基于工作過(guò)程導(dǎo)向的多軸加工專(zhuān)業(yè)數(shù)字化資源開(kāi)發(fā)路徑研究

馬長(zhǎng)春 鹿曉寧 程華

摘 要：本文根據(jù)北京汽車(chē)技師學(xué)院多軸加工專(zhuān)業(yè)數(shù)字化資源的開(kāi)發(fā)案例，提出將“資訊—計(jì)劃—決策—實(shí)施—評(píng)估—反饋”的工作過(guò)程理論引入資源開(kāi)發(fā)過(guò)程，總結(jié)出“解析人才模型—確定學(xué)習(xí)場(chǎng)景—選定實(shí)驗(yàn)DEMO—制作交互式資源”的四步驟開(kāi)發(fā)路徑。聚焦學(xué)習(xí)場(chǎng)景設(shè)計(jì)難題，創(chuàng)新性地提出“確定學(xué)習(xí)路徑—設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)場(chǎng)景—設(shè)計(jì)交互行為—素材收集”的四步驟開(kāi)發(fā)策略，為同類(lèi)型數(shù)字化資源的開(kāi)發(fā)提供了可參考的路徑。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化資源 多軸加工 開(kāi)發(fā)路徑 工作過(guò)程

隨著供給側(cè)改革的深入和產(chǎn)品的不斷升級(jí)，多軸加工技術(shù)和設(shè)備以加工精度及加工效率較高的優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于航空航天、交通運(yùn)輸、設(shè)備制造等高端制造業(yè)。由此，社會(huì)對(duì)多軸加工技能人才的需求也隨之增大，對(duì)人才培養(yǎng)的數(shù)量和質(zhì)量都提出了更高的要求。但由于多軸機(jī)床設(shè)備昂貴、實(shí)訓(xùn)成本居高不下等原因，多軸加工專(zhuān)業(yè)的實(shí)訓(xùn)學(xué)時(shí)始終難以增加。

在國(guó)家“互聯(lián)網(wǎng)+”行動(dòng)計(jì)劃的大背景下，北京汽車(chē)技師學(xué)院以構(gòu)建多軸加工專(zhuān)業(yè)學(xué)習(xí)資源為導(dǎo)向，嘗試將“資訊—計(jì)劃—決策—實(shí)施—評(píng)估—反饋”的工作過(guò)程理論融入開(kāi)發(fā)過(guò)程，形成了學(xué)做一體的學(xué)習(xí)資源，為提升多軸加工技能人才的培養(yǎng)質(zhì)量奠定了基礎(chǔ)。

一、多軸加工技能人才培養(yǎng)的現(xiàn)狀和困境

北京汽車(chē)技師學(xué)院于2017年開(kāi)設(shè)多軸加工專(zhuān)業(yè)，涵蓋中級(jí)工、高級(jí)工、預(yù)備技師三個(gè)層級(jí)，為現(xiàn)代制造企業(yè)培養(yǎng)多軸加工技能人才。多軸加工專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè)了文化課程、數(shù)控類(lèi)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程及面向多軸加工的專(zhuān)業(yè)核心課程。其中，多軸編程與加工技術(shù)課程是多軸加工專(zhuān)業(yè)的核心課程，旨在培養(yǎng)該專(zhuān)業(yè)學(xué)生五軸數(shù)控機(jī)床操作及加工等多方面的綜合能力。

為保障多軸加工專(zhuān)業(yè)的教學(xué)質(zhì)量，北京汽車(chē)技師學(xué)院先后斥資千萬(wàn)余元購(gòu)進(jìn)了十余臺(tái)DMU50等型號(hào)的五軸數(shù)控機(jī)床用于多軸加工專(zhuān)業(yè)教學(xué)。采取“做中學(xué)、學(xué)中做”的理實(shí)一體化教學(xué)模式，學(xué)生可在工作頁(yè)的引導(dǎo)及教師的指導(dǎo)下完成技能的學(xué)習(xí)與訓(xùn)練，實(shí)現(xiàn)了師生間的合作化學(xué)習(xí)，有效提高了學(xué)生的專(zhuān)業(yè)能力。

但受高端機(jī)床設(shè)備購(gòu)置價(jià)格高昂等因素困擾，多軸加工專(zhuān)業(yè)教學(xué)依舊存在學(xué)生人數(shù)與設(shè)備工位數(shù)不匹配、學(xué)生有效訓(xùn)練學(xué)時(shí)偏少等問(wèn)題，教學(xué)效果不理想。

