基于ST-CDIO模式的《數(shù)控加工編程與操作》教學(xué)探索與實踐

孫克銳

（浙江同濟科技職業(yè)學(xué)院，杭州 311231）

基于ST-CDIO模式的《數(shù)控加工編程與操作》教學(xué)探索與實踐

孫克銳

（浙江同濟科技職業(yè)學(xué)院，杭州 311231）

CDIO工程教育模式符合現(xiàn)代工程人才培養(yǎng)目標(biāo)，同時CDIO也是一個開放的模式。結(jié)合我院《數(shù)控加工編程與操作》課程教學(xué)現(xiàn)狀和存在的不足，在借鑒CDIO模式的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新性的提出ST-CDIO模式，即將情境教學(xué)法與CDIO模式融合起來?；赟T-CDIO模式對該課程從“構(gòu)思、設(shè)計、實現(xiàn)和運作”四個階段進行教學(xué)改革，活躍了教學(xué)氣氛，提高了學(xué)生工程能力、職業(yè)素養(yǎng)、人文素養(yǎng)和職業(yè)可持續(xù)發(fā)展能力。

ST-CDIO情境教學(xué)工程教育數(shù)控加工

引言

CDIO教育模式是近年來國際工程教育改革的最新成果。CDIO代表構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計 （Design）、實現(xiàn)（Implement）、運作（Operate），它以產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運行的生命周期為載體，讓學(xué)生以主動的、實踐的、課程之間有機聯(lián)系的方式學(xué)習(xí)工程。CDIO培養(yǎng)大綱將工程畢業(yè)生的能力分為工程基礎(chǔ)知識、個人能力、人際團隊能力和工程系統(tǒng)能力四個層面，大綱要求以綜合的培養(yǎng)方式使學(xué)生在這四個層面達到預(yù)定目標(biāo)［1-2］。

CDIO是基于“項目教育和學(xué)習(xí)”和“做中學(xué)”的集中體現(xiàn)，以項目為依托，團隊成員之間相互學(xué)習(xí)、合作、交流，共同完成項目任務(wù)［3］。

1　《數(shù)控加工編程與操作》課程教學(xué)現(xiàn)狀

學(xué)院將《數(shù)控加工工藝與編程》和《數(shù)控加工實訓(xùn)》合成《數(shù)控加工編程與操作》一門課，采用教學(xué)做一體化，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和動手能力。不過，采用的項目教學(xué)方法在項目規(guī)劃、執(zhí)行和系統(tǒng)性方面與CDIO的要求有一定差距。此外，由于項目在學(xué)校教室和實訓(xùn)基地完成，與企業(yè)的實際環(huán)境有差異，學(xué)生的工程體驗感較差。

為進一步提高教學(xué)水平、學(xué)生工程綜合能力和職業(yè)素養(yǎng)，在探索實施CDIO的同時，提出ST-CDIO教育模式，即將情境教學(xué)法（Situational Teaching）和 CDIO模式緊密結(jié)合起來。 情境是指帶有一定情緒色彩的場景。ST-CDIO模式的情境設(shè)計包括教學(xué)現(xiàn)場布置要貼近工程實踐場景，教師引導(dǎo)學(xué)生在CDIO的不同階段扮演不同的角色并引導(dǎo)學(xué)生進入相應(yīng)情境。

2　基于ST-CDIO模式的《數(shù)控加工編程與操作》課程教學(xué)改革

ST-CDIO模式三要素：項目、工程實踐情境、做中學(xué)，強調(diào)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和探索性學(xué)習(xí)。通過一個個生產(chǎn)性實踐項目訓(xùn)練，打破以學(xué)科為中心的傳統(tǒng)教學(xué)模式，構(gòu)建知識、學(xué)科間的關(guān)聯(lián)性，使學(xué)生工程能力和職業(yè)素養(yǎng)培養(yǎng)有依托。

