先修課程中與本課程相關(guān)的知識(shí)，才能深入理解和掌握本課程所包含的技術(shù)和知識(shí)內(nèi)容。因此，本課程具有教學(xué)內(nèi)容多[5]、知識(shí)面廣、知識(shí)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、知識(shí)體系豐富等特點(diǎn)，學(xué)生普遍感覺(jué)課程的知識(shí)點(diǎn)多、抓不住重點(diǎn)、學(xué)習(xí)難度大、缺乏系統(tǒng)清晰的學(xué)習(xí)思路，難以理解和掌握本課程中涉及的各項(xiàng)制造技術(shù)知識(shí)內(nèi)容。

知識(shí)結(jié)構(gòu)圖是用來(lái)組織和表征知識(shí)的工具[6]，是一種用圖形來(lái)表達(dá)知識(shí)的方法。知識(shí)結(jié)構(gòu)圖通常采用節(jié)點(diǎn)與連線的表達(dá)形式，節(jié)點(diǎn)以圓圈或方框表示，每個(gè)節(jié)點(diǎn)代表一個(gè)概念或知識(shí)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)之間的連線代表概念或知識(shí)點(diǎn)之間的關(guān)系，在節(jié)點(diǎn)之間的連線上還可以用文字進(jìn)行標(biāo)明，以進(jìn)一步說(shuō)明概念或知識(shí)點(diǎn)之間的關(guān)系。此外，還可以配有相關(guān)示意圖，以增加知識(shí)的生動(dòng)性和趣味性。因此，在“機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)”課程的教學(xué)中，采用知識(shí)結(jié)構(gòu)圖可以簡(jiǎn)單、清晰表達(dá)出本課程的知識(shí)體系和知識(shí)內(nèi)容以及知識(shí)點(diǎn)之間的關(guān)系，解決學(xué)生在課程學(xué)習(xí)中遇到的上述問(wèn)題，有助于提高課程的教學(xué)質(zhì)量。

2 課程整體知識(shí)結(jié)構(gòu)圖設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)“機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)”課程的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行梳理和整合，可以發(fā)現(xiàn)，如果以工藝規(guī)程為課程教學(xué)主線，構(gòu)造出一個(gè)將毛坯加工成零件并完成裝配的完整工作內(nèi)容，便很容易將本課程涉及的各部分知識(shí)串聯(lián)起來(lái)。課程選用了盧秉恒主編的《機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)》（第4 版，機(jī)械工業(yè)出版社）教材，圖1 為本課程教學(xué)內(nèi)容的知識(shí)結(jié)構(gòu)圖。

圖1 中以汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的制造過(guò)程為工程實(shí)例，首先進(jìn)行汽車發(fā)動(dòng)機(jī)零件的機(jī)械加工，然后再將加工好的零件裝配成發(fā)動(dòng)機(jī)。在零件的機(jī)械加工過(guò)程中，涉及加工方法、機(jī)床、刀具、夾具、切削用量、加工質(zhì)量檢測(cè)以及加工工藝等內(nèi)容，在機(jī)器裝配過(guò)程中涉及裝配工藝內(nèi)容。在圖1 中，上述內(nèi)容分別與教材的6 個(gè)章節(jié)相關(guān)聯(lián)，通過(guò)這個(gè)知識(shí)結(jié)構(gòu)圖，學(xué)生很容易知曉各章節(jié)知識(shí)在產(chǎn)品制造過(guò)程中的作用。因此，通過(guò)圖1學(xué)生就很容易將本課程的教學(xué)內(nèi)容串聯(lián)起來(lái)，指導(dǎo)學(xué)生以全局角度了解本課程的知識(shí)結(jié)構(gòu)，理解教材各個(gè)章節(jié)所學(xué)知識(shí)的工程應(yīng)用，掌握個(gè)章節(jié)之間的關(guān)系，使學(xué)生對(duì)眾多、復(fù)雜的課程內(nèi)容和不再感到混亂和迷茫。

3 章節(jié)知識(shí)結(jié)構(gòu)圖設(shè)計(jì)

盧秉恒主編《機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)》教材一共包含六章，筆者根據(jù)教材分別設(shè)計(jì)并制作了教材每一章的知識(shí)結(jié)構(gòu)圖，以生動(dòng)、有趣的圖片描述課程每章應(yīng)該掌握的知識(shí)內(nèi)容以及知識(shí)點(diǎn)之間的關(guān)系，從而幫助學(xué)生以簡(jiǎn)單、輕松、有趣的方式系統(tǒng)學(xué)習(xí)和掌握本章的各部分知識(shí)內(nèi)容。這里，以“第四章機(jī)床夾具原理與設(shè)計(jì)”為例，說(shuō)明“機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)”課程中章節(jié)知識(shí)結(jié)構(gòu)圖的設(shè)計(jì)。“機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)”課程第四章的知識(shí)結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。

