知识结构图在“机械制造技术基础”课程教学中的设计与应用

于爱兵，施晨淳，李锦棒，娄军强

（宁波大学机械工程与力学学院，浙江 宁波 315211）

0 引言

目前，为了提高课程教学质量，知识图谱、知识结构图、思维导图、概念图等知识可视化工具逐渐应用于各类课程教学中。例如，范玉雷等[1]将知识图谱导入到“计算机组成原理”课程的教学过程，刘兵等[2]在“农业生态学”教学过程中应用了知识结构图，张翠红[3]将概念图应用于“针灸学”课程教学中，纪燕玲[4]在“微生物学”和“普通真菌学”两门课程的教学中应用了思维导图。应用知识可视化方法可以提供一种简单、实用、清晰的知识表征手段，有助于帮助学生快速建立课程的知识结构体系，实现课程知识点之间的有机联系和整合，提高学习兴趣和学习效率、锻炼学生的深度思考能力，促进学生与老师之间的互动，从而获得良好的教学效果。

1 课程应用知识结构图的必要性

“机械制造技术基础”是机械设计制造及其自动化专业的核心专业课，是培养机械类高级工程技术人才的重要课程。国家教学指导委员会设置了“机械制造技术基础”这门课程，本课程由机械专业原有的“金属切削机床设计”“金属切削原理及刀具”“机床夹具设计”和“机械制造工艺学”等4 门课程整合而成，需要学生及时复习先修课程中与本课程相关的知识，才能深入理解和掌握本课程所包含的技术和知识内容。因此，本课程具有教学内容多[5]、知识面广、知识结构复杂、知识体系丰富等特点，学生普遍感觉课程的知识点多、抓不住重点、学习难度大、缺乏系统清晰的学习思路，难以理解和掌握本课程中涉及的各项制造技术知识内容。

知识结构图是用来组织和表征知识的工具[6]，是一种用图形来表达知识的方法。知识结构图通常采用节点与连线的表达形式，节点以圆圈或方框表示，每个节点代表一个概念或知识点，节点之间的连线代表概念或知识点之间的关系，在节点之间的连线上还可以用文字进行标明，以进一步说明概念或知识点之间的关系。此外，还可以配有相关示意图，以增加知识的生动性和趣味性。因此，在“机械制造技术基础”课程的教学中，采用知识结构图可以简单、清晰表达出本课程的知识体系和知识内容以及知识点之间的关系，解决学生在课程学习中遇到的上述问题，有助于提高课程的教学质量。

2 课程整体知识结构图设计

通过对“机械制造技术基础”课程的教学内容进行梳理和整合，可以发现，如果以工艺规程为课程教学主线，构造出一个将毛坯加工成零件并完成装配的完整工作内容，便很容易将本课程涉及的各部分知识串联起来。课程选用了卢秉恒主编的《机械制造技术基础》（第4 版，机械工业出版社）教材，图1 为本课程教学内容的知识结构图。

图1 中以汽车发动机的制造过程为工程实例，首先进行汽车发动机零件的机械加工，然后再将加工好的零件装配成发动机。在零件的机械加工过程中，涉及加工方法、机床、刀具、夹具、切削用量、加工质量检测以及加工工艺等内容，在机器装配过程中涉及装配工艺内容。在图1 中，上述内容分别与教材的6 个章节相关联，通过这个知识结构图，学生很容易知晓各章节知识在产品制造过程中的作用。因此，通过图1学生就很容易将本课程的教学内容串联起来，指导学生以全局角度了解本课程的知识结构，理解教材各个章节所学知识的工程应用，掌握个章节之间的关系，使学生对众多、复杂的课程内容和不再感到混乱和迷茫。

3 章节知识结构图设计

卢秉恒主编《机械制造技术基础》教材一共包含六章，笔者根据教材分别设计并制作了教材每一章的知识结构图，以生动、有趣的图片描述课程每章应该掌握的知识内容以及知识点之间的关系，从而帮助学生以简单、轻松、有趣的方式系统学习和掌握本章的各部分知识内容。这里，以“第四章机床夹具原理与设计”为例，说明“机械制造技术基础”课程中章节知识结构图的设计。“机械制造技术基础”课程第四章的知识结构图如图2 所示。