2.1構(gòu)思（Conceive）

為貼近生產(chǎn)實際，CDIO模式離不開產(chǎn)學(xué)合作［4］。項目來源最好是產(chǎn)業(yè)界的實際項目，指導(dǎo)老師根據(jù)教學(xué)目標(biāo)要求，篩選或改進項目。為調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和創(chuàng)造性，提倡學(xué)生自己構(gòu)思項目，既豐富教學(xué)案例，又能減少學(xué)生間抄襲現(xiàn)象，學(xué)生也更容易融入情境中。例如在介紹數(shù)控銑床基本指令G00、G01等應(yīng)用時，常采用圖1加工字母的案例［5］。指導(dǎo)老師可以讓學(xué)生在給定的毛坯上設(shè)計、加工自己名字首字母，要求字母輪廓清晰、美觀大方、間距均勻。通過項目實施，學(xué)生既加深對本門課程知識的掌握，又關(guān)聯(lián)應(yīng)用了CAD繪圖、設(shè)計。完成項目后，學(xué)生普遍有成就感。

圖1　P0S零件圖

在構(gòu)思環(huán)節(jié)引入情境教學(xué)法，指導(dǎo)老師引導(dǎo)學(xué)生扮演諸如設(shè)計師、生產(chǎn)者或客戶的角色。客戶提需求，設(shè)計師構(gòu)思產(chǎn)品，滿足客戶需求，生產(chǎn)者就生產(chǎn)可行性提出建議。通過情境教學(xué)，倒逼學(xué)生主動查閱資料，擴大知識面，提高參與度，加深對項目了解，培養(yǎng)學(xué)生換位思考能力。

2.2設(shè)計（Design）

將前期的概念產(chǎn)品通過計算、設(shè)計，最后轉(zhuǎn)化為圖紙、工藝。針對《數(shù)控加工編程與操作》課程，設(shè)計階段主要完成設(shè)備選型、刀具選型、裝夾方式選擇、切削用量選擇、走刀路線規(guī)劃、加工工藝編制、編程和仿真、程序改進。設(shè)計階段情境包括：設(shè)計場景、討論場景、評審場景。設(shè)計室按小組布置一個個圓桌，便于小組討論和減少組與組之間干擾。小組成員都是獨立設(shè)計師，最后小組討論決定最優(yōu)方案。復(fù)雜項目，組長可將任務(wù)分解指派到個人。設(shè)計評審場景，小組以PPT形式匯報設(shè)計方案，其他小組為評審小組，對設(shè)計提出意見，匯報小組答辯，指導(dǎo)老師總結(jié)點評。設(shè)計階段的評價標(biāo)準(zhǔn)包括過程評價和結(jié)果評價。過程評價主要考核學(xué)生參與項目的主動性和對項目的貢獻程度。結(jié)果評價主要是技術(shù)層面，包括工藝合理性、加工效率和程序正確性等。

設(shè)計師的角色扮演培養(yǎng)學(xué)生責(zé)任意識、社會意識、嚴(yán)謹(jǐn)意識，特別是評審情境能訓(xùn)練學(xué)生表達能力、思維能力，促進交流和提高團隊意識。

2.3實現(xiàn)（Implement）

數(shù)控加工項目的實現(xiàn)（Implement）階段主要指加工準(zhǔn)備和產(chǎn)品制作，包括：領(lǐng)料、工件裝夾、刀具裝夾、工量具準(zhǔn)備、程序錄入、校驗、對刀、加工、檢測。情境設(shè)計強調(diào)實訓(xùn)場地布置和現(xiàn)場管理應(yīng)讓學(xué)生身臨其境，如同置身工廠一線。每個小組對應(yīng)一臺機床，獨立操作加工，教師引導(dǎo)學(xué)生進入生產(chǎn)角色并巡查指導(dǎo)。操作者領(lǐng)取加工任務(wù)單；倉管員負(fù)責(zé)發(fā)料并做好登記，作為加工廢品率依據(jù)；組長扮演班組長角色，監(jiān)督生產(chǎn)；其他成員輪流擔(dān)當(dāng)巡檢，不定期抽檢產(chǎn)品，保障加工品質(zhì)。實現(xiàn)階段評價標(biāo)準(zhǔn)：無生產(chǎn)事故、安全文明操作、工量具規(guī)范使用、工件裝夾合理、刀具安裝正確、機床操作熟練程度和工件精度。