圖2 課程第四章知識(shí)結(jié)構(gòu)圖

在課堂教學(xué)中，第四章的教學(xué)重點(diǎn)是機(jī)床夾具的原理部分的內(nèi)容，而機(jī)床夾具設(shè)計(jì)部分內(nèi)容主要在后續(xù)的課程設(shè)計(jì)中通過(guò)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)完成，不作為本課程課堂教學(xué)的主要內(nèi)容。首先，通過(guò)工件在機(jī)床的兩種裝夾方法，引出機(jī)床夾具的教學(xué)內(nèi)容。然后，將機(jī)床夾具的教學(xué)內(nèi)容劃分為三個(gè)部分：夾具基礎(chǔ)知識(shí)、工件定位方式、定位誤差分析計(jì)算，從而構(gòu)成本章課堂教學(xué)內(nèi)容的三個(gè)主要組成部分。最后，將每部分的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行細(xì)分，并指出本章內(nèi)容的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)。例如，工件的定位方式內(nèi)容包括四個(gè)方面內(nèi)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(nèi)容的基礎(chǔ)理論知識(shí)為：六點(diǎn)定位原理。要掌握上述四種定位方式，學(xué)生需要具體掌握相應(yīng)的定位元件，對(duì)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(shí)結(jié)構(gòu)圖更加生動(dòng)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(jī)床夾具示意圖。當(dāng)然，如果圖片的空間足夠，各類定位元件以及各類機(jī)床夾具等內(nèi)容也可以用示意圖來(lái)表達(dá)。這樣，知識(shí)結(jié)構(gòu)圖的圖片就更豐富多彩了，能夠進(jìn)一步提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

4 課程應(yīng)用

自2021 年開(kāi)始，筆者將所設(shè)計(jì)的知識(shí)結(jié)構(gòu)圖逐漸應(yīng)用于寧波大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)“機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)”課程的教學(xué)中，每次開(kāi)課的學(xué)生平均數(shù)量為120 名。在課程教學(xué)過(guò)程中，圖1 所示的“機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)”課程整體知識(shí)結(jié)構(gòu)圖，一直貫穿于整個(gè)課程的教學(xué)環(huán)節(jié)，包括：緒論、每一章開(kāi)始之初以及課程復(fù)習(xí)環(huán)節(jié)。在課程“緒論”的講授過(guò)程中，給學(xué)生展示圖1，一方面，介紹本課程所學(xué)內(nèi)容的組成部分、課程的功能和作用。告知同學(xué)們，本課程主要學(xué)習(xí)零件的機(jī)械加工和機(jī)器裝配兩方面的內(nèi)容，從而實(shí)現(xiàn)將毛坯變成零件、再將零件裝配成機(jī)器的過(guò)程。通過(guò)課程學(xué)習(xí)，學(xué)生應(yīng)該能夠掌握和具備機(jī)械零件的機(jī)械加工和機(jī)器裝配的能力，從而引出本課程的教學(xué)目標(biāo)。另一方面，在“緒論”的課堂講授過(guò)程中，讓學(xué)生查看教材的目錄頁(yè)面，再對(duì)照?qǐng)D1 所示的課程整體知識(shí)結(jié)構(gòu)圖，學(xué)生就很容易知道本課程中6 個(gè)章節(jié)學(xué)習(xí)內(nèi)容在產(chǎn)品制造過(guò)程中的作用和功能，同時(shí)也很方便學(xué)生掌握課程6 個(gè)章節(jié)內(nèi)容之間的邏輯關(guān)系，從而讓學(xué)生建立起“機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)”課程的整體認(rèn)識(shí)，幫助學(xué)生以全局角度學(xué)習(xí)本課程。此外，在各個(gè)章節(jié)開(kāi)始學(xué)習(xí)之前，教師都會(huì)向?qū)W生展示圖1，告知學(xué)生本章學(xué)習(xí)內(nèi)容的作用，同時(shí)對(duì)圖1 所示的課程整體知識(shí)結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行適當(dāng)改動(dòng)，已經(jīng)講授和學(xué)習(xí)后的教學(xué)內(nèi)容在方框圖上涂綠色，這樣通過(guò)對(duì)教學(xué)內(nèi)容的顏色，學(xué)生就很方便知道學(xué)習(xí)進(jìn)度，已經(jīng)學(xué)習(xí)了那些內(nèi)容，還需要學(xué)習(xí)那些內(nèi)容，做到心中有數(shù)。最后，在復(fù)習(xí)環(huán)節(jié)，再次向?qū)W生展示圖1，并促進(jìn)學(xué)生從全局角度復(fù)習(xí)和掌握課程內(nèi)容。

