CDIO理念下的电火花加工技术探究性实训

鹿德台，马建民，苗俊田，刘振东

(中国石油大学(华东)石油工业训练中心，山东 青岛 266580)

“中国制造2025”“互联网+”“新工科建设”等重大战略的实施[1-2]，要求工科大学生必须掌握扎实的专业技能、良好的创新能力、较强的团队协作能力，还要具备良好的工程实践能力和工程素养。电火花加工技术已成为先进制造领域中不可或缺的重要组成部分，也是高等院校工程创新与训练课程的核心科目，电火花加工技术训练是培养大学生工程实践能力、工程素养及创新能力的重要途径。电火花加工技术课程的主要内容包括电火花成型机的讲解、电火花线切割两种设备的结构和操作，要求学生能够独立完成简单零件加工，培养实践操作技能；同时也介绍了电火花技术在特种材料、精密模具和精密微细加工等“一特二精”中的应用[3]，开拓学生对先进制造技术领域的认识。由于课程形式分散、各机床操作训练相对独立，学生参与工程应用的实践环节较少，存在重模仿轻应用、缺乏综合能力培养、创新训练效果不佳等问题。课题组结合“以学生为中心，以项目驱动为导向”的教学思想，将实训项目进行优化整合，开展探究性实验教学方案，以提升课程教学质量。

1 课程设计理念

传统的电火花加工技术实训教学多采用讲授法和演示法，主要介绍机床结构与原理，演示机床的操作，以学生能够完成简单实操训练、简单模拟实际生产为教学目的。在电火花加工实训课程中引入CDIO(构思(Conceive)、设计(Design)、实现(Implement)和运作(Operate))工程教育理念，即以项目设计为导向的能力培养，基于问题学习的教学模式[4-5]。电火花加工实训课程将DIY作品实物作为课程载体，引导学生通过对课程载体的分析、理解，进行项目设计、加工等，以项目驱动模式让学生对电火花加工技术有直观的认识。教学过程将紧密围绕载体进行实践创新训练，除了掌握机床安全操作任务外，以问题和案例引导学生开展头脑风暴，要求学生独立设计制作作品，对载体进行设计，发挥想象创作作品，提高学生的创新思维。

2 建设先进的实践教学体系

教学水平的提高离不开科学的教学体系，教学体系是由教学课程、实验环节及教学手段、考核评估等组成的有机整体，是课程开展的指挥棒、指导书[6]。修订前的实践教学体系以理论知识、操作技能和考核方式进行分段建立，侧重于以考试为最终结果的效果反馈，缺乏对教学过程的管理和考核，易造成学生重视测验考试，缺乏学习兴趣和创新动力，忽略享受学习过程。通过本次探究性实验项目，将进一步完善电火花加工技术教学体系，增加实践教学和考核过程管理，优化后课程教学体系如图1所示。

2.1 实施“以问题案例为导向，引导与探究模式相结合”的混合式教学方法

采用先进的教学组织方式，促进学生学思结合，培养学生形成独立批判性思维和创新思维，突出创新性的教学理念[7]，采用游戏互动式、同伴辅导和角色扮演式的教学手段，组织学生讨论、探究，以问题、案例启发引导学生开展创新性项目设计，培养创新能力。

图1 优化后课程教学体系Fig.1 Optimized curriculum teaching system

2.2 构建“重过程表现、重实践能力、重创新素质”的多元化教学过程与考核过程测评体系

注重教学过程与考核过程管理，采用平时表现和技能操作相结合、学习过程和考核结果相结合、知识掌握和创新作品相结合的方式，测评体系既关注学生对基础知识的理解和掌握，也重视学生对问题和案例的理解能力、解决问题的策略和评价，更关注对创新和实践能力以及合作与交流方法等方面的评价。多元化教学过程管理与评价体系帮助学生认识自我、建立自信、激发学习兴趣，培养学生创新意识、创新思维和创新能力[8]。

3 优化教学内容及教学手段

电火花加工技术实训在原电火花线切割技术实训基础上进行延伸和拓展，建设成具有深层次、创新性、趣味性的“以物易物”课程，要求学生观察实物，发挥思维想象力，设计并制作物体模型。充分发挥学生在探究性实验项目中的主体地位，调动学生参与实验教学的积极性和主动性。课程实行模块化、递进式教学，立足理论认知、机床操作、软件学习、创新设计，针对不同的实验内容实施不同的教学手段。

3.1 游戏互动式教学

理论认知部分：部分学生从未见过电火花加工过程，缺乏基本的了解和感性认识，如果直接理论讲解电火花加工原理的核心知识点，学生很难理解。为解决此类问题，在教学设计中首先让学生观看机床生产加工过程，观察从水流中窜出的飞溅火花，激发他们对电火花加工的兴趣，并产生很多疑问，然后通过游戏互动的方式解释这些疑问[9]，使学生直观有效地理解电火花的加工原理。游戏中选出14位学生，分别站两队，每队同学按3/3/1队形站立，每队队形从俯视上观察像一个“山丘”，“山丘”顶端代表材料在微观下突出的点，电离后变成电子和离子，可将电子和离子假想成高速坠落的陨石，快速向对方材料撞击，达到材料蚀除的目的。游戏互动式教学可以把微观的放电过程通过游戏的方式呈现出来，使学生更容易理解和掌握，达到寓教于乐的目的。

