基于OBE理念的數(shù)控銑削實訓(xùn)教學(xué)設(shè)計

陳 博，田 斐，張立昌，楊 根

(1. 西安工程大學(xué) 工程訓(xùn)練中心，陜西 西安 710048;2. 西安思源學(xué)院 教育學(xué)院，陜西 西安 710038)

0 引 言

高等工程教育是高等教育的重要組成部分。隨著“中國制造2025”“互聯(lián)網(wǎng)+”“創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展”等國家重大戰(zhàn)略的相繼實施，我國正在從制造業(yè)大國向制造業(yè)強國轉(zhuǎn)變，這對工程技術(shù)人員的工程實踐能力和創(chuàng)新思維提出了更高要求，迫切需要對現(xiàn)有工程教育體系進行改革與創(chuàng)新。工程教育專業(yè)認證圍繞“以學(xué)生為中心、以成果為導(dǎo)向、持續(xù)改進3個理念”制定專業(yè)認證標準，是我國工程技術(shù)人才培養(yǎng)體系實現(xiàn)與國際接軌、互認中的關(guān)鍵性舉措，也是推進我國高等工程教育改革和發(fā)展的重要途徑[1]。

成果導(dǎo)向教育(OBE)是國際工程教育認證協(xié)會所遵從的基本理念，最早由美國教育學(xué)家Spady提出，強調(diào)教學(xué)活動的設(shè)計與實施要以實現(xiàn)學(xué)生的預(yù)期學(xué)習(xí)成果為目標，代表著當(dāng)前工程教育改革和發(fā)展的最新方向[2-3]。OBE依據(jù)培養(yǎng)目標反向設(shè)計課程內(nèi)容、課程實施與課程評價，將工程技術(shù)人員應(yīng)具備的核心素養(yǎng)培養(yǎng)貫穿于工程教育的始終[4]。數(shù)控機床作為未來裝備制造業(yè)的關(guān)鍵性設(shè)備，其相關(guān)技術(shù)是支撐我國高科技產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展，實現(xiàn)裝備制造技術(shù)現(xiàn)代化的重要保障[5-6]。因此，在工程教育專業(yè)認證背景下，以O(shè)BE理念為指導(dǎo)設(shè)計數(shù)控銑削實訓(xùn)教學(xué)，對于提升我國數(shù)控類工程技術(shù)人才培養(yǎng)質(zhì)量，促進高等院校工程訓(xùn)練教學(xué)改革，具有積極的推動作用。

1 當(dāng)前數(shù)控銑削實訓(xùn)教學(xué)存在的不足

1.1 教學(xué)目標不明確，教學(xué)內(nèi)容單一

數(shù)控銑削實訓(xùn)是高校工程訓(xùn)練(機械)課程的重要組成部分，但是很多高校在制定數(shù)控銑削實訓(xùn)教學(xué)大綱時，卻籠統(tǒng)地將教學(xué)目標概括為“使學(xué)生具備一定的機械制圖、工藝分析、程序編制、機床操作等方面的能力”，并沒有按照企業(yè)對數(shù)控類工程技術(shù)人才的實際需求，因人而異、分類培養(yǎng)[7]。此外，當(dāng)前的數(shù)控銑削實訓(xùn)教學(xué)內(nèi)容比較單一，存在著典型零件案例少、對學(xué)生的吸引力不足，與理論課程脫節(jié)、難以提升學(xué)生的綜合素質(zhì)，自由發(fā)揮空間小、缺乏對學(xué)生個性化和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)等問題。

1.2 教學(xué)方法不科學(xué)，沒有以學(xué)生為中心

目前的數(shù)控銑削實訓(xùn)教學(xué)大多沒有按照工程教育專業(yè)認證要求，以學(xué)生為中心，按照不同層次、專業(yè)制定科學(xué)的教學(xué)方法。仍然是老師先講授設(shè)備的加工原理、編程方法、操作步驟等，學(xué)生再“依葫蘆畫瓢”式地重復(fù)練習(xí)。整個過程枯燥、乏味，導(dǎo)致學(xué)生在實訓(xùn)結(jié)束后僅僅是單方面地完成了老師所布置的實訓(xùn)學(xué)習(xí)任務(wù)，既不能充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，又無法幫助學(xué)生引申、拓展，形成自己的知識體系。