同時(shí)，學(xué)生在進(jìn)行五軸數(shù)控機(jī)床入門(mén)操作學(xué)習(xí)時(shí)，由于缺乏經(jīng)驗(yàn)、操作不熟練等多方面原因，常常出現(xiàn)設(shè)備損壞、危險(xiǎn)操作等問(wèn)題，從而導(dǎo)致培訓(xùn)成本大幅提升，使訓(xùn)練工位不足等問(wèn)題更加突出。

因此，如何在入門(mén)階段利用數(shù)字化的手段改進(jìn)學(xué)習(xí)方式、提高訓(xùn)練效率，成為多軸加工專(zhuān)業(yè)發(fā)展亟須解決的問(wèn)題。

從多軸加工專(zhuān)業(yè)現(xiàn)有的學(xué)習(xí)資源來(lái)看，主要以書(shū)籍等參考資料為主，涉及的內(nèi)容主要是針對(duì)五軸數(shù)控機(jī)床的操作和CNC編程軟件的功能指令的學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)內(nèi)容碎片化，不利于學(xué)生形成系統(tǒng)性的邏輯思維。

北京汽車(chē)技師學(xué)院嘗試采用超星、暢課等網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，以及虛擬仿真技術(shù)、VR/AR、微課、視頻及圖片、Flash動(dòng)畫(huà)、網(wǎng)絡(luò)視頻資源等多種教學(xué)手段輔助多軸加工專(zhuān)業(yè)教學(xué)。這些信息化教學(xué)手段雖然在一定程度上促進(jìn)了多軸加工專(zhuān)業(yè)的教學(xué)質(zhì)量提升，但與多軸加工專(zhuān)業(yè)教學(xué)過(guò)程的結(jié)合度較低，且不能實(shí)現(xiàn)良好的教學(xué)互動(dòng)。

二、基于工作過(guò)程導(dǎo)向的數(shù)字化資源開(kāi)發(fā)路徑構(gòu)想與設(shè)計(jì)

基于上述原因，北京汽車(chē)技師學(xué)院擬開(kāi)發(fā)面向多軸加工專(zhuān)業(yè)的數(shù)字化資源，使學(xué)生在進(jìn)行實(shí)際機(jī)床操作之前就熟悉并掌握五軸數(shù)控機(jī)床的主要知識(shí)和技能，為實(shí)際上機(jī)操作打下基礎(chǔ)，有效加快了學(xué)習(xí)進(jìn)程、提高了學(xué)習(xí)效率，最終形成了“模擬練習(xí)+上機(jī)實(shí)操+頂崗實(shí)習(xí)”相結(jié)合的三位一體的多軸加工專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)模式。

結(jié)合北京汽車(chē)技師學(xué)院課程改革成果，筆者依據(jù)“資訊—計(jì)劃—決策—實(shí)施—評(píng)估—反饋”的工作過(guò)程理論，結(jié)合多軸加工技能人才職業(yè)能力要求，構(gòu)想并設(shè)計(jì)了“解析人才模型—確定學(xué)習(xí)場(chǎng)景—選定實(shí)驗(yàn)DEMO—制作交互式資源”四步開(kāi)發(fā)路徑，具體如下。

（一）解析多軸加工技能人才模型，識(shí)別人才成長(zhǎng)路徑

通過(guò)對(duì)多個(gè)數(shù)控加工企業(yè)進(jìn)行充分調(diào)研，筆者發(fā)現(xiàn)企業(yè)對(duì)多軸加工技能人才的崗位需求主要集中于機(jī)床操作、CNC編程、工藝編制、產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)及技術(shù)支持等幾個(gè)方面。通過(guò)崗位調(diào)研及對(duì)多軸加工崗位工作過(guò)程的分析，筆者確定多軸加工各崗位所需要掌握的主要技能。

從崗位發(fā)展曲線看，多軸加工專(zhuān)業(yè)畢業(yè)生所從事的崗位工作涉及初級(jí)、進(jìn)階和高級(jí)三個(gè)階段。

初級(jí)階段主要涉及機(jī)床操作類(lèi)工作，需要掌握識(shí)讀圖紙、選配刀具、多軸數(shù)控機(jī)床基本操作等職業(yè)能力，其中基本操作涵蓋機(jī)床開(kāi)關(guān)機(jī)、坐標(biāo)軸移動(dòng)、工件找正、對(duì)刀操作、3D Quickset、校準(zhǔn)回轉(zhuǎn)軸等。

進(jìn)階階段主要涉及數(shù)控編程和加工崗位，需要掌握閱讀圖紙，使用Mastercam等軟件編制加工程序、操作多軸機(jī)床進(jìn)行零件加工等職業(yè)能力。

