“數(shù)控及伺服技術(shù)”課程教學(xué)實(shí)踐探索

陳荷燕，賈茜

(南京工程學(xué)院工業(yè)中心，江蘇南京211167)

工程教育與工程生產(chǎn)實(shí)踐的關(guān)系經(jīng)歷了否定之否定的螺旋式發(fā)展，從以師徒傳承式的經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)實(shí)踐到專家學(xué)者傳授式的工程科學(xué)理論知識的教育，進(jìn)而發(fā)展到融合理論知識學(xué)習(xí)與工程實(shí)踐為一體的CDIO模式。CDIO是英文單詞構(gòu)思Conceive、設(shè)計(jì)Design、實(shí)施Implement、運(yùn)行Operate，其核心理念是“做中學(xué)”和“基于項(xiàng)目教育和學(xué)習(xí)”［1］，在繼續(xù)加強(qiáng)基礎(chǔ)理論學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，向關(guān)注生產(chǎn)實(shí)踐回歸，以全生命周期的項(xiàng)目開發(fā)形式為載體來培養(yǎng)學(xué)生多元能力。

本文對我校工業(yè)中心機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化專業(yè)(數(shù)控加工與維修方向)的專業(yè)核心課程數(shù)控及伺服技術(shù)進(jìn)行教學(xué)實(shí)踐探索，著眼于該課程需要學(xué)生學(xué)到哪些知識，形成和提高哪些能力，采用什么樣的教學(xué)方法和手段保證學(xué)生更好地掌握這些知識和能力，即工程教育者要面對的“做什么”和“如何做”的問題，以及如何建立能更客觀、公正、提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極主動性的教學(xué)考核機(jī)制。

1 CDIO理念下的課程內(nèi)容體系

“數(shù)控及伺服技術(shù)”課程的前身是“數(shù)控原理與系統(tǒng)”和“伺服系統(tǒng)”兩門課程，這兩門課程授課次序有先后，但數(shù)控裝置與伺服系統(tǒng)之間信息關(guān)聯(lián)緊密，另外，機(jī)床檢測裝置也與機(jī)床的各運(yùn)動驅(qū)動系統(tǒng)緊密相關(guān)。課程整合前，學(xué)生習(xí)得的知識呈零散化和碎片化，無法對某一項(xiàng)目有整體性和系統(tǒng)性的認(rèn)知與把握。整合后，教師把較抽象的、難理解掌握的伺服系統(tǒng)課程中的理論知識貫穿到學(xué)生較熟悉的數(shù)控機(jī)床上，讓學(xué)生充分體會伺服系統(tǒng)的橋梁作用，加強(qiáng)了課程的專業(yè)針對性，減少了課時，進(jìn)而形成系統(tǒng)、整體的知識體系。

數(shù)控及伺服技術(shù)課程內(nèi)容分為3大組成部分:

1)數(shù)控機(jī)床的控制原理。數(shù)控機(jī)床的控制原理是本課程的基礎(chǔ)，使學(xué)生了解數(shù)控系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，掌握數(shù)控系統(tǒng)的基本工作原理，包括數(shù)控裝置內(nèi)部數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換過程中的譯碼與診斷、刀補(bǔ)計(jì)算，以及插補(bǔ)運(yùn)算等。

2)數(shù)控機(jī)床的檢測裝置。位置控制系統(tǒng)是指以機(jī)械位置或角度作為控制對象的自動控制系統(tǒng)［2］367。在數(shù)控機(jī)床中，位置檢測裝置檢測位移和速度，發(fā)送位置檢測反饋信號給數(shù)控裝置或伺服裝置。本部分主要介紹數(shù)控機(jī)床常用的檢測裝置:旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器、光柵、編碼器和磁柵，根據(jù)學(xué)時多少靈活分配。

