新工科背景下數(shù)控技術(shù)課程教學(xué)改革

李志剛 王良 車曉毅 楊瑩

摘? 要：為適應(yīng)新時(shí)代制造領(lǐng)域人才需求，在分析新工科本科人才培養(yǎng)目標(biāo)的基礎(chǔ)上，結(jié)合數(shù)控技術(shù)這門課程在應(yīng)用型本科高校機(jī)械制造類專業(yè)教學(xué)中的地位和作用，對(duì)數(shù)控技術(shù)課程進(jìn)行教學(xué)改革。改革內(nèi)容主要包括課程內(nèi)容順序調(diào)整、理論教學(xué)改革、課堂實(shí)驗(yàn)規(guī)劃和技能訓(xùn)練以及相互之間的融合。

關(guān)鍵詞：新工科;數(shù)控技術(shù);教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2096-000X（2019）05-0148-03

Abstract： In order to adapt to the need of talents in the manufacturing field of the new era， on the basis of analyzing the training objectives of new engineering undergraduate talents， combined with the position and role of numerical control technology in the teaching of mechanical manufacturing in applied undergraduate colleges， the teaching of numerical control technology course is reformed. The reforms mainly include the adjustment of course content， theoretical teaching reform， classroom experiment planning， and skill training as well as mutual integration.

Keywords： new engineering; numerical control technology; teaching reform

新工科項(xiàng)目的提出與實(shí)施最終目的是為了培養(yǎng)多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才，為未來提供智力和人才支撐，“新工科”計(jì)劃的推進(jìn)關(guān)鍵在于對(duì)“新”的內(nèi)涵的認(rèn)識(shí)，而“新”的內(nèi)涵首要表現(xiàn)就是要培養(yǎng)具備新素養(yǎng)的面向未來的工程人才，高校在專業(yè)設(shè)置、人才培養(yǎng)模式等方面都在做相應(yīng)的改革[1，2]。針對(duì)新工科建設(shè)背景下對(duì)工程技術(shù)人才提出的新要求[3]，根據(jù)地方應(yīng)用型本科高校對(duì)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)要求，融合理論與實(shí)踐，注重學(xué)生工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，對(duì)數(shù)控技術(shù)課程的教學(xué)進(jìn)行了相應(yīng)的改革探索。

一、人才需求及數(shù)控技術(shù)課程介紹

《中國制造2025》提出要開發(fā)一批精密、高速、高效、柔性數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備及集成制造系統(tǒng)，加快高檔數(shù)控機(jī)床、增材制造等前沿技術(shù)和裝備的研發(fā)。未來幾年，我國新一代信息技術(shù)、電力裝備、高檔數(shù)控機(jī)床和機(jī)器人、新材料將成為人才缺口最大的幾個(gè)專業(yè)。為適應(yīng)經(jīng)濟(jì)新常態(tài)和未來新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，需對(duì)傳統(tǒng)工程專業(yè)人才培養(yǎng)模式進(jìn)行一些改革，使之培養(yǎng)出來的學(xué)生不僅能用某一學(xué)科專業(yè)知識(shí)去解決現(xiàn)有工作中遇到的各種問題，而且還能通過學(xué)習(xí)新知識(shí)和新技術(shù)去解決未來發(fā)展中出現(xiàn)的問題，他們不僅是一個(gè)優(yōu)秀的技術(shù)人才，而且是具備良好的人文素養(yǎng)和經(jīng)營(yíng)管理的新工科人才。

數(shù)控技術(shù)作為一門集機(jī)械、電氣、自動(dòng)控制、電子、計(jì)算機(jī)的交叉學(xué)科，是制造業(yè)實(shí)現(xiàn)柔性化、自動(dòng)化、集成化及智能化的重要基礎(chǔ)，在當(dāng)前數(shù)字化裝備制造業(yè)中已得到廣泛應(yīng)用。數(shù)控技術(shù)是現(xiàn)代制造業(yè)中的關(guān)鍵技術(shù)之一，也是機(jī)械設(shè)計(jì)與制造及其自動(dòng)化專業(yè)的核心課程，同時(shí)也是理論與實(shí)踐結(jié)合非常緊密的課程[5]。目前就機(jī)械類數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域人才的要求不僅要掌握熟練的操作技能，同時(shí)要有扎實(shí)的理論知識(shí)儲(chǔ)備，才能適應(yīng)新時(shí)代裝備技術(shù)的更新與發(fā)展。

