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滚齿机教学法研究
滚齿机教学法研究 摘要：根据基于问题教学法的要点和滚齿机工作原理，创设了滚齿机问题情境 并在实践教学中加以应用。在此基础上，通过实例总结了正确应用该教学法的体 会。关键词：问题；
情境；
教学法；
滚齿机；
体会 基于问题的学习（Problem-BasedLearning，简称PBL）或基于问题的教学 法的特点是通过问题情景的创设来激发学生主动学习的欲望，引导学生通过学习 活动，探寻解决问题的方法和答案。强调把学习者置于所创设的问题学习环境中， 通过有组织的解决问题而获得自主学习能力和解决问题的技能，从而达到教学目 标。由于该教学法在刺激学生思维、培养学生的探究能力和创新意识、调动学生 学习的积极性和使学生之间形成合作、促进教学相长和教师在专业道路上发展等 方面效果明显，近年来受到了广泛的重视。教师、问题、学生是该教学法的三个 要素，它们之间的关系是：问题情境是教学组织的核心。在问题情境中，学生是 问题求解者，主动参与整个学习过程。而教师也以学习者的身份出现并与学生组 成学习共同体。在整个学习过程中，教师的主要作用是指导学生获取解决问题的 方法，同时在问题情景设计、调动学生参与学习活动的积极性、调控学生学习活 动的效果等方面发挥学习的协同作用。滚齿机技术是机械设计制造及其自动化专 业必修课程《金属切削机床概论》的重要组成部分。其实践教学的总体目标是借 助现场教学手段，使学生通过对机床实物的认知，了解机床各个组成部分的功能 和机床总体布局的特点。通过观察机床运动，理解齿轮轮齿表面的成形原理以及 各个表面成形运动实现方法。通过滚刀和工件的安装与调整，懂得滚齿机各个传 动链在加工齿轮时的作用。最终达到掌握滚齿机工作原理的教学目的。在滚齿机 实践教学中，通过引入基于问题的教学法取得了与课堂教学互为补充良好效果。
一滚齿机问题情境创设 （一）创设原则。（1）问题应有清晰的条理性。在课堂上，滚齿机工作 原理是通过滚齿原理、滚刀构造、齿轮轮齿表面的形成、机床传动系统、滚刀与 工件的安装与调整、机床组成部分与总体布局等知识模块传授给学生。而实践教 学拟达到的目标是在不打破课堂教学思路的基础上，通过现场教学手段让学生理 解和验证滚齿机结构的来龙去脉及有关概念，从中体会滚齿原理和机床各组成部 分的功能及相应传动链的作用，以巩固课堂教学的成果。因此，在滚齿机问题创 设中通过设置问题模块来体现课堂教学条理性和系统性。（2）问题应有明确的指向性。问题的解决与学习内容的完成与学习目标的实现联系密切。所创设的问 题要站得高，着眼于能激活学生的思维，促进学生高阶思维能力的发展。问题还 应尽量避免过小和琐碎，以防止思考余地不充分。因此，针对滚齿机的每一个问 题模块，都设计一组滚齿机的基本问题集将学生的思路直接引入对滚齿机结构的 认知和思考。问题拟寻找的答案通过隐含问题集反映出来。它是隐含在基本问题 集之后的问题，也是学生通过现场教学的学习活动要掌握的知识，体现了教学目 标的实现和教学重、难点的解决。（二）滚齿机问题情境设计。根据创设原则的 要求，建立了问题模块、基本问题集和隐含问题集为一体的滚齿机问题情境模式。
详见滚齿机问题情境设计一览表。
二教学组织 （一）建立学习共同体。基于问题教学法的学习活动都是在学习共同体中 完成的，而且学习共同体中的成员又是参与主动学习的对象。毫无疑问，学习共 同体的组建对于高效率地完成学习活动关系密切。因此，根据学生人数和学习程 度具体情况的合理划分来组建学习共同体就显得比较重要。人数过多，讨论的意 见和观点难以集中，不利于成员之间开展学习心得的交流，达不到合作学习的效 果；
