基于问题表征特点的数控加工技能教学模式
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摘 要：问题解决能力是技能人才的特色与价值所在，而问题表征是问题解决理论中的核心概念,采用群体研究与个案研究、定量分析与定性分析相结合的研究方法，对高职数控专业2组52名学生进行了实验，分析了在动态的问题解决过程中未实训（n=22）和实训后（n=30）两组学生采取的表征方式及差异，在此基础上对数控技能教学模式进行思考并提出了教学建议。
关键词：数控加工；技能；教学模式；问题表征
作者简介：胡克祖（1972-），男，甘肃兰州人，天津职业技术师范大学职业教育学院副教授，心理学博士，研究方向为技能学习与教育心理。
基金项目：本文为“十一五”全国教育科学规划青年专项“技能学习心理及教学模式研究――以数控加工技能学习为例”（编号：EJA080319，主持人：胡克祖）和天津市高等学校人文社会科学项目研究“基于心理特征的数控加工技能院校培养模式研究”（编号：20062505，主持人：胡克祖）成果之一，同时得到天津职业技术师范大学科研项目“机械加工类高技能人才的能力结构及培养策略”（编号：SK10-07，主持人：王进）的资助。
分类号：G712 文献标识码：A 文章编号：1001-7518（2012）09-005６-04
教学模式是对教学活动的整体描述，数控专业教学模式恰当与否直接决定了数控人才的培养质量。问题解决能力是数控技能人才的特色与价值所在，问题表征又是问题解决的关键，所以，数控加工专业的教学模式也不能忽略问题表征的重要性。已有的数控教学模式大多沿袭了传统的学科教学模式，注重理论知识的传授，忽略了问题解决能力的培养，且缺乏心理学依据。本研究通过了解学生解决数控加工任务过程中的问题表征特点及差异，为技能教学模式研究提供了心理依据，这对改进技能人才教学模式，提高技能培养效率有促进作用。
问题解决是问题解决者对问题的表征状态不断发生变化的过程，这一过程具有非线性、连续和静态与动态结合的特征。问题表征是问题解决者从问题的外部特征开始逐渐深入理解问题的深层结构，把对问题的外部表征逐渐转换为对问题的内部表征的动态过程[1，2]。问题表征研究常与物理、数学、化学等学科问题相结合[3-5]。对表征形式的命名因学科而不同。结合数控加工专业将问题表征划分为符号表征、表象表征、产生式系统表征、命题表征、图示表征五种类型。
（一）符号表征
是将待解决问题中的有关术语和关系转换成字母或数控加工的语言符号，从而促进问题的解决。如由N和随后的1-4位数字组成顺序号字，一般用于程序段开头，便于对程序作校对和检索修改，也可用于加工过程中的显示屏显示，同时便于程序段的复归操作，在主程序或子程序或宏程序中用于条件转向或无条件转向的目标。同时，还有准备功能字，用G和随后的两位整数表示，如G01等。尺寸字X、Y、Z、U、V、W、P、Q、R、I、J、K等。
（二）表象表征
是在没有外在直接信息作用下对内在长时记忆中信息的加工、提取、操作和重组的一种信息表征的方式。我们将其定义为在进行数控加工程序编写的同时，在心理上模拟数控车床加工工件的过程和情景。
（三）产生式系统表征
产生式是多个产生式的联结，当一个产生式的动作成为另一个产生式的条件时，产生式之间便相互联系起来，构成产生式系统。产生式系统表征了复杂技能的完成过程。研究把数控加工编程的程序分为四段：粗加工、精加工、槽的加工、螺纹的加工。这四段程序依次运行，才能完成工件的加工。每一段程序是由不同的产生式构成，所以，都是一个产生式系统。
（四）命题表征
命题表征是陈述性知识的表征方式。研究中，锥度和螺纹的加工，粗加工和精加工的运动轨迹都需要熟悉其计算规则，而这一规则作为陈述性知识是以命题的形式进行表征的。
（五）图式表征
问题解决中的图式是贮存在长时记忆中的问题解决模式，对于问题解决有重要意义。图式表征是直接采用已有方法、步骤来解决问题，从问题呈现，采用已知图式直接进入问题解答。
二、教学安排对数控加工专业学生专业问题解决心理特征的影响
（一）两组学生不同问题表征类型上的人次分布及差异检验
