數(shù)控仿真在一體化教學(xué)中的應(yīng)用

李彤輝

（承德技師學(xué)院，河北 承德 067000）

數(shù)控技術(shù)是制造技術(shù)的核心部分，數(shù)控機(jī)床的加工過程需要數(shù)控程序進(jìn)行機(jī)床操作，具有加工精度高、質(zhì)量穩(wěn)定等特點(diǎn)。隨著我國(guó)中等職業(yè)教育學(xué)校的增加，普通高校的擴(kuò)招等等因素，中等職業(yè)學(xué)校生源質(zhì)量的低劣化現(xiàn)象越來越普遍。特別是普教學(xué)校的競(jìng)爭(zhēng)，進(jìn)一步加劇了這種現(xiàn)象。從目前的情況來看，中等職業(yè)學(xué)校學(xué)生大多來自于初中、高中學(xué)生中的中下層，很大一部分學(xué)生理解能力不高，邏輯思維能力不強(qiáng)，而《數(shù)控編程操作》又是一門理論實(shí)踐結(jié)合強(qiáng)的專業(yè)課，如果按照常規(guī)課堂教學(xué)，效果非常不理想。因此，培養(yǎng)數(shù)控應(yīng)用型人才已成為中等職業(yè)數(shù)控專業(yè)教育的重要任務(wù)。

1 數(shù)控實(shí)習(xí)教學(xué)的現(xiàn)狀

跟傳統(tǒng)的機(jī)械加工實(shí)習(xí)教學(xué)相比較，數(shù)控實(shí)習(xí)教學(xué)存在以下困難：①數(shù)控機(jī)床是一種機(jī)電一體化的機(jī)械加工設(shè)備，價(jià)格較之普通機(jī)床要昂貴得多，一臺(tái)中檔數(shù)控車床或數(shù)控銑床一般需二、三十萬，而數(shù)控加工中心更是高達(dá)幾十萬甚至上百萬數(shù)控機(jī)床的操作訓(xùn)練若完全依賴數(shù)控機(jī)床進(jìn)行實(shí)作訓(xùn)練，投入大、消耗多、成本高。②再者，數(shù)控機(jī)床的系統(tǒng)多，型號(hào)多且更新較快，對(duì)學(xué)校而言是不可能將所有的系統(tǒng)配齊的，這樣經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)學(xué)生在校期間所學(xué)的系統(tǒng)與工廠中不符的情況，使到了工廠后不能盡快適應(yīng)機(jī)床，還需一段時(shí)間的培訓(xùn)后才能進(jìn)行生產(chǎn)。③并且，數(shù)控機(jī)床是自動(dòng)運(yùn)行的，學(xué)生在初學(xué)時(shí)，常常會(huì)由于在編程中的疏忽或操作中的失誤造成刀具或機(jī)床的損壞，甚至造人身危害。因此，為了解決上述問題，學(xué)校從2007年開始數(shù)控教學(xué)起，就嘗試使用宇龍數(shù)控仿真軟件，利用數(shù)控仿真軟件進(jìn)行教學(xué)，計(jì)算機(jī)仿真運(yùn)用到數(shù)控教學(xué)過程當(dāng)中，進(jìn)行真實(shí)場(chǎng)景的仿真操作，培訓(xùn)學(xué)生的實(shí)際技能發(fā)揮了重大的作用，學(xué)校對(duì)數(shù)控專業(yè)的教學(xué)方法和教學(xué)模式進(jìn)行探索，建立數(shù)控教學(xué)的新體系，把理論、仿真和實(shí)踐教學(xué)有機(jī)結(jié)合到一起。

2 數(shù)控仿真

數(shù)控仿真系統(tǒng)就是利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，模擬實(shí)際機(jī)床加工環(huán)境及其工作狀態(tài)的計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)，應(yīng)用于數(shù)控加工操作技能培訓(xùn)，具有安全可靠、培訓(xùn)費(fèi)用低的優(yōu)點(diǎn)。數(shù)控仿真系統(tǒng)主要包括兩個(gè)部分：數(shù)控機(jī)床幾何仿真和切削過程的物理仿真。幾何仿真：模擬實(shí)際機(jī)床的加工環(huán)境，不考慮切削參數(shù)、切削力等對(duì)切削加工的影響，只仿真刀具工件幾何運(yùn)動(dòng)，檢查是否存在碰撞、干涉，驗(yàn)證數(shù)控程序的正確性，避免因程序錯(cuò)誤而導(dǎo)致的夾具刀具損壞、零件報(bào)廢等。物理仿真：通過仿真切削過程的動(dòng)態(tài)力學(xué)特性來預(yù)測(cè)刀具磨損和破損、刀具振動(dòng)，分析加工精度、加工過程的熱效應(yīng)以及切削力作用下的系統(tǒng)彈性變形等，調(diào)整控制切削參數(shù)，從而達(dá)到優(yōu)化切削過程的目的。

