《特种加工技术》课堂教学方法的思考

辛培防　向光波　樊利芳　裴雅晴

摘 要：本文侧重对《特种加工技术》课程内容的前沿性、综合性、实用性及专业性等特点，为避免课堂教学出现学生学习枯燥乏味的现象，结合自身多年工程实践经验，及时发现当前课堂授课过程中存在的问题，提出课堂教学方法的几点思考，进一步提升学生的课堂学习兴趣，实现教学大纲规定的预期教学目标，为机械制造技术相关的课堂教学提供一定的教学参考。

关键词：特种加工技术 课堂教学 教学方法

1 引言

20世纪以来，人类社会随着工业经济实现跨越式的发展到知识经济时代。全球经济正处在一个动态的变革期间，制造业面临更严峻的挑战；世界各国越来越重视加工制造业的转型，纷纷提出了各项应对政策：“美国提出“工业互联网”、德国提出“工业4.0”中国也提出了“中国制造2025””[1]。为了满足在高温、高压、高速、重载、强腐蚀等苛刻环境工况条件下的工作要求，某些装备和机载设备上大量采用了新工艺、新结构、高精度、新材料和复杂形状的精密零件，这些零件采用传统的机械加工方法难以达到加工精度要求；因此，新型特种加工方法应运而生，并被广泛应用于工业制造、医疗、航空及军事中[2]。

电火花加工是苏联拉扎连科夫妇受到开关触点遭受火花放电腐蚀破坏的生活现象启发，进而开创了特种加工的历史。特种加工技术是将电能、光能、热能、声能、磁场能及化学能和机械能直接施加或通过按规则排列组合后施加到被加工毛坯件的部位上，从而实现材料的去除或镀覆或材料改性的特种加工方法[3]。《特种加工技术》的课程涉及加工、工艺分析、工程材料、编程程序、化学原理、电工电子理论知识以及计算机辅助设计等多门学科交叉融合的综合类课程体系，其课程内容比较晦涩抽象[4-5]。因此，授课教师的知识面要求相对全面；同时，学生要具有一定相关专业课及基础课知识的理论基础。该课程内容包含电火花成型加工（EDM）、线切割加工（WEDM）、电解/电铸/涂镀加工（ECM/EFM/EPM）、激光/电子束/离子束加工（LBM/EBM/IBM）、超声/射流加工（USM）及光敏树脂固化/粉末烧结/薄片叠加/熔丝堆积成型技术（CHP/SLA/SLS/LOM/FDM）和复合加工；本课程要求学生掌握各种加工技术的工艺原理、基本性能特点、适用范围以及配套机床设备的结构组成和作用；同时，课程额外增加了“拓展提高”部分知识，便于学生课后对该部分知识进行拓展和巩固。

《特种加工技术》作为机械及机电专业的一门专业必修课程，基于学校高水平应用型人才的目标培养方案：“以培养学生的创新设计意识和灵活思维能力，拓宽学生除传统机加方法以外的特殊加工手段的掌握为最终目标”。面向本校机械工程学院21级机械设计制造及其自动化专业、21级机电一体化技术及21级工业机器人技术专业开设本门课程，通过对该课程的课堂授课和校内数控重点实验室的案例实验，使学生可以真正掌握和理解常用特种加工方法工艺的理论和规律，做到根据设计要求可以正确制定合理工艺方案并正确编写加工程序的水平；此外，要求学生必须具备一定的实际动手操作能力。因此，本文结合我学院机械制造自动化专业、机电一体化专业和工业机器人技术专业的学生学习特点及《特种加工技术》课程教学过程存在问题，就如何进一步完善课堂教学方法及达到高效高质的教学效果，需要从课程的教学模式、教学方式以及实验实习等方面进行持续优化改进，为机械专业同行的课程教学提供参考，以期进一步提升课堂教学的质量和效能。

2 课程特点

《特种加工技术》的课程涉及加工、工艺分析、工程材料、编程程序、化学原理、电工电子理论知识以及计算机辅助设计等多门学科交叉融合的综合类课程体系，其知识体系结构新颖、运用理论有一定深度、涉及知识面广泛等特点，而且同类相关课程基本上都是在讲解各特种加工方法，相互章节间相关性不大，基本独立。具体可以总结为以下两个方面：

1、理论涉及知识面广泛。特种加工是一门涉及知识面非常广泛的课程，既涉及力、热、声、光、电等基本物理知识，又包含机械设计、公差与互换性、机械制造工艺、数控加工技术等专业基础知识，需要学生具备较为宽广的基础理论知识。