1.3 評價方法不合理，缺少對學(xué)生創(chuàng)新思維、綜合能力的考核

現(xiàn)行的數(shù)控銑削實訓(xùn)教學(xué)成績，主要由任課教師對學(xué)生的考核件完成質(zhì)量、實訓(xùn)報告、日?？记凇⒗碚摽荚嚨确矫娴谋憩F(xiàn)進行分項打分后再求和得出，缺少對高素質(zhì)工程技術(shù)人才應(yīng)具備的創(chuàng)新思維、綜合能力、團隊協(xié)作精神等方面的綜合性評價。學(xué)生往往只關(guān)心老師給自己打了多少分，而不在意自己是否達到了教學(xué)大綱所設(shè)定的預(yù)期學(xué)習(xí)目標，不利于復(fù)合型工程技術(shù)人才的培養(yǎng)。

2 數(shù)控銑削實訓(xùn)教學(xué)設(shè)計

2.1 設(shè)計方法

項目教學(xué)法是一種理論與實踐相結(jié)合，以師生共同完成某個項目而開展的教育、教學(xué)活動[8]。本研究以鏤空六面體零件為項目載體，將零件設(shè)計、程序編制、機床操作等知識融入到教學(xué)過程當(dāng)中，在OBE理念的指導(dǎo)下，采用項目教學(xué)法設(shè)計教學(xué)目標、充實教學(xué)內(nèi)容、優(yōu)化教學(xué)方法、完善考評體系。通過對典型零件的設(shè)計與加工，將企業(yè)實際加工過程中的人員、物料、設(shè)備、操作、產(chǎn)品、檢驗等要素貫穿于教學(xué)始終，把理論知識、實踐操作、團隊協(xié)作、自主創(chuàng)新四者結(jié)合起來，持續(xù)培養(yǎng)大學(xué)生的工程實踐能力、團隊協(xié)作精神以及創(chuàng)新思維能力。

2.2 實施條件

為保證教學(xué)項目的順利實施，如表1所示將整個教學(xué)過程劃分為項目引入、教學(xué)演示、項目實施、考核評價4個節(jié)點。按照課程內(nèi)容設(shè)定，結(jié)合我校數(shù)控實訓(xùn)車間實際情況，設(shè)計、編程軟件選擇NX9.0；加工仿真軟件選擇斯沃數(shù)控仿真軟件；加工設(shè)備選用大連機床廠生產(chǎn)的XD-40A型3軸數(shù)控銑床；加工刀具選用排屑順暢，加工表面粗糙度較好的D6單刃螺旋立銑刀；夾具選用精密機用平口鉗；毛坯選擇邊長為55 mm的正六面體亞克力塊，量具為游標卡尺。

表1 項目教學(xué)實施方案

考慮到數(shù)控銑削加工特點、加工時長、工序編排等因素，學(xué)生每2～3人自由組合為一個小組完成教學(xué)項目，并指派管理和動手能力較強的學(xué)生擔(dān)任組長。待任務(wù)下達后，由組長組織本組成員對項目任務(wù)進行討論、分析，通過合理的組員分工有效確保教學(xué)計劃的順利實施。

2.3 教學(xué)項目引入

數(shù)控銑削加工被廣泛應(yīng)用于機械設(shè)備制造、模具加工、航空航天等領(lǐng)域，不但可以對零件進行平面輪廓銑削、曲面輪廓銑削，還可以進行鉆、擴、絞、鏜、锪以及螺紋加工等處理。在正式引入教學(xué)項目之前，教師先通過播放圖片、視頻等方式向?qū)W生介紹數(shù)控加工技術(shù)在促進我國裝備制造技術(shù)進步、國民經(jīng)濟發(fā)展以及國防裝備現(xiàn)代化等方面的關(guān)鍵作用，在弘揚“工匠精神”“勞動精神”的同時，不斷激發(fā)學(xué)生對數(shù)控銑削實訓(xùn)的學(xué)習(xí)熱情。

圖1為鏤空六面體的設(shè)計圖紙，零件為正六面體，型腔由4個直徑不相等的同心圓通過深度差切割而成。以鏤空六面體零件的數(shù)控銑削加工為載體引入實訓(xùn)教學(xué)項目，整個過程以學(xué)生為中心，緊緊圍繞項目的完成而進行。教師在向?qū)W生講解鏤空六面體零件的結(jié)構(gòu)特征、設(shè)計思路、工藝要點以及數(shù)控銑床的安全操作規(guī)程之后向?qū)W生下達學(xué)習(xí)任務(wù)，并引導(dǎo)學(xué)生以師生交流、小組討論等形式對教學(xué)項目的實施節(jié)點與小組成員的責(zé)任分工作出合理安排。學(xué)生則以小組為單位查閱相關(guān)資料，自主學(xué)習(xí)NX9.0軟件、編程指令、加工工藝、機床操作等方面的專業(yè)知識。