二、數(shù)控技術(shù)課程改革的必要性

數(shù)控技術(shù)課程的內(nèi)容主要分為數(shù)控原理與系統(tǒng)、數(shù)控編程技術(shù)、數(shù)控實(shí)踐三大部分，在數(shù)控技術(shù)課程教學(xué)過程中，傳統(tǒng)的教學(xué)模式是任課教師以教學(xué)大綱為依據(jù)，講授內(nèi)容，先進(jìn)行數(shù)控技術(shù)理論知識(shí)和編程指令的教學(xué)，后再進(jìn)行一定時(shí)間的集中訓(xùn)練。由于上課前學(xué)生沒有感性認(rèn)識(shí)，上課時(shí)學(xué)習(xí)的是抽象的理論知識(shí)，加上學(xué)習(xí)目標(biāo)不明確，未來工作方向感不強(qiáng)，學(xué)生反映學(xué)習(xí)起來比較枯燥乏味，學(xué)習(xí)興趣不濃，等到訓(xùn)練環(huán)節(jié)才發(fā)現(xiàn)用來分析和解決實(shí)際問題的理論知識(shí)在前期課堂教學(xué)中被自己忽略，在訓(xùn)練環(huán)節(jié)通常很被動(dòng)。在上述傳統(tǒng)的理論教學(xué)過程中，學(xué)生處于一種被動(dòng)的學(xué)習(xí)狀態(tài)，主要是以課程考試成績(jī)作為學(xué)習(xí)合格與否的標(biāo)準(zhǔn)，學(xué)生目標(biāo)不明確導(dǎo)致自主學(xué)習(xí)能動(dòng)性較差，所以教學(xué)效果不太理想，分析問題和解決問題的能力不夠。

基于本人從事機(jī)床數(shù)控技術(shù)課程理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)近二十年教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和從教前在企業(yè)近十年的數(shù)控加工工作經(jīng)歷，對(duì)于數(shù)控技術(shù)課程教學(xué)進(jìn)行了分析和探索，結(jié)合對(duì)近年來已畢業(yè)從事本專業(yè)工作的學(xué)生的跟蹤與反饋。我們教學(xué)團(tuán)隊(duì)提出了“以學(xué)生為中心”的課程引導(dǎo)式、興趣式教學(xué)模式，對(duì)數(shù)控技術(shù)課程進(jìn)行改革，改革內(nèi)容包括課程內(nèi)容順序調(diào)整、理論教學(xué)改革、課堂實(shí)驗(yàn)規(guī)劃、技能訓(xùn)練以及相互之間的融合，對(duì)數(shù)控技術(shù)課程理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)進(jìn)行深度融合。真正讓學(xué)生成為教學(xué)中的主體，教師只是引導(dǎo)者，協(xié)助學(xué)生完成相應(yīng)任務(wù)。在教學(xué)過程，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)的舞臺(tái)上盡情表演，這樣讓有限的教學(xué)過程最大程度地發(fā)揮作用，提升學(xué)生分析問題和解決問題能力，讓學(xué)生獲得最大的收益，以適應(yīng)未來社會(huì)對(duì)新工科人才的需求。

三、數(shù)控技術(shù)課程的改革內(nèi)容和方法

為解決數(shù)控技術(shù)教學(xué)過程中出現(xiàn)的上述存在問題，就如何提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣;如何將理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)進(jìn)行深度融合;如何在教學(xué)過程中引導(dǎo)學(xué)生從專業(yè)方面考慮問題分析問題，我們教學(xué)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了相關(guān)的研究與探索。對(duì)數(shù)控技術(shù)課程的改革內(nèi)容和方法如下：