3)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動技術(shù)。數(shù)控機(jī)床伺服驅(qū)動系統(tǒng)是以機(jī)床移動部件(如工作臺、主軸或刀架)的位置和速度為控制量的自動控制系統(tǒng)［3］242，是一種精密的位置跟蹤與定位系統(tǒng)［4］201，伺服進(jìn)給運(yùn)動和主軸運(yùn)動是機(jī)床的基本成形運(yùn)動。本部分要求理解和掌握步進(jìn)伺服系統(tǒng)、直流伺服系統(tǒng)、交流伺服系統(tǒng)的相關(guān)知識，學(xué)會采用仿真和基于實(shí)驗(yàn)臺的方式理解各系統(tǒng)的靜、動態(tài)性能，基于實(shí)驗(yàn)室已有設(shè)備了解驅(qū)動裝置與數(shù)控裝置之間的信號連接，以及進(jìn)給運(yùn)動參數(shù)設(shè)置。

2 CDIO理念下的課程授課方法體系探索

在傳統(tǒng)教學(xué)模式中，學(xué)生提問、建立假設(shè)并驗(yàn)證其假設(shè)的機(jī)會較少，將所學(xué)理論知識與工業(yè)現(xiàn)場操作相結(jié)合的機(jī)會更少。CDIO的教學(xué)理念則是讓學(xué)生以主動的、實(shí)踐的、課程之間有機(jī)聯(lián)系的方式學(xué)習(xí)工程，以綜合的培養(yǎng)方式使學(xué)生在工程基礎(chǔ)知識、個人能力、人際團(tuán)隊(duì)能力和工程系統(tǒng)能力4個層面上達(dá)到預(yù)定目標(biāo)。筆者在數(shù)控及伺服技術(shù)課程教學(xué)過程中以CDIO工程教育理念為指導(dǎo)，對課程教學(xué)方法進(jìn)行實(shí)踐探索，逐步構(gòu)建了由課內(nèi)理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)、課外項(xiàng)目研究小組和網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺組合為一體的授課體系。

2.1 課內(nèi)理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)

從學(xué)習(xí)效果出發(fā)，將常規(guī)的理論課堂適度地搬到實(shí)驗(yàn)室，避免理論知識講解過程中抽象的“空對空”。但由于實(shí)驗(yàn)室里的實(shí)驗(yàn)裝置大多是成套完善的，給予二次開發(fā)的空間不足，導(dǎo)致綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目難以開展。數(shù)控及伺服技術(shù)課程探索將課內(nèi)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目與課外項(xiàng)目相結(jié)合，把較系統(tǒng)的、涉及知識面較多的課外項(xiàng)目分解成若干個實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，平時學(xué)生以小組的形式在小助教的協(xié)助下完成所選實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。逐項(xiàng)完成若干實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目后，就具有了完成較系統(tǒng)的課外項(xiàng)目的基本理論知識和相關(guān)實(shí)驗(yàn)儀器操作能力。

2.2 “課外項(xiàng)目研究小組”教學(xué)方法

為了貫徹CDIO“做中學(xué)”和“基于項(xiàng)目教育和學(xué)習(xí)”的教學(xué)理念，我校工業(yè)中心開展了基于CDIO教學(xué)理念的課外能力進(jìn)階的系列化探究式項(xiàng)目教學(xué)，以項(xiàng)目教學(xué)為載體，培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)觀。依據(jù)項(xiàng)目涉及的專業(yè)知識和項(xiàng)目的規(guī)模，設(shè)置了一級、二級和三級項(xiàng)目，其中二級項(xiàng)目引導(dǎo)課程模塊(相關(guān)核心課程組)的學(xué)習(xí)，三級項(xiàng)目引導(dǎo)單門課程內(nèi)容的學(xué)習(xí)。

數(shù)控及伺服技術(shù)課程將課外項(xiàng)目研究小組作為課堂教學(xué)的有力補(bǔ)充，充分利用學(xué)生課余時間和實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，以專業(yè)方向涉及的真實(shí)工業(yè)領(lǐng)域的項(xiàng)目為基礎(chǔ)，根據(jù)項(xiàng)目生命周期進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，讓學(xué)生體驗(yàn)一個項(xiàng)目完成的全過程，培養(yǎng)其人際交往和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。同時，教師可以把學(xué)生親身參與的項(xiàng)目作為教學(xué)案例，既能有的放矢地進(jìn)行教學(xué)，又能增強(qiáng)教學(xué)互動性。

