从创新能力和工程意识的培养角度谈机械工程专业选修课程教学

张立军，李小朋，相恒富

(中国石油大学〈华东〉　机电工程学院，山东　青岛　266580)

·项目论文·

从创新能力和工程意识的培养角度谈机械工程专业选修课程教学

张立军，李小朋，相恒富

(中国石油大学〈华东〉机电工程学院，山东青岛266580)

摘要：以“切削原理与刀具”课程为例，围绕培养学生创新精神和实践能力，挖掘专业选修课教材中的创造性因素，将工程意识的培养自觉融入到课堂与实践教学的各个环节中，并以案例的形式论述了“甜点”教学方法。实践表明，这些教学方法的应用促进和加深了理论知识学习，更重要的是培养了学生的学习能力与兴趣。

关键词：专业选修课程教学；切削原理与刀具；工程意识；创新能力

实践能力是当代工程师最重要、最基本的素质之一。实践教学要求学生能紧抓课程特点，将理论讲解与实验、实习等实践教学环节相结合，通过大量工程应用实例，锻炼学生的工程意识。实践教学是高等教育的重要环节，是工程创新人才培养的重要手段[1]。创新教育作为课堂教学的重要组成部分，要求老师创新教学理念、教学方法、因材施教；要求学生不拘泥于书本，不迷信老师，不死记硬背，敢于标新立异，大胆思维质疑，有所发现，有所发展地掌握所学知识。基于工程创新教育教学体系的建立将能有效地促进学生优秀工程素质的提高[2]。

机械工程专业选修课以其课程门类多、针对性强、知识更新快等特点能很好地锻炼学生的素质能力。然而，目前像“切削原理与刀具”“机电一体化技术”“特种加工技术”这些机械专业选修课中大多基本理论与基本知识涉及广、工程实例少、专业性强、与很多专业必修课内容重复多。比如“机械制造技术”“机械加工概论”课程中含有切削原理知识，“机电信息检测与处理技术”“机电系统计算机控制”专业课程中含有机电一体化技术相关内容等，而重点讲述切削原理知识的“切削原理与刀具”和重点讲述机电控制理论内容的“机电一体化技术”均为专业选修课。另外，目前机械专业选修课一般都在大三下学期和大四上学期开设，受到学生考研、找工作、生产实习等多种因素的影响，专业选修课教学效果不是很理想。怎么能把这些机械专业选修课讲活讲透，兼顾全面，重点突出，展现出应有的专业特质，让学生不感到枯燥，激发学生的学习兴趣，真正让他们在课程中学到专而精的知识，对于教师来讲是一个很大的挑战。通过总结几年来选修课教学实践经验，以“切削原理与刀具”专业选修课程为例，紧抓本课程工程性强、实践性强、其他课程涉及基础理论多的特点，抓住课程内容主线、讲述重点突出繁简，挖掘甜点内容，加强学生创新精神和工程实践能力的培养，摸索出一些简单实用的教学心得，取得了不错的教学效果。

一、以课程中几个点为主线，由点到面激发学生

“切削原理与刀具”课程是机械工程专业的一门重要选修课，从内容上分为金属切削理论和刀具两部分，其中金属切削理论部分的核心是切削变形，而比较重要的切削力、切削温度和刀具磨损都是由于切削变形而引起的具体的物理现象；刀具部分的核心就是车刀，其他类型刀具，如铣刀、钻头等都是由车刀演变而来的。因此切削变形和车刀是“切削原理与刀具”课的核心和精髓，也是学生必须掌握的内容。讲透切削变形和车刀是课程的重中之重，既便于学生宏观上把握课程内容，也能由点到面激发学生的学习热情。

在讲透讲好切削变形和车刀的前提下，课程中切削热、切削温度、刀具磨损、加工质量等内容重点从工程实践角度深刻解释出现这些重要物理现象的原因，讲清解决方法和实现途径。成形车刀、铣刀、钻头、拉刀等专用刀具着重阐述它们与车刀的演变过程，突出其结构特点，会选择，并不需要对它们的设计过程进行详细讲解。因此把握住切削变形和车刀两个点，脉络清晰，详略得当，由点到面就能将整个课程主要内容讲活讲透，真正体现“教学是上一门课，而不是只讲一本书”的思想。

