機(jī)械制造與自動(dòng)化專業(yè)核心課程軟件開發(fā)與應(yīng)用(上)
——以天津工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院為例

(天津工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 300280)

十二五期間，天津市教委啟動(dòng)了“高等職業(yè)院校提升辦學(xué)水平建設(shè)”工程，天津工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械制造與自動(dòng)化專業(yè)根據(jù)制造業(yè)發(fā)展趨勢，制定方案，積極申請，獲批進(jìn)行優(yōu)質(zhì)特色專業(yè)項(xiàng)目建設(shè)。在優(yōu)質(zhì)特色專業(yè)建設(shè)中，課程建設(shè)是優(yōu)質(zhì)特色專業(yè)建設(shè)的重要內(nèi)容之一，專業(yè)核心課程軟件的開發(fā)是課程建設(shè)的一部分，經(jīng)專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)研究，確定機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)、液壓傳動(dòng)技術(shù)、工程力學(xué)、電機(jī)拖動(dòng)技術(shù)、機(jī)床電氣控制技術(shù)、單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)課程為專業(yè)核心課程。進(jìn)行核心課程軟件開發(fā)，首先要研究每門核心課程的特點(diǎn)，找出教學(xué)難點(diǎn)，然后確定軟件功能，構(gòu)建軟件框架，再進(jìn)行腳本設(shè)計(jì)，最后根據(jù)腳本要求制作出高質(zhì)量的核心課程軟件。

一、分析課程特點(diǎn)，找出教學(xué)難點(diǎn)

機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程有以下特點(diǎn)：通過學(xué)習(xí)機(jī)械中常見機(jī)構(gòu)和通用零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、運(yùn)動(dòng)特性、工作原理、基本設(shè)計(jì)理論、使用和維護(hù)，以及有關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，使學(xué)生掌握機(jī)械的設(shè)計(jì)原理、設(shè)計(jì)方法，具有一般設(shè)計(jì)機(jī)械的能力。而各種機(jī)械零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、運(yùn)動(dòng)特性、工作原理是教學(xué)的難點(diǎn)。

液壓傳動(dòng)控制技術(shù)課程是一門以液壓為傳動(dòng)介質(zhì)的各種機(jī)械傳動(dòng)與控制的技術(shù)，其特點(diǎn)是通過學(xué)習(xí)組成液壓系統(tǒng)的執(zhí)行元件、控制元件、動(dòng)力元件、輔助原件、工作介質(zhì)，能夠設(shè)計(jì)簡單的液壓控制系統(tǒng)，完成液壓系統(tǒng)的常見故障診斷和排除以及日常維護(hù)。教學(xué)難點(diǎn)是各種元件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工作原理及運(yùn)動(dòng)過程。

工程力學(xué)課程特點(diǎn)是，學(xué)習(xí)機(jī)械結(jié)構(gòu)的幾何組成規(guī)律，在載荷的作用下構(gòu)件和結(jié)構(gòu)的剛度、強(qiáng)度和穩(wěn)定性；研究結(jié)構(gòu)正常工作必須滿足剛度、強(qiáng)度、穩(wěn)定性的要求和平面桿系的結(jié)構(gòu)，保證設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)在正常工作時(shí)產(chǎn)生的形變不超過允許范圍，根據(jù)材料的性能特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理的機(jī)械結(jié)構(gòu)。學(xué)習(xí)難點(diǎn)是結(jié)構(gòu)受力時(shí)產(chǎn)生的形變；桿件的承載能力分析；物體的受力分析；靜定結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分析；超靜定結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分析。

電機(jī)拖動(dòng)技術(shù)課程是認(rèn)識(shí)直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理，學(xué)習(xí)他勵(lì)直流電機(jī)運(yùn)行及特點(diǎn)；他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性；單相變壓器參數(shù)的測定；三相變壓器聯(lián)接組別的判別；三相異步電機(jī)的啟動(dòng)及調(diào)速；電機(jī)的故障檢測、判斷及維修。教學(xué)難點(diǎn)是各種電機(jī)工作原理及運(yùn)行過程，電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，電流瞬時(shí)情況及各部件的運(yùn)動(dòng)情況。