高級(jí)階段則需要掌握加工工藝制定、工裝夾具設(shè)計(jì)、加工質(zhì)量管理、技術(shù)支持等職業(yè)能力。

崗位發(fā)展的三個(gè)階段是逐步遞進(jìn)、終身發(fā)展的過(guò)程。其中，初級(jí)階段主要是進(jìn)行多軸加工基礎(chǔ)操作技能的學(xué)習(xí)。該階段是多軸加工技能人才成長(zhǎng)路徑的基礎(chǔ)期和塑造期，是技能型人才知識(shí)和技能的積累階段，在整個(gè)技能人才成長(zhǎng)過(guò)程中發(fā)揮著重要的作用。

（二）確定多軸加工學(xué)習(xí)場(chǎng)景，構(gòu)建數(shù)字化資源框架

圍繞多軸加工技能人才成長(zhǎng)過(guò)程中初級(jí)階段的培養(yǎng)目標(biāo)，以多軸加工專(zhuān)業(yè)的崗位能力需求為依據(jù)，以“資訊—計(jì)劃—決策—實(shí)施—評(píng)估—反饋”的完整工作過(guò)程理論為出發(fā)點(diǎn)，結(jié)合多軸加工專(zhuān)業(yè)的人才培養(yǎng)方案及課程標(biāo)準(zhǔn)，建立了數(shù)字化資源場(chǎng)景框架，將多軸加工技能人才入門(mén)學(xué)習(xí)內(nèi)容聚焦在設(shè)備識(shí)別和開(kāi)關(guān)機(jī)、坐標(biāo)系建立、軸移動(dòng)操作、刀具識(shí)別、精度標(biāo)定、工件找正6個(gè)關(guān)鍵模塊，每個(gè)關(guān)鍵模塊根據(jù)崗位能力要求細(xì)分為20個(gè)子模塊。

其中，設(shè)備識(shí)別和開(kāi)關(guān)機(jī)模塊細(xì)分為五軸加工中心概述、設(shè)備開(kāi)關(guān)機(jī)、MDI操作等子模塊;坐標(biāo)系建立模塊細(xì)分為笛卡爾坐標(biāo)系認(rèn)知、測(cè)頭手動(dòng)建立工件坐標(biāo)系、Z軸及正反方向識(shí)別等子模塊;軸移動(dòng)操作細(xì)分為軸X、Y、Z向移動(dòng)及a、c軸回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)等子模塊;刀具識(shí)別模塊細(xì)分為刀具識(shí)別、刀具表建立、刀庫(kù)裝刀等子模塊;精度標(biāo)定模塊細(xì)分為測(cè)頭標(biāo)定、主軸端面Z向精度標(biāo)定等子模塊;工件找正模塊細(xì)分為工件平行、垂直及圓柱找正等子模塊。

（三）選定實(shí)驗(yàn)DEMO，設(shè)計(jì)多軸加工學(xué)習(xí)場(chǎng)景

在以上20個(gè)子模塊中，測(cè)頭手動(dòng)建立工件坐標(biāo)系子模塊是數(shù)控加工中一個(gè)相對(duì)獨(dú)立且完整的工作環(huán)節(jié)，同時(shí)也是使用機(jī)床進(jìn)行加工的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。工件坐標(biāo)系的建立方法是現(xiàn)代制造產(chǎn)業(yè)工人，尤其是五軸數(shù)控機(jī)床操作人員必須掌握的關(guān)鍵技能。因此，北京汽車(chē)技師學(xué)院將測(cè)頭手動(dòng)建立工作坐標(biāo)系子模塊選為資源開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)性樣本。

北京汽車(chē)技師學(xué)院在測(cè)頭手動(dòng)建立工件坐標(biāo)系子模塊資源開(kāi)發(fā)的過(guò)程中，在德馬吉和西門(mén)子多位數(shù)控專(zhuān)家的協(xié)助下，結(jié)合多軸加工專(zhuān)業(yè)的教學(xué)現(xiàn)狀將該工作場(chǎng)景轉(zhuǎn)化為學(xué)習(xí)任務(wù)“利用DMU50多軸機(jī)床對(duì)指定零件手動(dòng)建立工件坐標(biāo)系”，并依據(jù)完整工作過(guò)程和學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程對(duì)該任務(wù)的學(xué)習(xí)路徑進(jìn)行設(shè)計(jì)。

筆者針對(duì)學(xué)習(xí)任務(wù)制定了“確定學(xué)習(xí)路徑—設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)場(chǎng)景—設(shè)計(jì)交互行為—素材收集”的四步驟開(kāi)發(fā)策略。