比如緊扣本專業(yè)方向的項(xiàng)目“兩軸數(shù)控系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)”，該系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)、高速運(yùn)動控制器、交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)和機(jī)床機(jī)械本體組成，通過上位機(jī)控制軟件處理加工程序代碼，生成與伺服驅(qū)動器控制模式相對應(yīng)的有效脈沖信號或模擬電壓信號，驅(qū)動伺服電機(jī)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)對工作臺的運(yùn)動控制。此項(xiàng)目可以把數(shù)控加工程序的譯碼與診斷、刀具半徑補(bǔ)償計(jì)算、二維各種插補(bǔ)算法實(shí)現(xiàn)輪廓控制、數(shù)控機(jī)床伺服軸的驅(qū)動與控制和閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)位置控制器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目囊括在內(nèi)，正好滿足數(shù)控及伺服技術(shù)課程的三級實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目要求，而項(xiàng)目“數(shù)控系統(tǒng)兩軸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)”可作為包括了數(shù)控及伺服技術(shù)課程的“數(shù)控機(jī)床綜合運(yùn)用模塊”的二級項(xiàng)目。通過這些項(xiàng)目的實(shí)施，貫徹了CDIO的理念，強(qiáng)化了實(shí)踐環(huán)節(jié)，使得學(xué)生有機(jī)會在產(chǎn)品/系統(tǒng)生命周期的情境中運(yùn)用專業(yè)理論知識，并加深理解和牢固掌握專業(yè)基礎(chǔ)理論知識。

2.3 “網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺”教學(xué)方法

網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺能解決教學(xué)內(nèi)容多與課時有限的矛盾，延伸了課堂教學(xué)。網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺結(jié)構(gòu)包括教學(xué)大綱、授課計(jì)劃、教學(xué)材料、課程通知、答疑討論、教學(xué)筆記、課外項(xiàng)目研究小組、課程作業(yè)、學(xué)生團(tuán)隊(duì)學(xué)習(xí)成果等。其中“答疑討論”以論壇形式開展與本課程相關(guān)專業(yè)話題的討論;“教學(xué)筆記”有利于教師和學(xué)生及時對教學(xué)、研究活動進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)總結(jié)和反思;“課外項(xiàng)目研究小組”對應(yīng)于2.2節(jié)所述內(nèi)容，以網(wǎng)絡(luò)為媒介加強(qiáng)了教師與學(xué)生的溝通;“課程作業(yè)”欄目以問題為導(dǎo)向，要求學(xué)生自主收集和整理資料，對問題進(jìn)行分析并提出解決方案，從而將課堂教學(xué)活動延伸到課堂之外;“學(xué)生團(tuán)隊(duì)學(xué)習(xí)成果”展示學(xué)生們在學(xué)習(xí)本課程中團(tuán)隊(duì)學(xué)習(xí)的成果，包括項(xiàng)目方案、樣機(jī)制作過程視頻和相關(guān)圖片、研究報告等。

網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺為師生提供了一個共同參與、互動交流的虛擬空間。該空間內(nèi)，教師為主導(dǎo)，學(xué)生為主體，改變“封閉式教育”為“開放式教育”，改變“接受式學(xué)習(xí)”為“探究式學(xué)習(xí)”，由“要我學(xué)”轉(zhuǎn)為“我要學(xué)”，充分提高學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和綜合素質(zhì)，進(jìn)而提升崗位勝任力。

2.4 “教師+小助教模式”教學(xué)方法

以“教師+小助教模式”的教學(xué)方法來激發(fā)學(xué)生的內(nèi)驅(qū)力和培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。教師選擇優(yōu)秀學(xué)生加入小助教團(tuán)隊(duì)，先對小助教開展教學(xué)實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)、項(xiàng)目的培訓(xùn)，然后讓小助教在教學(xué)中輔助教師。這既能鍛煉參與做小助教的優(yōu)秀學(xué)生，激發(fā)其內(nèi)驅(qū)力和自主學(xué)習(xí)能力，又可緩解有限教學(xué)資源與較大學(xué)生規(guī)模之間的矛盾。此外，教師有更多時間鉆研教學(xué)、自我提高，不斷改進(jìn)教學(xué)方法，提升教學(xué)質(zhì)量和效果。

