滾齒機教學法研究

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摘要：根據基于問題教學法的要點和滾齒機工作原理，創設了滾齒機問題情境并在實踐教學中加以應用。在此基礎上，通過實例總結了正確應用該教學法的體會。

關鍵詞：問題；情境；教學法；滾齒機；體會

基于問題的學習（Problem-BasedLearning，簡稱PBL）或基于問題的教學法的特點是通過問題情景的創設來激發學生主動學習的欲望，引導學生通過學習活動，探尋解決問題的方法和答案。強調把學習者置于所創設的問題學習環境中，通過有組織的解決問題而獲得自主學習能力和解決問題的技能，從而達到教學目標。由于該教學法在刺激學生思維、培養學生的探究能力和創新意識、調動學生學習的積極性和使學生之間形成合作、促進教學相長和教師在專業道路上發展等方面效果明顯，近年來受到了廣泛的重視。教師、問題、學生是該教學法的三個要素，它們之間的關系是：問題情境是教學組織的核心。在問題情境中，學生是問題求解者，主動參與整個學習過程。而教師也以學習者的身份出現并與學生組成學習共同體。在整個學習過程中，教師的主要作用是指導學生獲取解決問題的方法，同時在問題情景設計、調動學生參與學習活動的積極性、調控學生學習活動的效果等方面發揮學習的協同作用。滾齒機技術是機械設計制造及其自動化專業必修課程《金屬切削機床概論》的重要組成部分。其實踐教學的總體目標是借助現場教學手段，使學生通過對機床實物的認知，了解機床各個組成部分的功能和機床總體布局的特點。通過觀察機床運動，理解齒輪輪齒表面的成形原理以及各個表面成形運動實現方法。通過滾刀和工件的安裝與調整，懂得滾齒機各個傳動鏈在加工齒輪時的作用。最終達到掌握滾齒機工作原理的教學目的。在滾齒機實踐教學中，通過引入基于問題的教學法取得了與課堂教學互為補充良好效果。

一滾齒機問題情境創設

（一）創設原則。（1）問題應有清晰的條理性。在課堂上，滾齒機工作原理是通過滾齒原理、滾刀構造、齒輪輪齒表面的形成、機床傳動系統、滾刀與工件的安裝與調整、機床組成部分與總體布局等知識模塊傳授給學生。而實踐教學擬達到的目標是在不打破課堂教學思路的基礎上，通過現場教學手段讓學生理解和驗證滾齒機結構的來龍去脈及有關概念，從中體會滾齒原理和機床各組成部分的功能及相應傳動鏈的作用，以鞏固課堂教學的成果。因此，在滾齒機問題創設中通過設置問題模塊來體現課堂教學條理性和系統性。（2）問題應有明確的指向性。問題的解決與學習內容的完成與學習目標的實現聯系密切。所創設的問題要站得高，著眼于能激活學生的思維，促進學生高階思維能力的發展。問題還應盡量避免過小和瑣碎，以防止思考余地不充分。因此，針對滾齒機的每一個問題模塊，都設計一組滾齒機的基本問題集將學生的思路直接引入對滾齒機結構的認知和思考。問題擬尋找的答案通過隱含問題集反映出來。它是隱含在基本問題集之后的問題，也是學生通過現場教學的學習活動要掌握的知識，體現了教學目標的實現和教學重、難點的解決。（二）滾齒機問題情境設計。根據創設原則的要求，建立了問題模塊、基本問題集和隱含問題集為一體的滾齒機問題情境模式。詳見滾齒機問題情境設計一覽表。