2、工程实践性强。特种加工课程是一门与工程实践密切结合度很高的实践课程，只有不断实践反复印证理论基础知识，才能真正掌握不同加工对象、不同加工工况所需要的特种加工方法，进而在以后步入该行业后才可以快速掌握基本知识并提升工程实践的操作技能，真正做到学以致用。

3 课堂教学中存在的问题

1、课程内容抽象，学习兴趣的持续性差。由于《特种加工技术》课程内容章节间关联性不大、教学内容跨度较大、基本工艺规律较为抽象难理解、知识点繁杂；并加之本课程所涉及的能量来源、工艺方法、加工机理与传统机械加工手段截然不同，绝大部分学生从来没有接触过，内容相对枯燥；同时，本学期授课对象为21级机械类、机电类专业的专科班学生，学习能力和基础相对较弱。因此，本课程起始阶段学生们出于对知识点的缺乏和好奇而具有很高的听课兴致；但随着课程的逐渐深入便觉的授课内容索然无味，总感觉所学知识距离他们很遥远，学习兴趣陡然下降甚至喪失，进而有了“得过且过、考试及格”的想法。当然，课程涉及的技术理论与原理深反而是影响大多数学生学习积极性高涨的一个普遍现象，如何在这种局面下带动学生具有持续的高效的学习兴趣是我们高校教学中需要面对和亟需解决的一个难题。

2、教学方法单一，学时较少。以我校机械工程学院《特种加工技术》为例，该课程本学期共设置24学时：教学20学时、实验4学时。目前，上课普遍采用多媒体课件辅助相关图片、视频等资源，仍然沿袭传统的填鸭的授课方式；学生被动的接受专业知识，主动思考能力慢慢减弱，导致在学习过程中难以形成深刻的理性认知和感性认识。在日前宽口径人才培养模式下，由于课程有限的教学学时和特种加工技术的持续更新，导致课程教学内容与学时分配存在较大的不合理性；较少的教学学时使得采用传统教学模式很难高效完成全部的教学任务，更难以取得良好的教学效果。如何优化教学内容和有限学时合理分配的方案是当前特种加工技术教学过程需要重点关注的一个方面。

3、实训设备不足，实验操作不充分。《特种加工技术》是一门实践性很强的学科，理论源于实践同时也指导实践，只有反复的实验操作才能真正掌握该项加工技术。但是，特种加工技术涉及EDM、WEDM、ECM/EFM/EPM、LBM/EBM/IBM、USM、CHP/SLA/SLS/LOM/FDM等多项特种加工技术。考虑到多数高校教学设备经费有限和特种加工设备高昂的价格，学基本不可能配备齐全的实验设备；仅有少量的特种机床设备供学生进行以点带面的分组推荐单人演示实习，无法实现每位学生都可以亲自动手参与操作；导致学生出现“亲自操作的体验感缺乏、动手能力进一步弱化、教学内容的深刻理解度降低”的问题。

综上所述，为提升课堂授课质量和学生学习效果，迫切需要对《特种加工技术》课程的教学方法和教学手段进行持续优化改进，确保为进一步培养创新型人才提供重要保证。

4 课程教改探索

针对传统教学过程中被动灌输式学习、实验条件和设备有限、听课效果不佳和教学效果差等部分问题，结合郑州科技学院机械工程学院数控实验室的现有机床资源；建议采用以下教学手段为学生提供一种沉浸式、体验式和互动式的教学方法，进而提高本课程的教学效果和学习质量。

1、面向学习目标的小组教学模式。教学过程中引导学生主導思考、积极参与，通过教学反思评价学生学习目标的达成度。具体可按照以下步骤组织学习：兴趣案例导入-明确学习目标-前序知识导入-核心课程参与讨论-目标问题解决-重点难点总结。首先，课程教学过程会提前根据授课内容在班级内部进行合理分组并确定小组代表；其次，小组内部的讨论和小组间的代表讨论，该环节也是本模式的核心；最后，综合分析并指导修正讨论最终结果与学习目标的偏差。

2、案例启发式教学手段。基于学生对工程案例的趣味驱动，以“冰墩墩3D模型实物”为案例来讲解快速成型技术，容易引起学生对该吉祥物如何设计加工制造的思考，进而提升学生学习该项课程的兴趣和主动参与设计制造的迫切愿望。该教学案例的成型步骤如下：首先，利用三维计算机辅助设计或建模软件建模或通过三维扫描设备建立三维图形；其次，3D模型转为STL文件和打印路径确认；再次，导入3D模型切片信息和切片路径；最后，3D打印机打印并对粗糙的地方用锉刀进行打磨，保证光滑。因此，采用源于生活的案例导入教学，使学生对特种加工快速成型技术的理解和应用更深入到位，可以有效避免学生出现所学知识与特种加工技术间距离感的现象，提升教学质量和听课效果。