3.2 传帮带式教学

机床操作部分：“传”的教学内容是传授技能，主要介绍机床的结构作用和安全操作规程，通过示教法演示机床的加工工艺流程，工艺流程的要点需要重点示范和强调说明，工艺流程的难点要示范准确无误；“帮”的教学内容是帮服学生，学习技能的过程需要吸收和消化，势必需要勤学苦练，操作时难免出现错误，教师要及时答疑解惑，分析问题出现的根本原因，找到解决对策，避免问题再次出现；“带”的教学内容是引领学生，学生短时间的实训很难达到高超的技能，教师要总结经验和生产技巧，示范演示现代生产过程中的技术难点，带领学生攻克技术壁垒。“传帮带”的教学宗旨是“传”授能力，“帮”助成长，“带”出水平。

3.3 团队合作式教学

软件学习部分：学习电火花加工机床的工程软件，主要教学内容是练习图形的绘制，教学过程一般为教师示范演示，但由于授课时间短，教学信息量较大，学生独立思考和操练学习比较困难。教师在单位时间内精力非常有限，主要针对学生的共性问题进行解答，对于个性问题不能全面释疑解惑，造成部分学生带着问题去操作，不能高效完成工程素养训练。因此，可采用合作学习的同伴辅导教学法[10]，教师先示范软件的操作过程，学生自愿结合进行分组，两名学生组成同质小组进行同伴辅导法学习，学习方式从“扶”转变为“放”，有效促进学生之间互帮互助。通过相互辅导，可以解决部分学生的个性问题，使能力相对较差的学生得到有针对性的帮助，让能力强的学生加深学习印象，学生之间相互促进，取长补短。

3.4 角色化探究式教学

创新设计部分：三维作品设计课程主要体现知识的综合性应用，课程内容是设置一项具有较高挑战、低风险性的探究性任务，该任务要求3～4人共同完成，教学过程中采用小组合作学习法[11]，合作学习小组通过异质模式组建，根据编程环节的教师打分，第一名与最后一名组成A队，第二名与倒数第二名组成B队，以此类推进行组队，最后一队不足3人不能组队，分别加入到A队或B队。每队在20min内进行作品评选，确定优胜制作方案。根据任务的不同分为负责人、设计师、工艺师三种角色，团队内优胜方案设计者为负责人，主要负责团队决策和作品总结，具有领导、分工和督导的作用。选出2人为设计师，要求其应具有较好的空间想象和绘图能力，主要负责绘制作品矢量图，根据负责人的草图并借鉴实物后空间想象出模型效果，并在软件中绘制结构合理的图形，分解图应排列整洁紧凑，绘制完成的图形另存为矢量格式后转交给工艺师。工艺师应具备较强的动手能力，主要负责把矢量图转换成机床加工零件，负责人检验零件的尺寸精度和表面光洁度是否合格，设计师和工艺师对加工零件进行表面处理和装配。负责人填写创意作品设计书，说明作品设计、作品来源、工艺排版图、作品展示和作品成本说明等内容，教师对成果进行成绩评判。

4 注重多元化考评

为了激发学习兴趣、培养创新思维、提升工程意识，电火花加工技术探究性实训设计多元化考评手段，包括理论测验、技能考评、图形测验及交流答辩四种考核方式，分别占总分的10%、20%、30%、40%。理论测验采用手机扫码进入网络考评系统，要求在10min内作答20道选择题，考评系统自动检测结果，及时评价理论知识的掌握情况。技能考评采用现场操作测验，教师给定标准零件，通过现场加工测验学生的劳动技能和操作规范，检验学生的动手能力和机床操作熟练度。图形测验也采用现场操作，在规定时间内绘制完成标准图形，与技能考评有所区别，技能考评由教师评分，图形测验采用匿名的方式由学生间互评，目的是提高课堂效率，提升学生参与度，为防止虚假打分教师要进行抽查检验。交流答辩是团队综合性测评，要求4人为小组完成作品汇报和撰写作品设计书，学生通过制作设计书可以慎思团队协作的重要性和个人贡献度，梳理分析作品制作的问题和困难，总结作品的创意和实施方案，最终以图文结合的方式进行汇报。多元化的考评方式能够帮助学生认识自我、建立自信、激发学习兴趣。

5 结语

电火花加工技术探究性实训立项后，受到石油工业训练中心的高度重视，成立高水平课程教研改革小组，经过研精致思的课程设计，建立了上述电火花加工技术实训教学方案，经过两年的教学实践，电火花加工技术探究性实训使学生体验到了学习的快乐，感受到了自己在课程教学中的主体地位，实现了学生对工程知识的态度从“要我学”到“我要学”的思想改变，实现了“以学生为中心”的教学目的。