人数过少，又导致学习交流的圈子太小，不利于形成合作学习的氛围。所以， 学习共同体的人数控制在10～12人左右为宜，再将学习程度好与差的学生平均分 配在各个学习小组，以利于学生在合作学习中的相互交流和帮助。（二）预习基 本问题集。在教学活动开始前，将基本问题集发给学习共同体中的每一个成员预 习。引导学生对滚齿机的结构和工作原理展开思考，以便学生在实践教学活动的 讨论和教学对话中充分发表意见并做到有的放矢，也使成员之间相互启发，取长 补短，共同营造积极、向上而热烈的学习氛围。以提高实践教学效率。（三）现 场科学调度学习内容。实践教学的平台在现场，现场教学的特点是面对机床实物 开展教学活动，教学活动的效果受现场环境的影响较大。对此，教师必须克服现 场教学中可能遇到的各种困难，对教学的内容实施科学调度，以把握学习效果。
所以，根据所创设问题的问题模块的排列顺序调度学习内容，既符合学生的认知 规律，可以促使学生对问题的理解逐步深入，还可以体现教学活动的思路。以利 于学生更准确地掌握学习内容，并通过学习活动为最终获取解决问题的答案提供 方向。
三教学体会 （一）精心创设问题情境是正确运用该教学法的前提。创设问题情境是基 于问题教学法的顶层设计，创设的问题集不同于传统课堂教学方法的设问或提问。前者是启迪、引导学生自主探寻、获取知识的钥匙，体现了教和学的思路。后者 只是课堂教学的一般技能。基于问题的教学法所创设的问题集应能引领整个教学 过程，激发学生求知欲望和探究意识，帮助学生在问题解决过程中了解知识的形 成过程，体会获取知识的科学方法。还应该有利于学生在同伴中开展合作学习， 有利于教师和学生学习共同体作用的发挥。所以，所创设的问题在满足创设原则 的前提下，还应努力做到：第一，问题情境的创设要坚持高起点、低落点，尽可 能贴近学生当前的思维平台，还要能为学生提供“接地气”的思维发展区。问题既 要让学生感到仅仅凭已掌握的概念和知识还难以解决，需要进一步学习和思考， 又要让学生看到通过自己的努力、同学之间的合作与探讨以及教师的帮助，问题 是可以解决的。只有这样，才能激发学生主动学习和探索的欲望。比如：当学生 来到机床现场第一眼看到滚齿机时，学生本能的会把课堂上掌握的有关概念与滚 齿机实物进行“对接”，但感到还是难以理解机床的结构。因此，为了帮助学生正 确认识滚齿机结构，问题从机床的工作原理和总体布局入手，引导学生首先观察 滚刀和工件各自的安装及其在空间位置，然后以此为起点从刀具和工件两个认知 方向展开对机床结构的分析和讨论，最后使学生懂得了机床结构，并归纳了其特 点，即滚刀装在刀架上，滚刀的轴线可在刀架的圆形导轨上转动，并且滚刀可随 刀架整体可在立柱导轨上垂向移动，立柱固定在机床底座上；
工件装在回转工作 台上并采用芯轴定位，芯轴的上端与后立柱通过套筒连接以加强芯轴定位的稳定 性，后立柱固定与回转工作台一起固定在水平滑台上，该滑台可以沿机床底座上 的导轨水平移动。最终使学生掌握了滚齿机机床的各个组成部分的作用和机床总 体布局，把原本比较复杂的机床整机结构转换成若干个有一定位置关系的基本部 件，实现了从整机到部件，再由部件到整机的机床认知过程，取得了“事半功倍” 的效果。第二，问题要有一定的层次性、发散性。问题具有层次性，可以把教学 内容转化成若干个水平不同的子问题，以化解问题的难度。既要有相对简单的面 向多数学生的基础性问题，又要有挑战性的并且需要学生讨论、交流以及需要教 师的引导、启发、帮助才能解决的问题。