依上所述，該教學(xué)方法體系的構(gòu)建，使學(xué)生不僅能在以項(xiàng)目為載體的工程領(lǐng)域的具體情境中掌握本課程的相關(guān)知識、提高個人職業(yè)技能，還能在項(xiàng)目實(shí)施過程中參與團(tuán)隊(duì)合作，掌握人際交往技能。

3 CDIO理念下課程的教學(xué)質(zhì)量監(jiān)控

數(shù)控及伺服技術(shù)課程理論知識及其應(yīng)用實(shí)踐采用了課外項(xiàng)目的形式，對該課程的教學(xué)質(zhì)量監(jiān)控則采用純理論的課程考核和項(xiàng)目的考核。1)純理論的課程考核。采用常規(guī)的紙質(zhì)閉卷考試，考查學(xué)生對本課程知識的掌握和理解程度。2)項(xiàng)目的考核。課外項(xiàng)目的考核考查學(xué)生對本課程理論知識的實(shí)踐應(yīng)用的熟練程度?？己瞬粌H對項(xiàng)目成果質(zhì)量有要求，還對項(xiàng)目的完成過程質(zhì)量有要求。成果質(zhì)量和過程質(zhì)量相結(jié)合，可以更客觀地評定學(xué)生，也可鞭策學(xué)生。平時，教師不定時地對學(xué)生進(jìn)行輔導(dǎo)和過程考核。結(jié)項(xiàng)時，教師隨機(jī)抽檢項(xiàng)目方案過程中的一部分，學(xué)生要想通過考核，則必須把握整個方案實(shí)現(xiàn)過程所涉及的理論層面上的知識和實(shí)驗(yàn)技能。這種考核方式在一定程度上能促進(jìn)學(xué)生提升團(tuán)隊(duì)合作能力、溝通能力和系統(tǒng)思維能力。

4 結(jié)語

本文對數(shù)控及伺服技術(shù)課程進(jìn)行基于CDIO理念下的教學(xué)內(nèi)容、授課方法體系和教學(xué)質(zhì)量監(jiān)控方法的實(shí)踐探索，使課程教學(xué)由抽象變?yōu)楦鼘?shí)際，由枯燥學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)為生動學(xué)習(xí)，由被動學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)為探索學(xué)習(xí)。但仍有一些問題亟需解決:1)教學(xué)資源(師資隊(duì)伍和教學(xué)設(shè)備)的有限與學(xué)生規(guī)模比較大之間的矛盾;2)課程教學(xué)對工程經(jīng)驗(yàn)要求較高與教師工程實(shí)踐能力較弱之間的矛盾。因此，學(xué)校需積極培養(yǎng)“雙師型”教師，使教師能適應(yīng)工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新的快速步伐，確保課程教學(xué)過程與生產(chǎn)科研不脫節(jié)，讓教師能不斷地更新工程知識，提高項(xiàng)目解決能力，同時為學(xué)生提供較好、較新的一線工程實(shí)踐案例，使CDIO的教育理念與創(chuàng)新型工程應(yīng)用人才的培養(yǎng)得到有機(jī)契合。

［1］王碩旺，洪成文.CDIO:美國麻省理工學(xué)院工程教育的經(jīng)典模式——基于對CDIO課程大綱的解讀［J］.理工高教研究，2009(4):116－119.

［2］郁建平.機(jī)電控制技術(shù)［M］.北京:科學(xué)出版社，2006.

［3］陳蔚芳，王宏濤.機(jī)床數(shù)控技術(shù)及應(yīng)用［M］.北京:科學(xué)出版社，2008.

［4］錢平.伺服系統(tǒng)［M］.2版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2011.