幾何仿真包括硬件和軟件兩個(gè)部分。硬件仿真是指虛擬數(shù)控機(jī)床的幾何建模，虛擬數(shù)控機(jī)床與真實(shí)機(jī)床具有相似的結(jié)構(gòu)和完全相同的操作界面，能夠模仿機(jī)床的任何功能。軟件仿真主要是NC碼控制器模塊，它實(shí)現(xiàn)NC程序的編輯調(diào)試，通過加工仿真檢驗(yàn) NC代碼，對(duì)加工中可能出現(xiàn)的碰撞、干涉進(jìn)行報(bào)警提示。

以承德技師學(xué)院使用的上海宇龍數(shù)控仿真軟件為例，雖然軟件中顯示的數(shù)控機(jī)床是一臺(tái)模擬的機(jī)床實(shí)體，但對(duì)于機(jī)床的系統(tǒng)面板和操作面板及操作按鍵是依照真實(shí)的數(shù)控機(jī)床，對(duì)機(jī)床的操作也和真實(shí)的機(jī)床基本相同，它可以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)控車床、數(shù)控銑床和數(shù)控加工中心對(duì)加工零件全過程的仿真。其中包括毛坯定義和安裝、夾具及刀具的定義與選用、零件基準(zhǔn)測(cè)量和設(shè)置、數(shù)控程序錄入和編輯、手動(dòng)、自動(dòng)等操作模式。該軟件還擁有FANUC數(shù)控系統(tǒng)、華中數(shù)控系統(tǒng)、廣州數(shù)控系統(tǒng)等多種數(shù)控系統(tǒng)，具有多系統(tǒng)、多機(jī)床、多零件的加工仿真模擬功能。

3 將數(shù)控仿真軟件應(yīng)用到數(shù)控教學(xué)中

無論是普通學(xué)歷教育，還是職業(yè)教育，都在積極探索、實(shí)施理論與實(shí)踐緊密結(jié)合的一體化教學(xué)，尤其是職業(yè)教育，受其自身的性質(zhì)、特征和培養(yǎng)目標(biāo)的牽引和規(guī)定，展開了一體化教學(xué)改革。所謂一體化教學(xué)，簡(jiǎn)單明了地說就是為了使理論與實(shí)踐更好地銜接，將理論教學(xué)與實(shí)習(xí)教學(xué)在單元教學(xué)時(shí)間里融為一體。其內(nèi)涵主要是打破傳統(tǒng)的學(xué)科體系和教學(xué)模式，根據(jù)職業(yè)教育培養(yǎng)目標(biāo)的要求來重新整合教學(xué)資源，體現(xiàn)能力本位的特點(diǎn)，從而逐步實(shí)現(xiàn)了三個(gè)轉(zhuǎn)變，即從以教師為中心如何“教給”學(xué)生，向以學(xué)生為中心如何“教會(huì)”學(xué)生轉(zhuǎn)變；從以教材為中心向以教學(xué)大綱和培養(yǎng)目標(biāo)為中心轉(zhuǎn)變；從以課堂為中心向以實(shí)驗(yàn)室、實(shí)習(xí)車間為中心轉(zhuǎn)變。

“工作過程學(xué)習(xí)化，學(xué)習(xí)過程工作化?！币惑w化教學(xué)中的行動(dòng)導(dǎo)向六步法，讓學(xué)生主動(dòng)完成學(xué)習(xí)活動(dòng)，教師只是指引者，實(shí)現(xiàn)教學(xué)到導(dǎo)學(xué)的轉(zhuǎn)變；行動(dòng)導(dǎo)向教學(xué)法提倡提問和反思，以促進(jìn)學(xué)生更深入地分析問題，檢驗(yàn)先前提出的假設(shè)，提出多種解決問題的方案。行動(dòng)導(dǎo)向課程有以下特點(diǎn)：

（1）按照工作的流程和環(huán)節(jié)設(shè)立學(xué)習(xí)單元。

（2）按照每一工作環(huán)節(jié)（學(xué)習(xí)單元）的工作：任務(wù)設(shè)立學(xué)習(xí)情境，組織學(xué)生學(xué)習(xí)。