为探明不同教学安排程序对数控加工学生技能学习是否存在影响，研究选用某校同年级实训教学时间，安排不同的数控加工专业学生为研究对象，其中一组在理论教学结束后马上接受实训教学训练，另外一组将在理论课结束10周后接受实训教学训练。对这两组学生在加工任务中问题表征类型进行了比较分析。结果表明实训安排影响问题表征类型。在人次分布上，符号表征和命题表征两组学生差别较小，而表象表征、产生式系统表征及图式表征差异较为明显。
表1 两组学生在不同问题表征类型上的人次分布及比例
由表1可以看出，在表象表征、产生式系统表征和图式表征方面，两组学生差异较大。未实训组学生只有4名学生采用了表象表征，报告能想象数控车床加工工件过程；其他人仅仅是按照编程理论教学内容编写程序，而实训后的学生大多都采用了表象表征。对两组学生在问题表征类型上的分布进行列联表分析，结果表明λ=0.102,p=0.001
（二）问题表征错误类型划分规则及人次分布
1.问题表征错误类型的划分规则：研究把问题表征的错误类型划分为：
（1）表征错误，包含以下几种情况：符号表征中符号使用错误；用铣床的代码对车床进行表征；对参数进行表征时参数设定错误。在问题解决作业单中，数控加工程序的编写需要计算工件粗、精加工运动的轨迹，得到刀位数据，同时需要单独计算工件中锥度和螺纹的尺寸，如果不会计算公式或者没有进行参数的设置，那么属于命题表征错误。
（2）内容表征不完整：问题解决作业单中加工工件根据几何形状和加工顺序分为6部分，如不能对6部分进行完整的表征，就视为内容表征不完整。
（3）产生式系统表征不完整：表现为两部分，一是对四段加工程序的表征不完整，即在表征加工程序上仅仅表征了三段或更少;二是在每一程序段上对程序头、起刀点、循环指令、内容、结尾五部分表征不完整。
2.问题表征错误类型的人次分布及差异检验:由表2可以看出，两组学生在命题表征错误、四段程序表征的完整性上差别较大；这说明产生式系统表征在实训前后学生间差别较大，由此可以推断，实训前后的主要变化是产生式系统表征发生了变化。这表明程序性知识的学习促进了陈述性知识的掌握。对不同问题表征错误类型人次分布进行列联表分析，结果λ=0.081, χ2=20.230，p=0.003
表2 两组学生在不同问题表征错误类型上的人次分布及比例
三、对数控加工专业教学模式的心理学思考
实训后的学生采用表象表征的人次较多，表明实训促进了表象的形成，基于此，在教学过程中可以提前让学生形成表象，以促进数控知识的学习；两组学生产生式表征差异较大，说明实训对产生式的形成和完善起着重要作用。因为未实训学生的相关知识是以陈述性知识形式储存，而实训后的学生则是以程序性知识形式储存，程序性知识比陈述性知识的记忆更为牢固，所以，命题表征的错误未实训的学生比实训学生较多，因此，我们认为在模块理论教学结束后，应立即进行必要的训练，将陈述性知识尽快转化为程序性知识，以避免知识的遗忘。基于此，我们提出如下教学模式，见图1。
图1 数控加工专业编程与实训课程教学模式
（一） 认知过程教学阶段应强化符号表征能力训练
概念和原理掌握的程度以及由此形成的认知结构影响着问题表征的速度和深度。陈述性知识的结构化程度高低，直接影响问题解决过程中操作步骤与加工速度及问题表征层次和复杂性。因此，教师要加强概念、原理和方法的教学，帮助学生建构认知结构，形成命题网络或图式，实现由表面到原理的表征转化。认知过程的教学是以认识论为理论基础，根据人类认识过程由“感性认识―理性认识―再到实践”的一般规律，结合教学过程特点，从学生学习知识角度演绎而来，这种模式能有效传递科学文化知识，一般在教授理论内容中使用[6]。数控加工内容、特点、数控加工工艺的特点、内容、编程的基础知识等理论知识，普遍采用这一模式进行教授。
研究发现学生存在数控编程的代码使用错误、参数设定时使用符号错误、单段程序不完整等现象，说明学生的理论知识掌握得并不牢固。这表明现有的认知过程模式教学可能在某些环节存在问题。认知过程教学多使用语言符号进行，但对语言符号的理解也因个体的知识水平和知识储备以及思维水平存在差异而不同。相对来讲，教师对于学科事实、概念和原理的理解能用较为清晰和专业化的术语来表达，且对语言符号的运用已经达到自动化水平，因此可以自如地表征内容，很快地选择正确的指令；而学生知识有限，相对来讲，表征较慢且准确性低，可能会导致对问题的不理解，造成学生与教师对问题的解释不同。因此，教师在此过程中应注意学生的知识背景和思维水平，注意符号表征的识论训练。