基础性问题，可以通过学生的合作学习 来保证最低层次学习目标的实现。较高层次的问题能为学生提供有更高水平的学 习空间，也是发挥教师的学习启发、引导和协同作用的契机。发散性的问题，能 让学生在合作学习中有多种思维方式的碰撞，从而激发学生创造性的思维。比 如：为了帮助学生理解滚齿机的传动系统，通过现场观察机床的运动来创设问题 情境。用在课堂上学到的知识分析和解释下列问题：为什么滚齿机既可加工直齿 轮又可加工斜齿轮？两种齿轮在加工时有何区别？怎样设计滚齿机的传动系统 才能兼顾两种齿轮的加工？通过分析和讨论，使学生们懂得了滚齿机之所以既可 加工直齿轮又可加工斜齿轮的原因是把直齿轮看作是螺旋角为零的斜齿轮，这样就可以按斜齿轮的表面成形运动来设计滚齿机的传动系统。再从直齿轮和斜齿轮 成形表面的两条发生线的形成特点来分析它们的异同，即两种齿轮的母线（渐开 线）形成方法一样，都是采用展成法实现的。而导线的形成方法不同，直齿轮的 导线是直线，通过简单的直线运动就可以实现。斜齿轮的导线是螺旋线，它是一 个复合运动。因此，滚齿机的传动系统由4个传动链组成。其中，展成运动传动 链和主传动链用来实现齿轮的母线（渐开线）。在这个表面成形运动中，展成运 动传动链是内联系传动链，用来保证滚刀与工件之间的严格运动关系，主传动链 是外联系传动链；
加工直齿轮时导线（直线）的实现用竖直进给传动链，它是外 联系传动链；
加工斜齿轮时用差动传动链和竖直进给传动链实现导线（螺旋线）。
此时，前者是内联系传动链，以保证刀架与工件之间的严格运动关系，后者是前 者的外联系传动链，以使前者得到运动。这些问题都属于基本问题，学生通过课 堂上掌握的概念可以解决。需要深入的问题是加工直齿轮和加工斜齿轮时，在机 床结构上要做哪些变化？通过进一步观察得知，加工直齿轮时不让差动传动链起 作用，将差动交换齿轮组拆掉。加工斜齿轮时再将它们装上，此时可以清楚的看 到合成机构的作用。即它把来自滚刀和刀架的两个运动一起输入，经过合成机构 的处理得到一个运动输出，来控制工件的附加转动。这正是斜齿轮加工的关键所 在。通过上述所创设问题的层次性和发散性，促进了学生高阶思维能力的发展， 为正确理解滚齿机的传动系统和机床结构起到了逐步深入的效果。（二）激励和 引导学生主动参与学习活动是正确运用该教学法的关键。基于问题教学法中的 “问题解决”，是通过学生之间的合作学习以及教师的协同学习来实现的。在教师 与学生学习共同体中，不同看法的讨论和交流乃至争论，都可以起到互相启发， 纠正偏差的效果，从而6教育现代化传媒品牌获得解决问题思路和方法上的共识。
同时也使学生之间有了倾听、评论他人观点的机会。这对增进学生之间的了解和 友谊，培养合作意识很有好处。在学习活动中不难发现，学习程度较好的学生可 以把自己对问题的体会和心得用自己的语言讲出来，以帮助未掌握的学生，也使 自己对问题的理解更清晰。难度不大的基础性问题，可以通过学生之间的互相交 流和帮助来解决。教师可以把更多时间和精力放在深入学习小组，帮助个别学生 解决疑难问题。因此，要激励起学生对问题的探索和追求答案的欲望，除了在问 题情景创设上狠下工夫外，还要使用各种方法调动学生参与教学对话、讨论、交 流学习心得的积极性，因为这些活动体现了学生主动学习的精神。比如：为了理 解滚刀的安装角的概念以及现场如何得到安装角的问题，学生从不同的方面展开 讨论和交流。教师在这个活动中，首先引导学生明确安装角的定义是滚刀轴线与 被加工齿轮顶面之间的夹角，是齿轮加工现场调整得到的。然后让学生观察和分 析与安装角有关的因素。一是滚刀的螺旋升角ω及螺旋线方向，二是被加工斜齿轮的螺旋角β及螺旋线方向。并分析得到这三个角度（δ、ω、β）之间的关系。