3、校企联合协同实践实验教学。面对我院《特种加工技术》课程配套特种机床配置数量有限的情况，需要依托企业设备资源优势进行校企联合来实现全员参与实际操作的过程，有效弥补学校实验设备有限的短板，锻炼学生实践能力。学生在学校进行基本理论学习与工件的理想加工实训，但在企业需要对实际工件进行加工制造；校企联合协同实践真正做到“实践中学习、学习中实践”的目的，也有效弥补了理论教学与企业实践之间的偏差，真正做到学以致用和指导社会生产的目的，实现高校和企业共同培养高技能人才的双赢局面。

本实验课题教学可参照《特种加工技术》中电火花线切割加工实验，数控实验室配套设备名称：数控线切割机床；型号：CTW400TA。在校实验学生可以在我院数控实验室按照工件图纸分析后采用3B手动编程的模式F4编写程序、F7加工预演、F1x/y手动调整、靠边定位、加工/高频开启、WireON＼PumpON、F8开始加工，最终加工成所需要的形状；但是，本次程序编写过程中未考虑钼丝直径和放电间隙的影响。通过校内实验实训后，学生基本掌握线切割加工的基本流程和系统操作，在此基础上可以与校企合作单位联系，让学生入场实训；实际电火花线切割加工件过程中，编程时需要充分考虑钼丝半径r和放电间隙S的影响，进而保证工件加工的尺寸要求。通过校内实训和企业实践，真正掌握切割加工编程。

4、考核模式的改革。综合分析学生学习效果，对比传统的“考试成绩+平时成绩+实验成绩”三段式考核手段，本课程建立高效的考核办法，重点考核学生对《特种加工技术》中专业知识的领悟能力和应用能力，规定将《特种加工技术》课程考核的内容分解为以下四个部分：试卷考察（占比40%）、专题PPT汇报（占比20%）、校内或企业实践成果（占比30%）、课堂讨论参与度（10%）。试卷考核侧重于对本课程基本知识的理解和运用方面，以少量自主创新能力提高型题目为辅，检测学生采用特种加工技术分析问题和解决问题的能力；专题PPT汇报各班级小组根据本组的需求自主选题、相关文献资料搜索及分析研究、形成汇报PPT、教师和小组代表分类点评；校内或企业实验成果按照各自设计加工图形进行综合评比；课堂参与度主要根据出勤状况和课堂回答问题的参与度进行记录。

5、科研反哺促进教学成效。在研究性教学过程中，利用翻转式课堂教学，以学生自主讨论研究为主，以教师指导为辅。在授课过程中对科研项目中的部分与本课程相关的内容进行抽丝剥茧，分类分层细化程若干小模块或小问题，利用所学知识，让学生主导参与、逐个解决，最终完成整体的方案。充分调动学生学习的兴趣和探究热情，寓教于研，研教相辅相成，获得事半功倍的效果。如果在此过程有兴趣参与教师科研项目研究的，可以根据学生自己的爱好和知识专长从事科研项目某个板块的研究，进一步加深对该课程的学习成效，也为后续学生毕业课题的设计提供一定的设计基础。

5 结束语

本文以《特种加工技术》课程作为案例，对课程特点带来教学过程中存在的被动的灌输式学习、实验条件和设备有限、听课效果不佳和教学效果差等问题，提出了面向学习目标的小组教学模式、案例启发式教学手段、校企联合协同实践实验教学、考核模式的改革、科研反哺促进教学成效等部分改进建议和思路策略。经过近年来的教学结果对比：提出的教学模式可以让学生自行查阅相关文献资料、视频资源等学习信息的能力和综合表达能力极大提升，而且可以取得更好的教学效果，可为本课程的教学提供一定的参见借鉴。

参考文献：

［1］雍玖，王阳萍，党建武．面向新工科的“虚拟现实+先进制造”协同创新实践教学体系探索［J］．计算机教育，2021（8）：57-59．

［2］梅华平，李玉梅，李涛．智能制造背景下地方本科院校机械工程应用型人才培养研究［J］．装备制造技术，2018（9）：196-198．

［3］靳敏，牛俊，张学明．特种加工技术（“互联网+”创新型教材）［M］．北京邮电大学出版社，2021．

［4］张瑞平．精密与特种加工技术课程的教学改革研究［J］．教育现代化，2017（8）：121-122．

［5］张佳乐，郝旭暖，周逸飞，贾财良．高职《特种加工技术》课程教学改革研究［J］．张家口职业技术学院学报，2018（12）：79-80．