二教學組織

（一）建立學習共同體。基于問題教學法的學習活動都是在學習共同體中完成的，而且學習共同體中的成員又是參與主動學習的對象。毫無疑問，學習共同體的組建對于高效率地完成學習活動關系密切。因此，根據學生人數和學習程度具體情況的合理劃分來組建學習共同體就顯得比較重要。人數過多，討論的意見和觀點難以集中，不利于成員之間開展學習心得的交流，達不到合作學習的效果；人數過少，又導致學習交流的圈子太小，不利于形成合作學習的氛圍。所以，學習共同體的人數控制在10～12人左右為宜，再將學習程度好與差的學生平均分配在各個學習小組，以利于學生在合作學習中的相互交流和幫助。（二）預習基本問題集。在教學活動開始前，將基本問題集發給學習共同體中的每一個成員預習。引導學生對滾齒機的結構和工作原理展開思考，以便學生在實踐教學活動的討論和教學對話中充分發表意見并做到有的放矢，也使成員之間相互啟發，取長補短，共同營造積極、向上而熱烈的學習氛圍。以提高實踐教學效率。（三）現場科學調度學習內容。實踐教學的平臺在現場，現場教學的特點是面對機床實物開展教學活動，教學活動的效果受現場環境的影響較大。對此，教師必須克服現場教學中可能遇到的各種困難，對教學的內容實施科學調度，以把握學習效果。所以，根據所創設問題的問題模塊的排列順序調度學習內容，既符合學生的認知規律，可以促使學生對問題的理解逐步深入，還可以體現教學活動的思路。以利于學生更準確地掌握學習內容，并通過學習活動為最終獲取解決問題的答案提供方向。