（一）課程內(nèi)容及調(diào)整方案

數(shù)控技術(shù)課程內(nèi)容主要分為數(shù)控原理與系統(tǒng)部分和數(shù)控編程部分，數(shù)控編程又分為手工編程和自動(dòng)編程兩個(gè)部分。目前的機(jī)床數(shù)控技術(shù)系列教材大部分是以數(shù)控原理與系統(tǒng)和手工編程為主，而自動(dòng)編程技術(shù)的內(nèi)容更多是以某一CAM軟件為基礎(chǔ)進(jìn)行教材編寫。因此，在以往傳統(tǒng)的數(shù)控技術(shù)教學(xué)中是選用上述兩本教材，先是以機(jī)床數(shù)控技術(shù)對(duì)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行概述后，對(duì)手工編程進(jìn)行講述，后續(xù)再對(duì)數(shù)控原理與系統(tǒng)進(jìn)行論述;在這基礎(chǔ)之上再進(jìn)行自動(dòng)編程技術(shù)進(jìn)行講解。這樣的教學(xué)內(nèi)容的順序安排，就容易出現(xiàn)前面所述的學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不高以及忽視數(shù)控原理與系統(tǒng)部分理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，其理論知識(shí)基礎(chǔ)較為薄弱。鑒于此，本文所提出的教改將數(shù)控技術(shù)課程的教學(xué)內(nèi)容順序調(diào)整如下所示。

數(shù)控加工通識(shí)學(xué)習(xí)-手工編程技術(shù)-數(shù)控加工仿真-自動(dòng)編程技術(shù)-數(shù)控原理與系統(tǒng)-數(shù)控原理實(shí)驗(yàn)-技能訓(xùn)練環(huán)節(jié)

手工編程技術(shù)也稱手動(dòng)編程技術(shù)，雖然隨著技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在的編程普遍采用自動(dòng)編程技術(shù)，但是對(duì)于初學(xué)者來講，手工編程技術(shù)所涉及的坐標(biāo)系、指令、宏程序等相關(guān)知識(shí)是數(shù)控人才的基本功，沒有這些基礎(chǔ)，很難理解后續(xù)的自動(dòng)編程的過程及參數(shù)的設(shè)置。

課程實(shí)驗(yàn)是讓學(xué)生對(duì)自己程序編寫水平的檢驗(yàn)，該部分以數(shù)控仿真系統(tǒng)為平臺(tái)，通過一個(gè)簡(jiǎn)單零件的工藝分析和編程，在仿真系統(tǒng)上加工出來。數(shù)控仿真系統(tǒng)的應(yīng)用具有三個(gè)優(yōu)勢(shì)：一是不限制時(shí)間和地點(diǎn)學(xué)生均可以進(jìn)行學(xué)習(xí);二是對(duì)于參數(shù)及操作失誤，仿真系統(tǒng)有提示，讓學(xué)生更能理解機(jī)床的工作原理，且不會(huì)造成任何的機(jī)床和人身安全;三是能夠提高學(xué)生的學(xué)習(xí)自信心和好奇心，零件仿真加工出來了都想上數(shù)控機(jī)床加工出實(shí)物。因此，課程實(shí)驗(yàn)?zāi)芎芎玫臑槭止ぞ幊踢M(jìn)行檢驗(yàn)和為后續(xù)的自動(dòng)編程和技能訓(xùn)練學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。

自動(dòng)編程技術(shù)采用目前企業(yè)普遍使用的CAM軟件進(jìn)行教學(xué)，融合學(xué)生專業(yè)知識(shí)，增強(qiáng)學(xué)生個(gè)人解決復(fù)雜零件編程仿真加工的技能，提高學(xué)生對(duì)行業(yè)的適應(yīng)能力。