最后由教师指出调整安装角的目的在于齿轮加工时，使滚刀和工件处于准确的 “啮合”位置，即滚刀在切削点处的螺旋线方向与被加工齿轮齿槽方向一致。为此， 需将滚刀轴线与工件顶面安装成一定的角度。学生再仔细观察得知安装角是通过 调整滚刀轴线在刀架圆形导轨内旋转得到的，从而使学生加深了对滚齿机刀架结 构的认知，并理解了调整安装角的必要性。隐含在这个问题背后的问题是加工斜 齿轮时，要尽量采用与工件螺旋线方向相同的滚刀来加工，因为这样做的原因是 可以使安装角较小，有利于提高机床运动的平稳性和保证工件的加工精度。（三） 有效调控学习活动是正确运用该教学法的保证。在教学对话、讨论、交流心得等 学习活动中，学生是“学“的主体。同时，教师也要发挥“教”的主体作用，两者是 相辅相成的。教师既要平等的参与教学对话、讨论、交流学习心得，又要发挥激 励学生、调控教学进程的作用。基本方法是教师要注意聆听学生的发言，观察学 生的学习表现，及时做出必要的反应。当学生在探寻问题答案的过程中因某种原 因陷入困境时，要指引学生改变思考问题的角度或研究方法。当学生对一个问题 的看法发生分歧并且是非难分时，要运用有说服力的事例和论据，及时做出分析 和疏导，帮助学生开拓视野、获取新的知识，得到明晰的答案。学生探寻问题解 决的过程中，也可能会迷失方向，花时间做无谓的争论，这时需要教师用适当的 策略进行调控和引导。比如：在斜齿轮加工中，对导线（螺旋线）的形成的理解 使参与学习的学生开始有些迷茫，展开了争论，一时是非难分。对这个问题，学 生在课堂上学到的概念是刀架竖直进给一个导程，工件应准确地附加转动1转。
不少学生认为：刀架在垂向移动一个导程的距离远比齿轮的宽度尺寸大许多，那 不意味着刀架在垂向进给中有大部分是空行程，岂不影响加工效率？针对这个问 题展开教学对话，教师首先肯定学生分析斜齿轮导线（螺旋线）的形成原理是正 确的。然后引导学生观察加工齿轮时滚刀与工件接触的初始位置，即对刀点。该 点是加工的起始位置，齿轮加工开始后，刀架与工件严格按“刀架竖直进给一个 导程，工件应准确地附加转过1转”的规律运动，以保证螺旋线的形成。但刀架不 一定要进给一个导程的距离。原因是刀架与工件的运动关系已由差动传动链保证， 此时，只要刀架移动一个齿宽的距离即可实现斜齿轮的齿长。通过现场观察证实 了教师的观点，同时也使学生进一步观察到：齿轮加工时是采用芯轴定位，刀架 的垂向行程又比较大，所以就可以将几个齿轮叠加在一起由芯轴一次定位、夹紧 进行加工，这样就可以实现多个齿轮在一次装夹中完成加工，提高加工效率。不 仅找到了问题的答案，而且拓宽了问题答案的应用，学生对该问题的理解进一步 提高。学生在解决这些问题的过程中，不仅对课堂中学到的知识加深了理解，把 枯燥的机械结构设计问题演变为逻辑推理，一步步走向深入寻找出最终的正确答案。而且培养了分析问题和解决问题的能力，开阔了眼界，提高了自主学习的信 心。
四结束语 教师、问题、学生是基于问题教学法的三个基本要素。只有充分把握和发 挥好各要素的作用，才能在教学中取得良好的效果。但是，基于问题的教学法不 是孤立的，它的正确应用是建立在课堂教学基础之上的。因为课堂教学为学生搭 建起了问题的基本概念和知识体系，基于问题的教学法借助实践教学平台把学生 对问题的理解和思考引向深入。所以，基于问题的教学法与课堂教学相辅相成， 两者不可偏废。