三教學體會

（一）精心創設問題情境是正確運用該教學法的前提。創設問題情境是基于問題教學法的頂層設計，創設的問題集不同于傳統課堂教學方法的設問或提問。前者是啟迪、引導學生自主探尋、獲取知識的鑰匙，體現了教和學的思路。后者只是課堂教學的一般技能。基于問題的教學法所創設的問題集應能引領整個教學過程，激發學生求知欲望和探究意識，幫助學生在問題解決過程中了解知識的形成過程，體會獲取知識的科學方法。還應該有利于學生在同伴中開展合作學習，有利于教師和學生學習共同體作用的發揮。所以，所創設的問題在滿足創設原則的前提下，還應努力做到：第一，問題情境的創設要堅持高起點、低落點，盡可能貼近學生當前的思維平臺，還要能為學生提供“接地氣”的思維發展區。問題既要讓學生感到僅僅憑已掌握的概念和知識還難以解決，需要進一步學習和思考，又要讓學生看到通過自己的努力、同學之間的合作與探討以及教師的幫助，問題是可以解決的。只有這樣，才能激發學生主動學習和探索的欲望。比如：當學生來到機床現場第一眼看到滾齒機時，學生本能的會把課堂上掌握的有關概念與滾齒機實物進行“對接”，但感到還是難以理解機床的結構。因此，為了幫助學生正確認識滾齒機結構，問題從機床的工作原理和總體布局入手，引導學生首先觀察滾刀和工件各自的安裝及其在空間位置，然后以此為起點從刀具和工件兩個認知方向展開對機床結構的分析和討論，最后使學生懂得了機床結構，并歸納了其特點，即滾刀裝在刀架上，滾刀的軸線可在刀架的圓形導軌上轉動，并且滾刀可隨刀架整體可在立柱導軌上垂向移動，立柱固定在機床底座上；工件裝在回轉工作臺上并采用芯軸定位，芯軸的上端與后立柱通過套筒連接以加強芯軸定位的穩定性，后立柱固定與回轉工作臺一起固定在水平滑臺上，該滑臺可以沿機床底座上的導軌水平移動。最終使學生掌握了滾齒機機床的各個組成部分的作用和機床總體布局，把原本比較復雜的機床整機結構轉換成若干個有一定位置關系的基本部件，實現了從整機到部件，再由部件到整機的機床認知過程，取得了“事半功倍”的效果。第二，問題要有一定的層次性、發散性。問題具有層次性，可以把教學內容轉化成若干個水平不同的子問題，以化解問題的難度。既要有相對簡單的面向多數學生的基礎性問題，又要有挑戰性的并且需要學生討論、交流以及需要教師的引導、啟發、幫助才能解決的問題。基礎性問題，可以通過學生的合作學習來保證最低層次學習目標的實現。較高層次的問題能為學生提供有更高水平的學習空間，也是發揮教師的學習啟發、引導和協同作用的契機。發散性的問題，能讓學生在合作學習中有多種思維方式的碰撞，從而激發學生創造性的思維。比如：為了幫助學生理解滾齒機的傳動系統，通過現場觀察機床的運動來創設問題情境。用在課堂上學到的知識分析和解釋下列問題：為什么滾齒機既可加工直齒輪又可加工斜齒輪？兩種齒輪在加工時有何區別？怎樣設計滾齒機的傳動系統才能兼顧兩種齒輪的加工？通過分析和討論，使學生們懂得了滾齒機之所以既可加工直齒輪又可加工斜齒輪的原因是把直齒輪看作是螺旋角為零的斜齒輪，這樣就可以按斜齒輪的表面成形運動來設計滾齒機的傳動系統。再從直齒輪和斜齒輪成形表面的兩條發生線的形成特點來分析它們的異同，即兩種齒輪的母線（漸開線）形成方法一樣，都是采用展成法實現的。而導線的形成方法不同，直齒輪的導線是直線，通過簡單的直線運動就可以實現。斜齒輪的導線是螺旋線，它是一個復合運動。因此，滾齒機的傳動系統由4個傳動鏈組成。其中，展成運動傳動鏈和主傳動鏈用來實現齒輪的母線（漸開線）。在這個表面成形運動中，展成運動傳動鏈是內聯系傳動鏈，用來保證滾刀與工件之間的嚴格運動關系，主傳動鏈是外聯系傳動鏈；加工直齒輪時導線（直線）的實現用豎直進給傳動鏈，它是外聯系傳動鏈；加工斜齒輪時用差動傳動鏈和豎直進給傳動鏈實現導線（螺旋線）。此時，前者是內聯系傳動鏈，以保證刀架與工件之間的嚴格運動關系，后者是前者的外聯系傳動鏈，以使前者得到運動。這些問題都屬于基本問題，學生通過課堂上掌握的概念可以解決。需要深入的問題是加工直齒輪和加工斜齒輪時，在機床結構上要做哪些變化？通過進一步觀察得知，加工直齒輪時不讓差動傳動鏈起作用，將差動交換齒輪組拆掉。加工斜齒輪時再將它們裝上，此時可以清楚的看到合成機構的作用。即它把來自滾刀和刀架的兩個運動一起輸入，經過合成機構的處理得到一個運動輸出，來控制工件的附加轉動。這正是斜齒輪加工的關鍵所在。通過上述所創設問題的層次性和發散性，促進了學生高階思維能力的發展，為正確理解滾齒機的傳動系統和機床結構起到了逐步深入的效果。（二）激勵和引導學生主動參與學習活動是正確運用該教學法的關鍵。基于問題教學法中的“問題解決”，是通過學生之間的合作學習以及教師的協同學習來實現的。