（3）學(xué)生是學(xué)習(xí)的主體。①學(xué)生在“做”中學(xué)——行動(dòng)課程的核心；②學(xué)生在探究中學(xué)；③學(xué)生在合作中學(xué)。

結(jié)合以上理念，針對(duì)虛擬數(shù)控仿真軟件的特點(diǎn)運(yùn)用虛擬數(shù)控仿真軟件建構(gòu)了一種適合職業(yè)數(shù)控專業(yè)課程課堂教學(xué)的探究型學(xué)習(xí)模式，其模式圖如圖1所示。

圖1 數(shù)控專業(yè)課堂教學(xué)的探究型學(xué)習(xí)模式

該模式是基于行動(dòng)導(dǎo)向項(xiàng)目學(xué)習(xí)的一體化教學(xué)思想，合作探究型學(xué)習(xí)模式，運(yùn)用虛擬仿真軟件開展數(shù)控技術(shù)專業(yè)課程的項(xiàng)目探究教學(xué)，有利于實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐一體化教學(xué)。在沒有虛擬仿真軟件的情況下，一個(gè)項(xiàng)目可能有多種解決方案，甚至還有的學(xué)生探究不出正確的方案，如果用真實(shí)的機(jī)床來檢驗(yàn)，不但費(fèi)時(shí)費(fèi)料，還有可能造成安全事故。運(yùn)用虛擬數(shù)控仿真軟件來檢驗(yàn)，不但省時(shí)省料，十分安全，還能提示錯(cuò)誤，解放了教師，學(xué)生自己就能知道自己的方案是否正確，不僅有利于探究型課堂的開展，也有利于學(xué)生實(shí)踐能力的提高。

該模式在自主探究、小組合作探究、小組成果展示階段以學(xué)生為中心，教師為引導(dǎo)者，促進(jìn)學(xué)生和學(xué)習(xí)伙伴溝通，利用情景、合作、溝通會(huì)話等要素充分發(fā)揮學(xué)生的主動(dòng)性、互動(dòng)性和首創(chuàng)精神，最終達(dá)到學(xué)生知識(shí)意義構(gòu)建和創(chuàng)新的目的。在教師解疑、教師點(diǎn)評(píng)階段以教師為主導(dǎo)，教師是學(xué)生學(xué)習(xí)過程的指導(dǎo)者、解疑者、課堂主持人、意義建構(gòu)的幫助者 促進(jìn)者，教師處于中心地位，學(xué)生處于傳遞、接受的學(xué)習(xí)狀態(tài)，學(xué)生在教師幫助下進(jìn)行主動(dòng)思考與探索，便于師生之間的情感交流，有利于系統(tǒng)的科學(xué)知識(shí)的傳授。

總之，將數(shù)控仿真軟件應(yīng)用到數(shù)控的實(shí)訓(xùn)教學(xué)中，充分發(fā)揮仿真軟件在教學(xué)中經(jīng)濟(jì)、科學(xué)、多樣并沒有安全隱患的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)行一體化教學(xué)設(shè)計(jì)，合理評(píng)價(jià)引導(dǎo)學(xué)生，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，讓學(xué)生利用數(shù)控仿真軟件進(jìn)行程序的編制、輸入、校驗(yàn)等練習(xí)，同時(shí)可讓學(xué)生了解不同系統(tǒng)機(jī)床的操作方式，又可以提高教學(xué)效果。通過使用仿真，不但要讓學(xué)生更快、更好地掌握專業(yè)技能，而且還要培養(yǎng)學(xué)生學(xué)會(huì)自學(xué)、獨(dú)立解決實(shí)際問題等方面的能力，但要正確解決在運(yùn)用中產(chǎn)生的問題，以便收到事半功倍的效果。

［1］章登霞，陳剛，沙琳.OPenGL在數(shù)控加工仿真系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.山東理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2007，21（1）：105-107.

［2］王啟義，葛研軍，施志輝，等.數(shù)控車虛擬加工環(huán)境全景仿真技術(shù)［J］.先進(jìn)制造技術(shù)，2001，30（1）：39-40.

［3］王彪，張?zhí)m.數(shù)控加工技術(shù)［M］.北京：北京大學(xué)出版社，2006.

［4］徐曉昂.在數(shù)控技術(shù)專業(yè)中開展模塊化教學(xué)的的研究［J］.益陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，（3）.