機(jī)床電氣控制技術(shù)課程內(nèi)容是，通過學(xué)習(xí)低壓電器元件工作原理，電氣控制的基本規(guī)律，使學(xué)生掌握識(shí)讀電路圖的正確方法，電氣線路接線的基本方法；電氣控制電路的檢測方法；了解電路中電器元件、各觸點(diǎn)的作用；具備典型低壓電器元件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的分析和類型識(shí)別能力；低壓電器元件的選用、安裝與使用能力；電氣控制電路的安裝、調(diào)試能力；低壓電器元件常見故障的判斷、分析與處理能力；電氣控制電路常見故障的判斷、分析與處理能力。教學(xué)難點(diǎn)是電氣元件工作原理、工作過程的分析，電器元件的導(dǎo)通、動(dòng)作狀態(tài)和電流流向。

單片機(jī)技術(shù)應(yīng)用課程不同于其他課程，在單片機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)的基礎(chǔ)上，它集電工電子、電機(jī)、傳感器等知識(shí)技術(shù)于一體，按照用戶提出的功能要求，設(shè)計(jì)硬件電路系統(tǒng)，并把開發(fā)出的程序應(yīng)用在硬件電路中。它是一門軟硬件結(jié)合、應(yīng)用性很強(qiáng)的課程，需要通過反復(fù)實(shí)踐才能熟練應(yīng)用。單片機(jī)綜合項(xiàng)目設(shè)計(jì)訓(xùn)練需要學(xué)生在課下進(jìn)行，因?qū)W校資源有限，不能保證對每個(gè)學(xué)生進(jìn)行課下指導(dǎo)，現(xiàn)有教學(xué)條件不能滿足學(xué)生需求。

二、傳統(tǒng)教學(xué)存在的問題

對于以上教學(xué)難點(diǎn)，傳統(tǒng)的教學(xué)方法是：以掛圖、模型為教具，對其運(yùn)動(dòng)特性、運(yùn)動(dòng)過程、工作原理進(jìn)行描述講解。簡單的零件或機(jī)構(gòu)可以講解清楚，對于復(fù)雜機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性、工作原理就很難描述清楚，老師講解時(shí)需要學(xué)生有較好的想象力，常常是想象的結(jié)果與實(shí)際相差很遠(yuǎn)，用講解的方法就達(dá)不到好的教學(xué)效果。

目前多媒體技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用，僅僅是把文字和圖片搬到屏幕上，仍然需要老師花費(fèi)很多心思、用大量的語言去講解機(jī)械結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過程和工作原理，花費(fèi)時(shí)間長，學(xué)生仍然理解不透，教學(xué)效果達(dá)不到要求。目前也有部分零件和簡單機(jī)構(gòu)的動(dòng)畫演示，但數(shù)量較少，有的不適合教學(xué)，不能很好的滿足教學(xué)需要。

隨著職業(yè)教育理念的加深，教學(xué)方法的改進(jìn)，多數(shù)課程已經(jīng)采用教、學(xué)、做一體化教學(xué)模式，但是復(fù)雜機(jī)構(gòu)是怎樣傳遞運(yùn)動(dòng)和力的，學(xué)生不能理解，學(xué)生只知道怎樣做，不知道為什么這樣做，即只知其然，不知其所以然。如果我們只是為企業(yè)培養(yǎng)操作工這也就夠了，但我們培養(yǎng)的是高技能技術(shù)人才，學(xué)生必須知道各個(gè)零件、各種機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過程和工作原理，在今后的工作中能夠完成設(shè)備改造和技術(shù)革新，使機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)更安全、工作效率更高，為企業(yè)創(chuàng)造更高的經(jīng)濟(jì)效益。

所以傳統(tǒng)的教學(xué)方法存在較大缺陷：復(fù)雜機(jī)構(gòu)、零件的工作原理、運(yùn)動(dòng)特性不能直觀的展示給學(xué)生，不能有效解決教學(xué)中的難點(diǎn)；無論是掛圖還是放映在屏幕上的圖都是靜態(tài)的，而不是動(dòng)態(tài)的，無法顯現(xiàn)機(jī)構(gòu)每一時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；教師與學(xué)生之間的互動(dòng)達(dá)不到預(yù)期效果；不能完成模擬訓(xùn)練；學(xué)生不能自行測試。