章節(jié)知識(shí)結(jié)構(gòu)圖主要應(yīng)用于每一章教學(xué)內(nèi)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?qū)W生展示圖2，說(shuō)明本章內(nèi)容的主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)工件在機(jī)床的裝夾，而機(jī)床夾具是實(shí)現(xiàn)工件裝夾的常用裝夾方法，通過(guò)圖2 引出第四章的三部分主要教學(xué)內(nèi)容：夾具基礎(chǔ)知識(shí)、工件定位方式和定位誤差分析計(jì)算。然后，再通過(guò)圖2 概要介紹本章將要學(xué)習(xí)和掌握的主要內(nèi)容和知識(shí)點(diǎn)，說(shuō)明本章教學(xué)內(nèi)容的重點(diǎn)和難點(diǎn)。在講授課程第四章之后，教師再次向?qū)W生展示圖2，復(fù)習(xí)本章所講授的知識(shí)內(nèi)容，并指出本章復(fù)習(xí)的重點(diǎn)內(nèi)容。

在“機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)”課程的教學(xué)中引入知識(shí)結(jié)構(gòu)圖，并經(jīng)過(guò)了3 年的課程應(yīng)用，取得了良好的教學(xué)效果。結(jié)課后學(xué)生普遍反映，本課程的知識(shí)結(jié)構(gòu)圖對(duì)學(xué)生的課程學(xué)習(xí)和復(fù)習(xí)很有幫助，充分掌握了“機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)”的課程內(nèi)容，有助于學(xué)生理解教材每一章節(jié)內(nèi)容的工程應(yīng)用以及課程章節(jié)之間相互關(guān)系。同時(shí)，授課教師也體會(huì)到，在課程教學(xué)中應(yīng)用知識(shí)結(jié)構(gòu)圖，解決了本課程知識(shí)點(diǎn)多、抓不住重點(diǎn)、學(xué)習(xí)難度大、缺乏系統(tǒng)學(xué)習(xí)思路等一系列學(xué)習(xí)難題，教師的教和學(xué)生的學(xué)變得相對(duì)容易和簡(jiǎn)單，獲得了較好的教學(xué)效果，明顯提高了課程教學(xué)質(zhì)量。我們?cè)凇皺C(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)”課程教學(xué)中引入知識(shí)結(jié)構(gòu)圖的教學(xué)工作還是初步的探索，還有很多工作需要進(jìn)一步補(bǔ)充和完善，例如，受到知識(shí)結(jié)構(gòu)圖的篇幅限制，一些課程細(xì)節(jié)內(nèi)容如何表達(dá)？如何進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)知識(shí)結(jié)構(gòu)圖的生動(dòng)性？如何在知識(shí)結(jié)構(gòu)圖有效區(qū)分課程中的理論知識(shí)與工藝技術(shù)內(nèi)容？課程各個(gè)章節(jié)知識(shí)結(jié)構(gòu)圖表達(dá)形式是否需要一致等問(wèn)題。

5 結(jié)語(yǔ)

在“機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)”課程的教學(xué)中引入知識(shí)結(jié)構(gòu)圖，以簡(jiǎn)單、清晰圖片表達(dá)出本課程的知識(shí)體系和知識(shí)內(nèi)容以及知識(shí)點(diǎn)之間的關(guān)系。設(shè)計(jì)的課程整體知識(shí)結(jié)構(gòu)圖有助于指導(dǎo)學(xué)生以全局角度了解本課程的知識(shí)結(jié)構(gòu)，理解教材各個(gè)章節(jié)所學(xué)知識(shí)之間相互關(guān)系和知識(shí)的工程應(yīng)用。設(shè)計(jì)的章節(jié)知識(shí)結(jié)構(gòu)圖能夠以生動(dòng)、有趣的圖片描述課程每章應(yīng)該掌握的知識(shí)內(nèi)容以及知識(shí)點(diǎn)之間的關(guān)系，從而幫助學(xué)生以簡(jiǎn)單、輕松、有趣的方式系統(tǒng)學(xué)習(xí)和掌握各章的知識(shí)內(nèi)容。在“機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)”課程的教學(xué)中引入知識(shí)結(jié)構(gòu)圖，解決了學(xué)生面對(duì)的課程知識(shí)點(diǎn)多、抓不住重點(diǎn)、學(xué)習(xí)難度大、缺乏系統(tǒng)學(xué)習(xí)思路等一系列的學(xué)習(xí)難題，有助于學(xué)生快速理解和掌握本課程中涉及的各項(xiàng)制造技術(shù)和知識(shí)內(nèi)容，獲得了較好的教學(xué)效果，提高了課程教學(xué)質(zhì)量。