首先，依據(jù)“資訊—計(jì)劃—決策—實(shí)施—評(píng)估—反饋”的完整工作過(guò)程，以學(xué)生為主體分析開(kāi)展此項(xiàng)工作的詳細(xì)內(nèi)容。讓學(xué)生從了解任務(wù)說(shuō)明入手，進(jìn)而掌握手動(dòng)建立坐標(biāo)系的思路、理解坐標(biāo)系建立流程，并開(kāi)展相應(yīng)的建立坐標(biāo)系作業(yè)，確立詳細(xì)的工作步驟和具體內(nèi)容，明確每個(gè)步驟的技能要點(diǎn)。

其次，基于學(xué)生學(xué)習(xí)視角，針對(duì)每個(gè)工作步驟的內(nèi)容和要點(diǎn)設(shè)計(jì)相應(yīng)學(xué)習(xí)場(chǎng)景。每個(gè)場(chǎng)景以沉浸式學(xué)習(xí)為導(dǎo)向，通過(guò)語(yǔ)音、畫(huà)面等形式引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入模擬的工作場(chǎng)景進(jìn)行學(xué)習(xí)。

再次，對(duì)每個(gè)學(xué)習(xí)場(chǎng)景中的操作過(guò)程進(jìn)行分析，對(duì)于關(guān)鍵點(diǎn)的操作創(chuàng)設(shè)選擇彈出框、警示音、操作提示等交互要素并創(chuàng)設(shè)交互行為，要求學(xué)生對(duì)當(dāng)前情況給出判斷并及時(shí)反饋判斷信息，瞬時(shí)強(qiáng)化關(guān)鍵技能點(diǎn)的學(xué)習(xí)。為了鞏固學(xué)習(xí)效果，筆者特意設(shè)計(jì)了練習(xí)場(chǎng)景，學(xué)生可以對(duì)學(xué)習(xí)場(chǎng)景中的關(guān)鍵技能點(diǎn)進(jìn)行復(fù)習(xí)，強(qiáng)化了學(xué)習(xí)效果。

最后，針對(duì)場(chǎng)景和交互設(shè)計(jì)整理和設(shè)計(jì)相應(yīng)的圖片、文字、影像素材，這對(duì)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)起到了良好的輔助作用，確保了資源開(kāi)發(fā)的可行性。

學(xué)習(xí)任務(wù)“利用DMU50多軸機(jī)床對(duì)指定零件手動(dòng)建立工件坐標(biāo)系”依據(jù)上述四步驟開(kāi)發(fā)策略進(jìn)行數(shù)字化資源的腳本設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，為后期工作提供依據(jù)和基礎(chǔ)。

（四）制作交互式數(shù)字化資源

聘請(qǐng)專(zhuān)業(yè)的拍攝團(tuán)隊(duì)進(jìn)行數(shù)字化資源前期視頻拍攝，并以腳本為依據(jù)將游戲、三維、動(dòng)畫(huà)、交互等元素融入資源制作，開(kāi)發(fā)測(cè)頭手動(dòng)建立工作坐標(biāo)系子模塊的數(shù)字化資源。

該子模塊資源依據(jù)完整工作過(guò)程，將操作進(jìn)程分解為“作業(yè)準(zhǔn)備—激活坐標(biāo)系—調(diào)測(cè)頭—找正工件—建立工件坐標(biāo)系—坐標(biāo)系驗(yàn)證—還測(cè)頭”7個(gè)關(guān)鍵工作步驟。學(xué)習(xí)者需按照這7個(gè)環(huán)節(jié)依次進(jìn)行學(xué)習(xí)，每個(gè)環(huán)節(jié)需完成“學(xué)習(xí)—練習(xí)—測(cè)試”3個(gè)模塊的學(xué)習(xí)。測(cè)試模塊通過(guò)后，學(xué)習(xí)者方可進(jìn)入下一環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)。

數(shù)字化資源的設(shè)計(jì)借鑒了游戲的“闖關(guān)”模式，符合職業(yè)院校學(xué)生及企業(yè)培訓(xùn)員工的個(gè)性特點(diǎn)。同時(shí)在學(xué)習(xí)者“闖關(guān)”的過(guò)程中，加入了“聲效”等游戲元素，有效吸引了學(xué)生的注意力，有利于提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性。