數(shù)控技術(shù)涉及機(jī)、光、電、液、氣、計(jì)算機(jī)、傳感器等多方面的知識(shí)，分別介紹其工作原理，不僅內(nèi)容分散，而且協(xié)調(diào)性無法體現(xiàn)。在數(shù)控原理與系統(tǒng)的教學(xué)過程中，以實(shí)驗(yàn)先行吸引學(xué)生的注意力，再以數(shù)控機(jī)床為例，對(duì)某一具體的程序段的信息處理為主線，介紹數(shù)控機(jī)床的工作原理，從程序的輸入、譯碼、刀具補(bǔ)償、進(jìn)給速度處理、位置控制、驅(qū)動(dòng)與檢測(cè)、其它強(qiáng)電信號(hào)的輸入輸出和弱電信號(hào)的交換與處理以及診斷與參數(shù)控制等。

技能訓(xùn)練環(huán)節(jié)是綜合訓(xùn)練，旨在提高學(xué)生在個(gè)人實(shí)踐能力和培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，是對(duì)大學(xué)四年所學(xué)專業(yè)知識(shí)的綜合應(yīng)用。

（二）課程改革實(shí)施路線

在學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)控技術(shù)前，對(duì)數(shù)控技術(shù)的特點(diǎn)、工作原理、機(jī)床結(jié)構(gòu)不了解，也還沒有進(jìn)行數(shù)控編程知識(shí)的學(xué)習(xí)，對(duì)于數(shù)控程序可能還不認(rèn)識(shí)，更不用說能自己編寫數(shù)控程序。我們對(duì)數(shù)控技術(shù)課程提出 “實(shí)驗(yàn)先行”，具體是安排2-6個(gè)實(shí)驗(yàn)課時(shí)于數(shù)控編程理論課之前，通過教會(huì)學(xué)生使用小型數(shù)控機(jī)床操作，給出一些有特色的，已經(jīng)編好程序的小藝術(shù)品等如下圖1所示的類似零件，讓學(xué)生自己完成加工，當(dāng)學(xué)生完成產(chǎn)品加工時(shí)，成就感油然而生。當(dāng)然學(xué)生在欣賞作品的同時(shí)，會(huì)進(jìn)一步思考，怎么能讓自己編寫程序，于是更激發(fā)了學(xué)生想自己編制數(shù)控加工程序的愿望，會(huì)積極主動(dòng)的學(xué)習(xí)編程知識(shí)。

由于學(xué)生有了學(xué)習(xí)興趣，在數(shù)控編程知識(shí)學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生是帶著對(duì)知識(shí)的渴望去學(xué)習(xí)數(shù)控指令和編程知識(shí)，所以對(duì)于指令的理解很深刻。在此基礎(chǔ)上，選擇一些如圖2所示的簡(jiǎn)單零件，讓學(xué)生手工編制加工程序并將零件在仿真軟件上加工出來，讓學(xué)生樹立我能行的意識(shí)。在這個(gè)階段，選擇的零件雖然簡(jiǎn)單，但是學(xué)生已經(jīng)開始結(jié)合制造工藝學(xué)、互換性與測(cè)量、工程材料等方面的知識(shí)來思考問題了。在項(xiàng)目分析講解過程中，引導(dǎo)學(xué)生從企業(yè)工作實(shí)際和生產(chǎn)成本分析的角度，對(duì)一個(gè)個(gè)具體項(xiàng)目進(jìn)行分析、評(píng)估、實(shí)施與總結(jié)，完成理論到實(shí)踐、再回到理論的全過程。在學(xué)生具備手工編程能力后，介紹幾種自動(dòng)編程軟件，學(xué)會(huì)編制復(fù)雜零件的加工程序，引導(dǎo)學(xué)生完成一些中等難度的企業(yè)產(chǎn)品零件的加工，與企業(yè)實(shí)際工作要求接軌。