根據(jù)筆者教學(xué)實踐，未實施ST-CDIO模式前，學(xué)生安全生產(chǎn)和文明操作意識不強，工具經(jīng)常亂放、亂借、不注意機床保養(yǎng)、機床使用后工作臺忘歸位，機床衛(wèi)生不清理、加工粗心大意等。實施ST-CDIO模式，通過模擬車間工作環(huán)境、管理模式和學(xué)生扮演不同角色，增強了學(xué)生體驗感，提高安全生產(chǎn)意識、品質(zhì)意識、環(huán)保意識等職業(yè)意識和職業(yè)能力。

2.4運作（Operate）

主要指加工過程中問題分析解決、產(chǎn)品質(zhì)量和精度分析、裝配和調(diào)試。數(shù)控加工常見問題有程序錯誤、機器異常、尺寸超差、表面質(zhì)量不達標(biāo)等。遇到問題，學(xué)生首先要自己分析處理，其次尋求幫助，指導(dǎo)教師主要是啟發(fā)指導(dǎo)。學(xué)生在“做”中綜合運用已學(xué)知識，將理論與實踐結(jié)合起來。

基于ST-CDIO模式，可在運作（Operate）環(huán)節(jié)構(gòu)建產(chǎn)品優(yōu)化改進場景、問題討論場景、項目總結(jié)場景。小組以PPT和成果展示的形式匯報項目達成情況，分享從構(gòu)思（Conceive）到運作（Operate）整個過程經(jīng)驗教訓(xùn)，在接下來的項目中有的放矢。每個小組成員可以從CDIO培養(yǎng)大綱要求的四個層面能力分享交流，由于課時限制，該分享在課下完成，教師不定期參與。

基于ST-CDIO模式的《數(shù)控加工編程與操作》課程教學(xué)設(shè)計見表1。

表1　基于ST-CDIO模式的《數(shù)控加工編程與操作》課程教學(xué)設(shè)計

3　基于ST-CDIO模式的《數(shù)控加工編程與操作》課程教學(xué)效果

ST-CDIO模式在CDIO各個階段結(jié)合工程實際貫穿相應(yīng)的場景，學(xué)生有機會扮演不同的角色，更好的體驗工程實踐，更有利于工程意識的培養(yǎng)和工程綜合能力的提高，有利于學(xué)生了解自己的長處、短處、興趣愛好，畢業(yè)后更容易適應(yīng)工作崗位且崗位選擇余地大，職業(yè)可持續(xù)發(fā)展能力強。

3.1工程基礎(chǔ)知識

指技術(shù)知識和推理能力?；赟T-CDIO模式教學(xué)《數(shù)控加工編程與操作》，學(xué)生除了掌握加工工藝、編程和加工知識外，還綜合運用了《機械制圖》、《工程力學(xué)》、《機械制造基礎(chǔ)》等學(xué)科知識。通過實際加工和解決問題，為后續(xù)課程《數(shù)控機床機構(gòu)》、《數(shù)控機床裝調(diào)與維修》的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。以項目為主線將相關(guān)學(xué)科知識聯(lián)系起來，學(xué)以致用，知識掌握的更牢、更透、更活。

3.2個人能力

指個人職業(yè)技能和職業(yè)道德。通過做項目，學(xué)生明確了學(xué)習(xí)方向，主動探索未知領(lǐng)域，在解決問題中提高工程推理能力和解決問題能力。學(xué)生從構(gòu)思產(chǎn)品開始，就要考慮市場可行性、設(shè)計可行性、制造可行性和產(chǎn)品潛在失效模式。以加工姓名為例，學(xué)生設(shè)計時要考慮在給定的尺寸界限內(nèi)如何使名字布局合理、美觀大方；字體大小、間距與所選刀具直徑的關(guān)系；加工路線如何選擇才能保證加工品質(zhì)和效率。通過完成一系列項目，學(xué)生系統(tǒng)思維能力得到提高。通過角色扮演和工程實踐場景相互作用影響，學(xué)生更容易進入工程角色，學(xué)生的職業(yè)道德意識會漸漸固化在大腦中。