二、挖掘教材中创造性因素，将“甜点教学”理念融入教学中

学生的创新能力培养是一项系统工程，需要从点滴做起，并能时时加强。在“切削原理与刀具”等专业选修课程教学过程中，每个教学环节都包含着丰富的创新元素，但需要教师从科学研究、工程实际、联想设计、集成创新等方面深入挖掘和引导。学生创新能力的培养并不是要求他们能创造出多高深的理论，有多少重大发现，研发出多少高精尖的技术产品，申请多少项国家专利，而是要求他们具备创新的意识和活力。结合多年的教学实践，可以从以下4个方面着手实施。

1.课堂教学中贯穿创新元素

课堂教学是保障学生实现自主学习能力的重要前提和基础[3]。在课程教学中，不仅要突出真理性知识本身，而且要讲清取得这些真知的途径和方法。作为实施课堂教学的老师，通过真实案例讲解、现场模型浮现等科学研究方式，可让学生很好地感受、了解知识的产生和发展过程。

不同学科、不同专业课程都有其综合实践的要求[4]。“切削原理与刀具”课程中很多知识，看似很平常，但都包含着很多工程实际中的创新元素，教师的任务就是挖掘、引导出这些创新元素。如切削温度、切削力等公式的获取方法等。通过采用切削区域温度场数值模拟方法+最小二乘法相结合的技术创新，我们得出了切削温度的经验公式，学生记忆深刻。再比如深孔钻，需要学生在弄清普通麻花钻工作原理的基础上，考虑在更小空间内钻头的散热与强度问题、孔的偏斜问题等，引发创新思维，深入到实际结构中去。课堂上通过刀具模型展示，运用三维动画技术再现深孔钻设计者们当年的动态设计思维过程，最后给出解决问题的独特思路和实现方法，学生受益匪浅。还有，讲到金属切削变形中第三变形区中材料加工硬化的时候，学生只注重加工硬化的概念本身，仅理解到是工件表面材料的硬度增加，但往往忽略这是不采用热处理方法而使材料自身硬度增加的一项很重要的措施，课堂上通过讲解工厂中下料机锤头材料的加工硬化导致其耐磨性增加，延长使用寿命的真实案例，极大地激发了学生的创新热情。对超硬刀具、拉刀的讲述等也采取了这种教学方法，效果很好。

2.结合典型实例，突出“甜点教学”

甜点一词是从国外油气勘探开发界“Sweet-heart”翻译而来的。油气田勘探开发过程中会揭示大面积的含油气区及大段的含油气层段，但是其中往往一部分是当前经济、技术条件下富集的、具有较好开发效益的，但它在纵、横向分布上可能不成片，故将其称为甜点。目前提出的“甜点教学”就是要挖掘教材中的创新元素，针对“切削原理与刀具”课程自身特点，有针对性地在每个章节中凝练出1-2个特色鲜明、学科交叉、操作性强、便于理解、有新颖的小课题，通过小组讨论和现场辩论，充分调动学生的积极性和开创性，激发创新活力和热情。

在教材中寻找“甜点”是关键。“甜点”的选择一定要与工程实际相结合，做到恰到好处。这里列出了如下两个典型教学环节举例说明。(1)陶瓷刀具材料的应用实践。陶瓷刀具具有高硬度、耐磨性以及高的化学稳定性等特点[5]，其成分是Al2O3。课堂上提出利用铝热反应在油管内壁生成陶瓷的想法，以此制造出陶瓷内衬防腐抗磨油管。这将陶瓷刀具材料本身的特点与石油工程实际有机地结合起来，激发了学生利用已有多学科知识创新新事物的动力。(2)刀具边界磨损的成因分析。边界磨损是刀具在磨损过程中其内部温度梯度和应力梯度综合作用的结果，这个结论很难理解，但又十分重要。根据自己的研究课题热应力预制棒料V型槽尖端裂纹，以温度梯度和应力梯度综合作用形成的棒料V型槽尖端热裂纹为例，恰好解释了刀具边界磨损的形成机理。通过几届学生的教学实践发现，“甜点教学”较好地调动了学生的积极性，丰富了学生的研究思路，拓展了学生的知识视野，同时真正能让学生深刻领会到理论和实践相结合的创造性和实效性。