通過前一階段的學(xué)習(xí)，學(xué)生掌握了一定的編程能力，在操作機(jī)床的過程式中，會(huì)對(duì)數(shù)控機(jī)床控制過程產(chǎn)生好奇，對(duì)其相當(dāng)于黑匣子中的數(shù)控系統(tǒng)怎么工作想弄清楚，所以學(xué)生在學(xué)習(xí)數(shù)控原理與系統(tǒng)的同時(shí)，也會(huì)主動(dòng)查閱一些相關(guān)資料，了解其工作原理。掌握了數(shù)控機(jī)床的工作原理再進(jìn)行加工操作，學(xué)生在主觀意識(shí)上不會(huì)對(duì)機(jī)床有畏懼，同時(shí)遇到相應(yīng)的故障及問題時(shí)，學(xué)生能有知識(shí)儲(chǔ)備進(jìn)行相應(yīng)的處理和解決。

在學(xué)習(xí)前面課程后，安排了一個(gè)技能訓(xùn)練環(huán)節(jié)，要求學(xué)生自我設(shè)計(jì)一個(gè)小型產(chǎn)品，該產(chǎn)品要求實(shí)現(xiàn)某一具體功能。方案評(píng)審?fù)ㄟ^后，學(xué)生需自行完成圖紙?jiān)O(shè)計(jì)、工藝工裝、零件加工、產(chǎn)品組裝、運(yùn)動(dòng)調(diào)試，綜合了大學(xué)所學(xué)的工程材料、機(jī)械原理、熱表處理、工藝工裝、互換性與測(cè)量、數(shù)控加工等課程的內(nèi)容。由于是學(xué)生自己選定的題目，除基本要求外沒有特別限制，便于學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新性設(shè)計(jì)，從而拓展了學(xué)生思維;在零件加工部分，提高對(duì)加工零件的精度要求，引入數(shù)控技能大賽的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)加工零件進(jìn)行評(píng)定[5];在產(chǎn)品完成后，將所有學(xué)生作品集中，由學(xué)生和老師對(duì)每一個(gè)產(chǎn)品投票評(píng)審，結(jié)合平時(shí)過程成績(jī)作為該環(huán)節(jié)最終成績(jī)。由于有學(xué)生們相互評(píng)分環(huán)節(jié)，學(xué)生會(huì)對(duì)自己加工的產(chǎn)品精益求精，對(duì)別人加工過程取長(zhǎng)補(bǔ)短，目的是培養(yǎng)他們的工匠精神，促進(jìn)了學(xué)生的整體進(jìn)步，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。學(xué)生互相評(píng)價(jià)都比較客觀、真實(shí)，反應(yīng)效果很好。

上述教學(xué)過程在我校機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化專業(yè)的學(xué)生中進(jìn)行了嘗試，提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣明顯，效果很好。很多學(xué)生自覺利用課余時(shí)間到數(shù)控加工企業(yè)去實(shí)習(xí)，主動(dòng)添加老師微信要求對(duì)工作過程中遇到的困惑進(jìn)行解答。

四、結(jié)束語

通過對(duì)數(shù)控技術(shù)課程的教學(xué)改革，以通識(shí)教育、激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣;以案例式教學(xué)，提升分析問題和解決實(shí)際問題的能力;以數(shù)控機(jī)床信息傳遞和處理過程為主線，學(xué)習(xí)數(shù)控技術(shù)工作原理;以自選項(xiàng)目的制造完成學(xué)習(xí)目標(biāo)，享受成功的樂趣。將學(xué)生由被動(dòng)學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)學(xué)習(xí)，從“要我學(xué)”——“我要學(xué)”——“我想學(xué)”，從而激發(fā)了學(xué)主的學(xué)習(xí)興趣，提高解決實(shí)際應(yīng)用問題的能力，為今后學(xué)習(xí)新知識(shí)、新技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。畢業(yè)走上工作崗位后能夠很快的適應(yīng)自己的工作，提高了新工科人才的培養(yǎng)質(zhì)量，為企業(yè)節(jié)約了用人成本，為學(xué)生走向社會(huì)增加了信心。今后在教學(xué)過程中會(huì)不斷完善改革方案，應(yīng)采取更多元化的教學(xué)手段，提高課堂教學(xué)效率，為新工科人才培養(yǎng)不斷探索更多更好的教學(xué)方法。

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