改變以上有諸多缺點(diǎn)的教學(xué)方法，就需要開發(fā)專業(yè)核心課程軟件，該軟件集理論教學(xué)、模擬訓(xùn)練、設(shè)計(jì)訓(xùn)練、自行測試、考核于一體。把復(fù)雜機(jī)構(gòu)的工作原理、運(yùn)動(dòng)特性，電器元件、動(dòng)力元件、工作介質(zhì)、受載荷后的工件變形等以動(dòng)畫的形式展現(xiàn)給學(xué)生，克服了用過多的語言描述，而學(xué)生有難以理解的缺點(diǎn)，讓學(xué)生在視頻中輕松學(xué)習(xí)，教學(xué)難點(diǎn)得到很好的解決。視頻和語音相結(jié)合展示單片機(jī)技術(shù)課程在工程項(xiàng)目中的設(shè)計(jì)和制作，這種教學(xué)方式，及方便學(xué)生自學(xué)，也使學(xué)生在沒有老師的情況下能夠得到指導(dǎo)，拓展了學(xué)生的學(xué)習(xí)時(shí)間和空間，使學(xué)生隨時(shí)能夠?qū)W習(xí)、訓(xùn)練、設(shè)計(jì)電路，從而提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)。

三、構(gòu)建課程體系，確定課程內(nèi)容

1.根據(jù)專業(yè)崗位技能需求，科學(xué)構(gòu)建課程體系

根據(jù)學(xué)生知識(shí)、技能、態(tài)度的形成規(guī)律，以及機(jī)械制造與自動(dòng)化專業(yè)三種職業(yè)能力之間的內(nèi)在聯(lián)系，圍繞專業(yè)核心技術(shù)，學(xué)校與企業(yè)聯(lián)手，以培養(yǎng)專業(yè)技術(shù)崗位能力為核心，與企業(yè)典型生產(chǎn)項(xiàng)目、典型生產(chǎn)設(shè)備的工作過程相對接，構(gòu)建專業(yè)課程體系，具體分為以下五部分教學(xué)內(nèi)容：

第一，公共學(xué)習(xí)部分：學(xué)習(xí)職業(yè)守則、職業(yè)道德、安全操作與勞動(dòng)保護(hù)知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生基本素質(zhì)，建立現(xiàn)代從業(yè)人員應(yīng)具有的職業(yè)意識(shí)，增強(qiáng)職業(yè)核心能力，養(yǎng)成良好的職業(yè)習(xí)慣。

第二，專業(yè)知識(shí)和技能部分：按照培養(yǎng)三種職業(yè)專項(xiàng)能力的要求，將專業(yè)知識(shí)和技能分為數(shù)控機(jī)床加工技術(shù)、普通機(jī)械加工技術(shù)、機(jī)床電氣維護(hù)與排故技術(shù)。

普通機(jī)械加工技術(shù)教學(xué)模塊涵蓋機(jī)械制圖、工程力學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)、機(jī)械制造基礎(chǔ)與技術(shù)、公差與技術(shù)測量、金屬加工工藝和加工設(shè)備操作課程，通過該部分教學(xué)內(nèi)容的學(xué)習(xí)，使學(xué)生熟練掌握手工繪圖、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)繪圖技術(shù)，具有讀圖能力，獲得中級制圖員證書；能進(jìn)行加工工藝規(guī)程編制，對各種生產(chǎn)工具能夠熟練使用；能熟練地操作一種普通機(jī)床。

數(shù)控加工技術(shù)教學(xué)模塊，培養(yǎng)學(xué)生數(shù)控編程與操作技能，通過計(jì)算機(jī)仿真、數(shù)控機(jī)床實(shí)際操作，真實(shí)零件加工等訓(xùn)練，使學(xué)生熟練掌握通用零件的數(shù)控機(jī)床加工技術(shù)；具備根據(jù)加工工藝正確選用工裝夾具及數(shù)控刀具的能力；能夠進(jìn)行數(shù)控機(jī)床故障診斷、維護(hù)和調(diào)試。

機(jī)床電氣維護(hù)知識(shí)和技能模塊包括普通和數(shù)控機(jī)床的維修與維護(hù)，通過學(xué)習(xí)和訓(xùn)練使學(xué)生具備對普通機(jī)床和數(shù)控機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)、電氣控制部分故障判斷、故障分析和維修能力；掌握普通、數(shù)控機(jī)床的定期維護(hù)保養(yǎng)技術(shù)。

第三，拓展學(xué)習(xí)部分：找出學(xué)生個(gè)性差異，發(fā)揮學(xué)生的特長，挖掘?qū)W生的潛能，使學(xué)生掌握專業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展趨勢，適應(yīng)職業(yè)的變化，滿足學(xué)生能力提升的需求。