图2 课程第四章知识结构图

在课堂教学中，第四章的教学重点是机床夹具的原理部分的内容，而机床夹具设计部分内容主要在后续的课程设计中通过实践教学环节完成，不作为本课程课堂教学的主要内容。首先，通过工件在机床的两种装夹方法，引出机床夹具的教学内容。然后，将机床夹具的教学内容划分为三个部分：夹具基础知识、工件定位方式、定位误差分析计算，从而构成本章课堂教学内容的三个主要组成部分。最后，将每部分的教学内容进行细分，并指出本章内容的相关知识点。例如，工件的定位方式内容包括四个方面内容：以工件平面定位方式、以工件圆孔定位方式、以工件外圆定位方式、组合定位方式。这些定位方式内容的基础理论知识为：六点定位原理。要掌握上述四种定位方式，学生需要具体掌握相应的定位元件，对于组合定位方式，更需要全面掌握各种定位元件所能够限制的自由度。为了使知识结构图更加生动形象，可以在图中添加一些图片，如图2 中所示的工件装夹图片示意图、机床夹具示意图。当然，如果图片的空间足够，各类定位元件以及各类机床夹具等内容也可以用示意图来表达。这样，知识结构图的图片就更丰富多彩了，能够进一步提高学生的学习兴趣。

4 课程应用

自2021 年开始，笔者将所设计的知识结构图逐渐应用于宁波大学机械设计制造及其自动化专业“机械制造技术基础”课程的教学中，每次开课的学生平均数量为120 名。在课程教学过程中，图1 所示的“机械制造技术基础”课程整体知识结构图，一直贯穿于整个课程的教学环节，包括：绪论、每一章开始之初以及课程复习环节。在课程“绪论”的讲授过程中，给学生展示图1，一方面，介绍本课程所学内容的组成部分、课程的功能和作用。告知同学们，本课程主要学习零件的机械加工和机器装配两方面的内容，从而实现将毛坯变成零件、再将零件装配成机器的过程。通过课程学习，学生应该能够掌握和具备机械零件的机械加工和机器装配的能力，从而引出本课程的教学目标。另一方面，在“绪论”的课堂讲授过程中，让学生查看教材的目录页面，再对照图1 所示的课程整体知识结构图，学生就很容易知道本课程中6 个章节学习内容在产品制造过程中的作用和功能，同时也很方便学生掌握课程6 个章节内容之间的逻辑关系，从而让学生建立起“机械制造技术基础”课程的整体认识，帮助学生以全局角度学习本课程。此外，在各个章节开始学习之前，教师都会向学生展示图1，告知学生本章学习内容的作用，同时对图1 所示的课程整体知识结构图进行适当改动，已经讲授和学习后的教学内容在方框图上涂绿色，这样通过对教学内容的颜色，学生就很方便知道学习进度，已经学习了那些内容，还需要学习那些内容，做到心中有数。最后，在复习环节，再次向学生展示图1，并促进学生从全局角度复习和掌握课程内容。

章节知识结构图主要应用于每一章教学内容的讲授之前和讲授完成之后。例如，在讲授课程第四章之前，教师向学生展示图2，说明本章内容的主要任务是实现工件在机床的装夹，而机床夹具是实现工件装夹的常用装夹方法，通过图2 引出第四章的三部分主要教学内容：夹具基础知识、工件定位方式和定位误差分析计算。然后，再通过图2 概要介绍本章将要学习和掌握的主要内容和知识点，说明本章教学内容的重点和难点。在讲授课程第四章之后，教师再次向学生展示图2，复习本章所讲授的知识内容，并指出本章复习的重点内容。

在“机械制造技术基础”课程的教学中引入知识结构图，并经过了3 年的课程应用，取得了良好的教学效果。结课后学生普遍反映，本课程的知识结构图对学生的课程学习和复习很有帮助，充分掌握了“机械制造技术基础”的课程内容，有助于学生理解教材每一章节内容的工程应用以及课程章节之间相互关系。同时，授课教师也体会到，在课程教学中应用知识结构图，解决了本课程知识点多、抓不住重点、学习难度大、缺乏系统学习思路等一系列学习难题，教师的教和学生的学变得相对容易和简单，获得了较好的教学效果，明显提高了课程教学质量。我们在“机械制造技术基础”课程教学中引入知识结构图的教学工作还是初步的探索，还有很多工作需要进一步补充和完善，例如，受到知识结构图的篇幅限制，一些课程细节内容如何表达？如何进一步实现知识结构图的生动性？如何在知识结构图有效区分课程中的理论知识与工艺技术内容？课程各个章节知识结构图表达形式是否需要一致等问题。

5 结语

在“机械制造技术基础”课程的教学中引入知识结构图，以简单、清晰图片表达出本课程的知识体系和知识内容以及知识点之间的关系。设计的课程整体知识结构图有助于指导学生以全局角度了解本课程的知识结构，理解教材各个章节所学知识之间相互关系和知识的工程应用。设计的章节知识结构图能够以生动、有趣的图片描述课程每章应该掌握的知识内容以及知识点之间的关系，从而帮助学生以简单、轻松、有趣的方式系统学习和掌握各章的知识内容。在“机械制造技术基础”课程的教学中引入知识结构图，解决了学生面对的课程知识点多、抓不住重点、学习难度大、缺乏系统学习思路等一系列的学习难题，有助于学生快速理解和掌握本课程中涉及的各项制造技术和知识内容，获得了较好的教学效果，提高了课程教学质量。