在教師與學生學習共同體中，不同看法的討論和交流乃至爭論，都可以起到互相啟發，糾正偏差的效果，從而6教育現代化傳媒品牌獲得解決問題思路和方法上的共識。同時也使學生之間有了傾聽、評論他人觀點的機會。這對增進學生之間的了解和友誼，培養合作意識很有好處。在學習活動中不難發現，學習程度較好的學生可以把自己對問題的體會和心得用自己的語言講出來，以幫助未掌握的學生，也使自己對問題的理解更清晰。難度不大的基礎性問題，可以通過學生之間的互相交流和幫助來解決。教師可以把更多時間和精力放在深入學習小組，幫助個別學生解決疑難問題。因此，要激勵起學生對問題的探索和追求答案的欲望，除了在問題情景創設上狠下工夫外，還要使用各種方法調動學生參與教學對話、討論、交流學習心得的積極性，因為這些活動體現了學生主動學習的精神。比如：為了理解滾刀的安裝角的概念以及現場如何得到安裝角的問題，學生從不同的方面展開討論和交流。教師在這個活動中，首先引導學生明確安裝角的定義是滾刀軸線與被加工齒輪頂面之間的夾角，是齒輪加工現場調整得到的。然后讓學生觀察和分析與安裝角有關的因素。一是滾刀的螺旋升角ω及螺旋線方向，二是被加工斜齒輪的螺旋角β及螺旋線方向。并分析得到這三個角度（δ、ω、β）之間的關系。最后由教師指出調整安裝角的目的在于齒輪加工時，使滾刀和工件處于準確的“嚙合”位置，即滾刀在切削點處的螺旋線方向與被加工齒輪齒槽方向一致。為此，需將滾刀軸線與工件頂面安裝成一定的角度。學生再仔細觀察得知安裝角是通過調整滾刀軸線在刀架圓形導軌內旋轉得到的，從而使學生加深了對滾齒機刀架結構的認知，并理解了調整安裝角的必要性。隱含在這個問題背后的問題是加工斜齒輪時，要盡量采用與工件螺旋線方向相同的滾刀來加工，因為這樣做的原因是可以使安裝角較小，有利于提高機床運動的平穩性和保證工件的加工精度。（三）有效調控學習活動是正確運用該教學法的保證。在教學對話、討論、交流心得等學習活動中，學生是“學“的主體。同時，教師也要發揮“教”的主體作用，兩者是相輔相成的。教師既要平等的參與教學對話、討論、交流學習心得，又要發揮激勵學生、調控教學進程的作用。基本方法是教師要注意聆聽學生的發言，觀察學生的學習表現，及時做出必要的反應。當學生在探尋問題答案的過程中因某種原因陷入困境時，要指引學生改變思考問題的角度或研究方法。當學生對一個問題的看法發生分歧并且是非難分時，要運用有說服力的事例和論據，及時做出分析和疏導，幫助學生開拓視野、獲取新的知識，得到明晰的答案。學生探尋問題解決的過程中，也可能會迷失方向，花時間做無謂的爭論，這時需要教師用適當的策略進行調控和引導。比如：在斜齒輪加工中，對導線（螺旋線）的形成的理解使參與學習的學生開始有些迷茫，展開了爭論，一時是非難分。對這個問題，學生在課堂上學到的概念是刀架豎直進給一個導程，工件應準確地附加轉動1轉。不少學生認為：刀架在垂向移動一個導程的距離遠比齒輪的寬度尺寸大許多，那不意味著刀架在垂向進給中有大部分是空行程，豈不影響加工效率？針對這個問題展開教學對話，教師首先肯定學生分析斜齒輪導線（螺旋線）的形成原理是正確的。然后引導學生觀察加工齒輪時滾刀與工件接觸的初始位置，即對刀點。該點是加工的起始位置，齒輪加工開始后，刀架與工件嚴格按“刀架豎直進給一個導程，工件應準確地附加轉過1轉”的規律運動，以保證螺旋線的形成。但刀架不一定要進給一個導程的距離。原因是刀架與工件的運動關系已由差動傳動鏈保證，此時，只要刀架移動一個齒寬的距離即可實現斜齒輪的齒長。通過現場觀察證實了教師的觀點，同時也使學生進一步觀察到：齒輪加工時是采用芯軸定位，刀架的垂向行程又比較大，所以就可以將幾個齒輪疊加在一起由芯軸一次定位、夾緊進行加工，這樣就可以實現多個齒輪在一次裝夾中完成加工，提高加工效率。不僅找到了問題的答案，而且拓寬了問題答案的應用，學生對該問題的理解進一步提高。學生在解決這些問題的過程中，不僅對課堂中學到的知識加深了理解，把枯燥的機械結構設計問題演變為邏輯推理，一步步走向深入尋找出最終的正確答案。而且培養了分析問題和解決問題的能力，開闊了眼界，提高了自主學習的信心。

四結束語

教師、問題、學生是基于問題教學法的三個基本要素。只有充分把握和發揮好各要素的作用，才能在教學中取得良好的效果。但是，基于問題的教學法不是孤立的，它的正確應用是建立在課堂教學基礎之上的。因為課堂教學為學生搭建起了問題的基本概念和知識體系，基于問題的教學法借助實踐教學平臺把學生對問題的理解和思考引向深入。所以，基于問題的教學法與課堂教學相輔相成，兩者不可偏廢。

參考文獻

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作者:范巍 單位:江漢大學