第四，生產(chǎn)性綜合技能訓(xùn)練部分，根據(jù)職業(yè)崗位標(biāo)準(zhǔn)和個(gè)人就業(yè)意愿，分層次、分方向開展職業(yè)技能的專項(xiàng)訓(xùn)練與認(rèn)證考核。重點(diǎn)進(jìn)行數(shù)控加工技術(shù)、機(jī)械加工技術(shù)、機(jī)床電氣設(shè)備維護(hù)三個(gè)方面的訓(xùn)練，依據(jù)相關(guān)職業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，以考取職業(yè)資格證書為基本要求，在校內(nèi)實(shí)訓(xùn)基地，給出具有完整工作過程的訓(xùn)練項(xiàng)目，完成綜合實(shí)訓(xùn)，考取由人社部頒發(fā)的相關(guān)職業(yè)資格證書。

第五，頂崗實(shí)習(xí)課程：明確企業(yè)實(shí)際崗位要求，把每個(gè)崗位按照工作過程分解成若干任務(wù)或項(xiàng)目，根據(jù)任務(wù)或項(xiàng)目要求確定實(shí)習(xí)內(nèi)容，學(xué)生根據(jù)企業(yè)的實(shí)際崗位自主選擇，在企業(yè)技術(shù)人員和教師的共同指導(dǎo)下完成頂崗實(shí)習(xí)教學(xué)任務(wù)。

2.按照與企業(yè)對接原則確定課程內(nèi)容

通過到企業(yè)調(diào)研、與企業(yè)技術(shù)人員討論等形式，深刻了解企業(yè)崗位知識(shí)技能要求，確定課程內(nèi)容。課程內(nèi)容涵蓋現(xiàn)代企業(yè)優(yōu)秀文化理念和社會(huì)主義核心價(jià)值體系，職業(yè)素養(yǎng)和職業(yè)道德，機(jī)械制造工藝編制與實(shí)施能力；機(jī)械裝配與安裝、調(diào)試的能力；機(jī)械制造生產(chǎn)操作與精度檢測技能；設(shè)備保養(yǎng)、維護(hù)和維修能力。從而培養(yǎng)具有較強(qiáng)的社會(huì)適應(yīng)能力，具有良好職業(yè)素養(yǎng)和創(chuàng)新精神，較好服務(wù)于機(jī)械行業(yè)生產(chǎn)一線的技術(shù)技能型人才。

四、設(shè)計(jì)軟件框架，進(jìn)行軟件開發(fā)

1.明確專業(yè)核心課程軟件的結(jié)構(gòu)和功能

經(jīng)專業(yè)指導(dǎo)委員會(huì)研究，結(jié)合教學(xué)實(shí)際，確定專業(yè)核心課程軟件具備以下結(jié)構(gòu)及功能：能夠完成理論教學(xué)；能夠進(jìn)行實(shí)際訓(xùn)練；實(shí)現(xiàn)模擬仿真；具有考核測試功能；具有可擴(kuò)展課程功能。在機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)、工程力學(xué)、液壓傳動(dòng)控制技術(shù)、電機(jī)拖動(dòng)及維修技術(shù)、機(jī)床電氣控制技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)應(yīng)用六門課程的教學(xué)中能有效解決教學(xué)難點(diǎn)，教、學(xué)、做一體，實(shí)現(xiàn)講練結(jié)合，教師能實(shí)時(shí)掌握學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)態(tài)和學(xué)習(xí)進(jìn)度，實(shí)現(xiàn)良好的教學(xué)效果。

理論教學(xué)模塊：設(shè)計(jì)出每個(gè)任務(wù)或項(xiàng)目的教學(xué)內(nèi)容，指出教學(xué)難點(diǎn)，用圖解和動(dòng)畫解決教學(xué)難點(diǎn)。

實(shí)訓(xùn)管理模塊：完成設(shè)計(jì)方案的制定，根據(jù)所給參數(shù)，根據(jù)不同的課程要求，選配不同的機(jī)構(gòu)和零件，繪制平面圖和實(shí)體圖，并完成實(shí)體零件的裝配、液壓回路的繪制或單片機(jī)的項(xiàng)目設(shè)計(jì)。