（二）利用参观教学加强表象表征能力
表象表征的使用有助于对问题的正确表征。因为表象是对头脑中形成的图形的操作，所以要进行表象表征，在头脑中必须存在相应的图形。现有教学是在理论教学结束后才进行实训，学生对数控机床及其加工过程并没有直观印象，自然无法形成具有同构关系的表象。产生式系统也是这样，因为产生式是“如果…，那么…”，一旦“如果”错误，在加工过程中会出现撞刀等错误。因为在头脑中没有形成加工过程的表象，所以无法进行表象表征，也无法对产生式系统表征起到促进作用。在教学的过程中，如让学生较早生成表象，有助于产生式系统表征的形成。
参观教学模式能较好解决这一问题。参观是指根据教学目的，组织学生到校内外的某个场所，对实际事物进行观察、研究，从而获得新知识或巩固验证已学知识。参观分四种：预备参观、并行参观、总结参观和扩充知识参观。预备参观的教学目标就是为教学提供感性材料，正是有这个感性材料我们才具备了进行表象表征的基础。感性材料的充分与否能够影响学生在后续理论知识学习过程中的难易，参观式教学模式应注意不要流于形式，确保学生能够对所需了解的工艺过程、操作方法等有深刻的认识。参观教学的基本过程如图2所示。
图2 参观教学模式与表象形成过程
（三）模块教学中合理运用各种表征
模块化教学的目的在于用最短的时间和最有效的方法，使学生掌握某项技能。模块化教学的课程设置、教学大纲和教材是基于对每个工种的任务和技能的深刻分析,严格按照工作规范,开发出不同的教学模块,每个模块都有明确的学习目标和要求,还包括一个特定技能的详细工作步骤,它强调学以致用,具有较强的教学灵活性。
未实训组学生在口语报告中反映：没有经过实训，数控编程的内容、计算公式等已忘记。已有研究也证实程序性知识的记忆要比陈述性知识更为长久。因此，实训教学应及时进行。采用模块教学即可将理论与实践交叉进行，即各种表征都可以在模块教学的早期就可以初步建立，后续模块中加以完善，各种表征方式的交互运用促进了知识的学习与掌握。有人曾将数控加工实训教学分为：熟悉机床操作面板，手动、自动、编辑等操作；直线轮廓零件的编程与加工；圆弧轮廓零件的编程与加工；槽及左倒角的编程方法与加工；综合零件的编程及加工等模块等[7]，就是有益的尝试。
（四）运用模拟教学促进表象表征的熟练运用
在实际教学过程中，往往因设备不足，对实训教学时间安排带来影响，从而影响到学生头脑里的问题表征系统，最终影响到学生技能学习效率和效果。为解决这一问题，有效提高技能学习效率，我们认为在经过参观教学以后，可以进行模拟教学，以便促进学生表象表征能力的提高。模拟教学一般采用数控仿真系统实现。仿真系统以“假”代“真”，不但可以解决职业院校因设备、场地、材料和资金等带来的客观条件的不足，为学生提供接近真实的实习条件，较好地促进表象的形成及正确熟练的运用；还可以避免由于学生的错误操作，可能产生的对学生自身和生产设备的危害。但数控仿真软件毕竟是虚拟的数控机床，缺少操作者的亲身感知，无法保证切削参数的准确验证，有局限性。所以，仿真训练与操作训练在中级工培训的初期需交叉进行，这样既可以克服仿真的缺点，又能缩短培训的时间，保证学生培训的质量。
四、结论
对于数控加工技能教学而言，学生问题表征能力的训练非常重要，且问题表征能力与教学安排之间关系密切。因此，在数控加工技能教学过程中应该加强学生技能学习心理特征的研究，在构建相应的教学模式时亦应该充分考虑学生技能学习过程中的心理特征，根据其学习的心理特征合理安排教学程序，在不同教学阶段进行有针对性地训练方可达到事半功倍的效果。
参考文献：
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[7]曾利奎.模块教学法在数控车实训中的应用[J].科学咨询，2008（4）:90-91.