3.3人際團隊能力

指團隊協(xié)作和交流能力。項目實施以小組為單位，小組成員分工協(xié)作、交流討論，提高學(xué)生表達溝通能力和團隊意識。由于個人成績與團隊成績掛鉤，在集體榮譽感驅(qū)動下，小組成員能通力合作、協(xié)同攻關(guān)。由于增加了情境設(shè)計和角色扮演，活躍了教學(xué)氛圍，學(xué)生學(xué)會換位思考，學(xué)習(xí)趣味性大大提高。

3.4工程系統(tǒng)能力

指在企業(yè)和社會環(huán)境中構(gòu)思、設(shè)計、實現(xiàn)和運行系統(tǒng)的能力。ST-CDIO模式是基于項目和問題導(dǎo)向的學(xué)習(xí)過程，學(xué)生更切身體驗工程師的角色和責(zé)任，工程與社會、歷史和文化環(huán)境的相互作用和影響，要求自己的設(shè)計符合社會發(fā)展需要。通過模擬企業(yè)實際工作情境，學(xué)生感受到企業(yè)的戰(zhàn)略目標(biāo)、文化和如何在一個團隊中成功的工作。以設(shè)計制造傳動軸為例，學(xué)生根據(jù)零件工況，從設(shè)計開始到完成加工、裝配，全程參與項目，提高學(xué)生工程系統(tǒng)能力和項目管理能力。

4　總結(jié)與展望

ST-CDIO模式是情境教學(xué)法和CDIO工程教育模式的緊密結(jié)合，基于該模式的《數(shù)控加工編程與操作》課程教學(xué)改革，學(xué)生在一定的情境中扮演不同角色，體驗不同崗位職責(zé)，完成項目，增強學(xué)生自主學(xué)習(xí)和探索性學(xué)習(xí)能力、工程綜合能力和素養(yǎng)，拓寬就業(yè)渠道，提升職業(yè)可持續(xù)發(fā)展能力。該門課程的教學(xué)探索和實踐經(jīng)驗可推廣至機械類相關(guān)課程。

由于課時限制，課程項目在構(gòu)思和設(shè)計環(huán)節(jié)并未過多引入機械設(shè)計方面內(nèi)容，今后有條件的情況下，增加學(xué)生自主選題和設(shè)計，提高學(xué)生設(shè)計創(chuàng)新能力。

［1］顧佩華，沈民奮，李升平，莊哲民，陸小華，熊光晶.從CDIO 到EIP.CDIO—汕頭大學(xué)工程教育與人才培養(yǎng)模式探索［J］.高等工程教育研究，2008（1）：12-19.

［2］劉榮佩，史慶南，陳揚建，王 奇.CDl0工程教育模式［J］.中國冶金教育，2011（5）：9-13.

［3］陳文杰.基才CDl0模式的《數(shù)控加工工藝與編程》教學(xué)實施方案［J］.機械職業(yè)教育，2012（2）：53-55.

［4］查建中.論“做中學(xué)”戰(zhàn)略下的 CDIO模式［J］.高等工程教育研究，2008（3）：1-9.

［5］關(guān)雄飛.數(shù)控加工工藝與編程 ［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2014：105.

Teaching Exploration and Practice of NC Machining Programming and Operation Based on ST-CDIO Mode

SUN Kerui
（Zhejiang Tongji Vocational College of Science and Technology，Hangzhou 311231，CHN）

CDIO engineering education mode is consistent with the target of modern engineering talents training，while CDIO is an open mode.The teaching mode of ST-CDIO is innovatively presented based onCDIOmode，combinedwithcurrentteachingsituationand shortcomingsofNCmachiningprogrammingandoperation，which integrates the situation teaching method and CDIO.The teaching reform of NC machining programming and operation from“conception，design，realization and operation”four stages is put into practice based on the teaching mode of ST-CDIO，which actives teaching atmosphere and enhances the students'engineering ability，professional quality，humane quality and professional ability for sustainable development.

ST-CDIO，situation teaching，engineering education，NC machining

浙江同濟科技職業(yè)學(xué)院教學(xué)改革項目（TRC1514）。