模擬仿真模塊：通過模擬有多種機(jī)構(gòu)組成復(fù)雜機(jī)器，讓學(xué)生了解各種機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)情況，機(jī)構(gòu)之間的運(yùn)動(dòng)傳遞情況，各種機(jī)構(gòu)在機(jī)器中的位置和作用，確保設(shè)計(jì)出的機(jī)械結(jié)構(gòu)效率更高、更安全。

考核測試模塊：每門課對學(xué)生進(jìn)行四次理論考試，教師可以授予學(xué)生考試的權(quán)限，以便對缺課多于三分之一的學(xué)生控制考試。軟件能夠追蹤學(xué)生考試情況，對包括實(shí)際訓(xùn)練成績在內(nèi)的所有成績綜合統(tǒng)計(jì)和分析。

2.理論模塊的腳本設(shè)計(jì)

專業(yè)核心課程軟件結(jié)構(gòu)和功能確定后，即可規(guī)劃一級菜單、二級菜單及正文頁面的內(nèi)容，并確定用圖、動(dòng)畫表示的知識(shí)點(diǎn)，理論教學(xué)模塊的腳本設(shè)計(jì)以機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程為例，首先把機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程內(nèi)容分為六個(gè)情景，進(jìn)行情景設(shè)計(jì)，每個(gè)情景分若干個(gè)項(xiàng)目，每個(gè)項(xiàng)目又分二級菜單，然后設(shè)計(jì)每頁的內(nèi)容和動(dòng)畫要求，以下是情景三的項(xiàng)目四：

表1

然后再給出項(xiàng)目四輪系中每個(gè)頁面的具體內(nèi)容，并指出要求。

第一頁面的內(nèi)容：

平面定軸輪系傳動(dòng)比的計(jì)算

一對齒輪的傳動(dòng)比計(jì)算：

轉(zhuǎn)向關(guān)系：

由此看出，定軸輪系傳動(dòng)比在數(shù)值上等于該定軸輪系的各對嚙合齒輪傳動(dòng)的連乘積。

在定軸輪系中，若把首輪設(shè)為1輪，把末輪設(shè)為K輪，則定軸輪系傳動(dòng)比為：

1—代表首輪， K—代表末輪，m—代表輪系中外嚙合齒輪的對數(shù)。m為偶數(shù)時(shí)傳動(dòng)比的值為負(fù)，表示首末輪轉(zhuǎn)向相同；m為奇數(shù)時(shí)傳動(dòng)比的值為負(fù)，表示首末輪轉(zhuǎn)向相反。

括號(hào)內(nèi)容字號(hào)加大加粗引起注意(注意：中介輪不影響傳動(dòng)比的大小,改變了從動(dòng)輪的轉(zhuǎn)向。)

第二頁面的內(nèi)容：

不能使用(-1)m，首末兩輪的轉(zhuǎn)向關(guān)系，在圖中用箭頭順序標(biāo)出。

實(shí)例：如圖所示，已知z1=16，z2=32，z3=20，z4=40，z5=2，z6=40，若n1=800r·min，求蝸輪的轉(zhuǎn)速，確定各輪的轉(zhuǎn)向。

圖1

第三頁面的內(nèi)容：

周轉(zhuǎn)輪系傳動(dòng)比計(jì)算

領(lǐng)會(huì)周轉(zhuǎn)輪系與轉(zhuǎn)化輪系的關(guān)系，制作出由周轉(zhuǎn)輪系向轉(zhuǎn)化輪系的動(dòng)畫演示。

主要內(nèi)容：

設(shè)各輪的齒數(shù)分別為z1、z2、z3，轉(zhuǎn)速分別為n1、n2、n3、nH

表2

3.根據(jù)腳本要求完成軟件制作

腳本設(shè)計(jì)完成后，動(dòng)畫制作小組根據(jù)腳本設(shè)計(jì)要求，深刻理解教學(xué)內(nèi)容，反復(fù)修改制作出由周轉(zhuǎn)輪系向轉(zhuǎn)化輪系的演示動(dòng)畫：

圖2

周轉(zhuǎn)輪系與定軸輪系的運(yùn)動(dòng)情況很難講清，學(xué)生也難以想象，通過動(dòng)畫演示，一目了然，有效地解決了教學(xué)難點(diǎn)。最后將每個(gè)項(xiàng)目的內(nèi)容進(jìn)行合成，完成核心課程軟件制作。