3.善于从“看似无关”的事物中寻找创新点

在课堂教学中，注重知识的相关性和联系性，尤其是涉及不同学科、不同领域的相关知识，善于从“看似无关”的事物中寻找线索与启示。二硫化钼是使用最多的切削用固体润滑剂，摩擦系数特别小是其显著特点，但要弄清楚其成因很难。讲课时把二硫化钼与大家熟悉的同样润滑性很好的香蕉皮进行类比，并用图片和动画展示它们均是层状结构，层与层之间可以滑动，并强调二硫化钼的层厚度仅为0.1微米，是香蕉皮层厚的二百万分之一，其易滑性相当于香蕉皮的二百万倍。再如，在讲到深海用石油设备的设计时，指出豆腐能在海底3000米深水以下不被压扁，而大多数高强度的石油设备，如离心泵、阀门等却能被压扁，来引出深海用石油设备进行结构设计时需考虑其内外压力的平衡效应，这与通常仅考虑强度、刚度等因素的普通机械结构的设计区别很大。通过将香蕉、豆腐分别与“切削原理与刀具”中的二硫化钼、内外压力平衡效应相对比，两者内容看似无关，但通过联想发现，其实蕴含的某些真谛却相同，这不仅给学生提供了解决实际问题的方法参考，也让学生深刻感受到了知识的深奥和移植发明的真实感，并能体会到新知识、新应用就在自己身边。

4.讲述内容突出繁简，强调知识的集成创新

在“切削原理与刀具”课程讲授中，一些已在机械制造技术和数控机床等必修课中讲述的重要内容，如切削运动、切削液、切削加工性、数控机床刀具等应简要叙述，而切削变形及演变理论(切削温度、切削力等)与车刀及演变方法的内容应详细讲述，强调知识的关联和整合。

当今创新有原始创新、集成创新与消化吸收再创新等三种形式[6]。其中集成创新强调的就是多学科知识的联系与综合，更符合“切削原理与刀具”教材内容与工程实际。“切削原理与刀具”共有14章，每章又有若干小节，散落在每章每节中的不同知识，既相互独立又相互联系。在讲授具体章节的同时，特别强调知识的关联和综合以及知识的灵活运用。在讲授切削变形时，就把分散在第3章的第三变形区与第4章已加工表面部分放在一起讲授，使本来同属第三变形区的内容讲述完整，这样也能将力学、机械制图和材料等多方面的知识有机地结合起来，便于理解和创新。在讲述第2章刀具材料时，有些涉及到超硬刀具材料，而第12章又是超硬刀具，内容与超硬刀具材料部分雷同，为此两者也放在一起讲述，在讲清超硬刀具材料的基础上，重点突出超硬刀具与车刀的不同之处，加深对超硬刀具及其材料的理解。另外，在课堂讲授已有知识时，应体现出该领域的知识更新和发展趋势，让本来就落后的课本知识尽可能地得到更新，努力实现与现有工程实际同步。如“切削原理与刀具”中超高速切削技术、超精密加工技术以及干切削技术等，特别是近年来推出的电火花加工精密异形孔技术，通过动画模拟讲述，效果明显，对学生触动、启发很大。

三、将工程意识的培养自觉地融入到课堂与实践教学的各个环节中

工程意识是一个整体概念。学生的创新能力、工程实践意识通常来源于工程实践活动[7]。机械专业选修课与工程实践结合尤其紧密，真正搭起了一座理论知识与实践教学的桥梁。在理论教学中突出实践教学，在实践教学中强化理论知识，将工程意识的培养自觉地融入到课堂与实践教学的各个环节中。

1.将工程实践有意识地融入课堂教学中

加强工程实践教学，能使理论教学和实践教学有机地融合为一体，为学生营造一个具有工程环境的实践教学氛围[8]。对于课堂教学中偏重于应用的知识需要从工程实践角度去理解。比如可转位刀具角度的确定。理论上，刀具只要根据工况要求，设计好其前角、后角、刃倾角、主偏角等几个基本参数装在刀架上就能使用了，仅考虑刀具本身设计角度即可。但若说在设计可转位刀具时要同时考虑刀片角度和刀槽角度才能给出所需的刀具合理工作角度，这时学生可能就很难接受。这就需要展示刀片和刀体实物，利用现场模拟和动画演示方法，通过两者不断的改变方位直观地弄清仅仅保证刀片的角度很难与实际切削过程中所需的刀具工作角度相吻合的事实。