（五）實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證學(xué)習(xí)效果

北京汽車(chē)技師學(xué)院多軸加工專(zhuān)業(yè)高級(jí)工一年級(jí)的學(xué)生尚沒(méi)有對(duì)五軸數(shù)控機(jī)床操作知識(shí)進(jìn)行系統(tǒng)學(xué)習(xí)，僅能夠操作三軸數(shù)控機(jī)床進(jìn)行簡(jiǎn)單零件的加工。故將手動(dòng)建立工作坐標(biāo)系子模塊的數(shù)字化資源學(xué)習(xí)圍繞該層級(jí)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。經(jīng)過(guò)綜合考慮，選取2018級(jí)13班和14班為實(shí)驗(yàn)對(duì)象。這兩個(gè)班的學(xué)生基礎(chǔ)水平相近，有利于對(duì)最終結(jié)果進(jìn)行綜合評(píng)估。

2018級(jí)13班21名學(xué)生在教師的引導(dǎo)下，在數(shù)字化資源環(huán)境中進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，獨(dú)立完成該子模塊的測(cè)評(píng)工作頁(yè)。2018級(jí)14班20名學(xué)生則是在教師講授、演示的基礎(chǔ)上，獨(dú)立完成測(cè)評(píng)工作頁(yè)。工作頁(yè)圍繞手動(dòng)建立工作坐標(biāo)系子模塊應(yīng)掌握的關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)和技能點(diǎn)共設(shè)置了9個(gè)引導(dǎo)性問(wèn)題。

統(tǒng)計(jì)兩班學(xué)生工作頁(yè)的最終成績(jī)，2018級(jí)13班學(xué)生的綜合得分率為85.33%，2018級(jí)14班學(xué)生的綜合得分率為75.11%。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在數(shù)字化資源指導(dǎo)下的學(xué)習(xí)效果明顯優(yōu)于目前常規(guī)的教學(xué)方法。

根據(jù)學(xué)生具體學(xué)情將2018級(jí)13班學(xué)生分為3個(gè)小組，通過(guò)分析，各小組的平均得分率分別為87.56%、82.89%和85.22%，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)說(shuō)明，數(shù)字化資源對(duì)于不同類(lèi)型學(xué)生的學(xué)習(xí)效果非常明顯，資源的適應(yīng)性較好，適用于不同學(xué)習(xí)能力的人群，能夠覆蓋全體學(xué)習(xí)者。

后期通過(guò)教學(xué)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)反饋不斷完善數(shù)字化資源，最終形成適合北京汽車(chē)技師學(xué)院多軸加工專(zhuān)業(yè)教學(xué)成熟的教學(xué)資源，并以此為范本，進(jìn)行其他模塊的數(shù)字化資源開(kāi)發(fā)。

三、工作過(guò)程導(dǎo)向開(kāi)發(fā)路徑的評(píng)估和反思

通過(guò)收集數(shù)字化資源在多軸加工專(zhuān)業(yè)教學(xué)中應(yīng)用的意見(jiàn)反饋，數(shù)字化資源使用滿意率達(dá)到90%。學(xué)生能夠利用數(shù)字化資源積極主動(dòng)進(jìn)行學(xué)習(xí)，有效提高了學(xué)習(xí)效率和質(zhì)量，說(shuō)明筆者提出的將“資訊—計(jì)劃—決策—實(shí)施—評(píng)估—反饋”工作過(guò)程理論應(yīng)用于數(shù)字化資源開(kāi)發(fā)是行之有效的。

資源應(yīng)用效果也進(jìn)一步驗(yàn)證了“解析人才模型—確定學(xué)習(xí)場(chǎng)景—選定實(shí)驗(yàn)DEMO—制作交互式資源”四步開(kāi)發(fā)路徑和“確定學(xué)習(xí)路徑—設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)場(chǎng)景—設(shè)計(jì)交互行為—素材收集”的四步驟開(kāi)發(fā)策略的有效性，為職業(yè)教育領(lǐng)域數(shù)字化資源開(kāi)發(fā)提供了可參考的開(kāi)發(fā)路徑與方法，對(duì)混合式學(xué)習(xí)模式下學(xué)習(xí)資源開(kāi)發(fā)和人才培養(yǎng)形成了有效助力。

數(shù)字化資源的開(kāi)發(fā)不是一蹴而就的，需要根據(jù)時(shí)代特征及學(xué)情，針對(duì)教學(xué)中不斷出現(xiàn)的新問(wèn)題，與時(shí)俱進(jìn)、不斷完善，形成適應(yīng)專(zhuān)業(yè)教學(xué)需要的教學(xué)資源，對(duì)教學(xué)工作形成有效助力。

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（作者單位：馬長(zhǎng)春、鹿曉寧，北京汽車(chē)技師學(xué)院;程華，北京華夏捷瑞教育科技有限公司）