2.加强工程训练，验证课堂教学理论

工程实践教学体系具有系统性、层次性和实践性。学生在课堂上理解所学知识点的同时，也应该在工程训练中有意识地验证所学理论知识的正确性和适应性。“切削原理与刀具”课程特别重视学生的实践训练，并将其分为教学实践、工程实践和课外实践三大类。对每类实践训练明确分工，相互间又保持一定的联系。教材中重要知识点如工件表面粗糙度，除了在课堂上详细讲解表面粗糙度的计算方法和影响因素，并进行动画演示外，又分了三个阶段强化其工程训练。首先在实验室开设两学时的教学实验课，让学生初步了解工件表面粗糙度的度量方法；到了工程实践阶段，学生去实习工厂对照加工图纸亲身体验不同粗糙度要求的零件加工方法，详细验证课堂上讲授的刀具圆角半径、进给量以及刀具副偏角对表面粗糙度的影响规律，增强对表面粗糙度概念的理解和掌握；在课外实践阶段，专门布置与工件表面粗糙度相关的题目供学生申报各类项目，通过设计、加工和制造刀具，并亲自在机床上加工工件，进一步验证课堂上关于表面粗糙度的讲授内容。

3.鼓励学生参加多种技能锻炼

技能竞赛是提高学生创新能力和实践锻炼的重要途径。为了鼓励和加强学生学习本课程的兴趣，每年都在“切削原理及刀具”中为学生准备操作性强的题目参加不同类型的技能大赛，如省大学生机电产品创新设计竞赛、暑期社会实践、国家创新训练计划项目等，学生可以制作具有新颖结构的三维特种钻头模型和矩形花键推刀，也可以数值模拟和动画演示切削温度的实时分布，还能够搭建铣削力的实验平台，很多学生获得了优异成绩，受益匪浅。

课堂教学中注重学生创新精神和工程意识培养的具体实践说明，只有挖掘机械专业选修课教材中的创造性因素，才能把这些课程讲活讲透，才能在大三下学期或大四上学期吸引更多的学生加入到机械选修课程的学习中来，发挥出机械专业选修课程应有的知识魅力。同时，通过机械专业选修课课堂教学和实践教学的完美统一，也才能让学生真正增强创新意识和工程实践能力，更好更快地融入到社会实践中，为国家创造更多的财富。

(责任编辑：徐建平)

参考文献：

[1]李鹏飞，宗士增.强化高校工程创新人才培养的实践教学途径探微[J].教育与职业，2014(9)：159-161.

[2]王浩程，冯志友，王文涛.基于工程创新教育的实践教学体系探讨[J].实验室研究与探索，2014，33(1)：182-185.

[3]孙晓玲.课堂教学培养大学生自主学习能力的措施[J].江苏高教，2014(2)：94-95.

[4]王澄海.中美研究型大学学生创新意识培养的差异[J].中国大学教学，2012(12)：88-89，34.

[5]陆剑中，孙家宁.金属切削原理与刀具[M].北京：机械工业出版社，2006：30-32.

[6]吴寿煜，张宇红.卓越工程师教学模式的研究与实践[J].高等工程教育研究，2011(6)：34-39.

[7]陈思义.机械设计基础课程实训教学探索[J].中国职业技术教育，2011(17)：23-26.

[8]杨晋，王小荣，刘潇潇，等.工科院校工程教学体系的探索与实践[J].实验技术与管理，2008，25(7)：20-22，32.

Teaching Mode of Mechanical Specialty Elective Courses from the Perspective of Innovation and Engineering Cultivation

ZHANG Li-jun，LI Xiao-peng，XIANG Heng-fu

(China University of Petroleum，Qingdao 266580，China)

Abstract：As an example of “cutting principle and tool” course，on the cultivation of students’ innovative spirit and practical ability，the creative factors in specialty elective course teaching materials are excavated，and the cultivations of engineering consciousness are also integrated into classroom teaching and practice teaching.At the same time，the Dessert Teaching Method is described in the form of engineering cases.The teaching practice shows that the application of above these methods promotes and deepens the theoretical knowledge learning，and also cultivates the learning ability and learning interest.

Key Words：specialty elective course teaching；cutting principle and tool；engineering consciousness；innovation ability

中图分类号：G642.4

文献标识码：A

文章编号：1671-9719(2016)6-0020-03

作者简介：张立军(1977-)，男，山东平阴人，博士，教授，研究方向为机械工程。

收稿日期：2016-03-29修稿日期：2016-04-12

基金项目：山东省高等学校教学改革项目“基于分类培养理念下的大机械类专业创新与工程教育综合改革”(2012018)；中国石油大学(华东)机电工程学院教学改革项目“新本科培养计划下机械类专业选修课甜点教学模式研究”。