圖1 鏤空六面體設(shè)計圖紙

2.4 教學(xué)項目演示

在引入教學(xué)項目之后，教師先向?qū)W生現(xiàn)場演示NX9.0軟件以及數(shù)控銑床的基本操作，再引導(dǎo)學(xué)生將這些實踐知識與之前查閱、學(xué)習(xí)相關(guān)資料所積累的理論知識進行交互融合，初步形成學(xué)生自己的知識體系。學(xué)生在學(xué)習(xí)數(shù)控銑床加工原理以及安全操作規(guī)程的基礎(chǔ)上，要掌握常用編程代碼，熟悉機床操作面板，練習(xí)對刀操作方法，并能夠使用NX9.0軟件設(shè)計出合格的鏤空六面體零件三維模型。

2.5 教學(xué)項目實施

教學(xué)項目的實施是數(shù)控銑削實訓(xùn)教學(xué)設(shè)計的關(guān)鍵內(nèi)容。本階段要求學(xué)生以加工出合格的鏤空六面體零件為目標，自主完成零件的設(shè)計、編程、加工任務(wù)。為了彌補數(shù)控實訓(xùn)設(shè)備的不足，減少加工材料的消耗，學(xué)生需先在計算機上借助斯沃數(shù)控仿真軟件練習(xí)數(shù)控銑床的基本操作以及加工程序的錄入等內(nèi)容。這樣不但能夠使學(xué)生在短時間內(nèi)快速熟悉數(shù)控銑床的操作面板，還能利用斯沃軟件的刀路仿真功能校驗所編程序的準確性，進而達到提升數(shù)控銑削實訓(xùn)教學(xué)質(zhì)量，預(yù)防安全事故發(fā)生的目的。教師在引導(dǎo)學(xué)生做好加工前各項準備工作的同時，還要向?qū)W生介紹車間6S管理要求，以培養(yǎng)學(xué)生的安全文明生產(chǎn)精神。

在數(shù)控銑床的實操環(huán)節(jié)，學(xué)生要以小組為單位輪流上機操作。每個小組需要完成數(shù)控銑床的開關(guān)機、毛坯裝夾、程序錄入、對刀操作、程序運行、零件檢驗、設(shè)備維保等工作?？紤]到時間因素，各組的上機加工時間應(yīng)控制在30 min左右。此外，在實際上機加工前，教師還應(yīng)告知學(xué)生如何及時、準確處理突發(fā)情況，以確保人員和設(shè)備安全。待所有小組完成鏤空六面體零件的設(shè)計、加工任務(wù)后，教師開始引導(dǎo)學(xué)生利用所積累的知識與經(jīng)驗每組獨立完成1～2件中國象棋、硬幣雕刻、孔明鎖等拓展實訓(xùn)項目的設(shè)計與加工。

2.6 考核評價標準

根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)成果制定科學(xué)、合理的考核評價標準，既是數(shù)控銑削實訓(xùn)教學(xué)內(nèi)容的延續(xù)，又是OBE工程教育模式不可或缺的重要環(huán)節(jié)。在以O(shè)BE工程教育理念為指導(dǎo)制定數(shù)控銑削實訓(xùn)教學(xué)考核評價標準時，除了要對學(xué)生考核件的設(shè)計與編程、數(shù)控銑床的操作與維護、實訓(xùn)報告和理論成績、考勤以及日常表現(xiàn)等傳統(tǒng)考核項目進行評價外，還要對學(xué)生所達成的階段性成果，如加工方案制定、項目實施規(guī)劃、加工難點總結(jié)以及所提出的應(yīng)對策略等進行考核。此外，各個小組成員的團隊協(xié)作精神、創(chuàng)新思維以及對于知識的綜合運用能力也應(yīng)該納入到考核評價標準之中。

3 數(shù)控銑削實訓(xùn)成果

在完成鏤空六面體零件的數(shù)控銑削加工項目之后，學(xué)生可以綜合數(shù)控車床、電工電子、3D打印、激光加工等其他實訓(xùn)學(xué)習(xí)成果，充分發(fā)揮想象力和創(chuàng)新思維對實訓(xùn)項目作品進行持續(xù)性改進。圖2為加工完成后的鏤空六面體零件，圖3為學(xué)生在鏤空六面體零件的基礎(chǔ)上改進而成的創(chuàng)意臺燈。圖4為項目拓展階段，學(xué)生自主設(shè)計、加工完成的中國象棋、硬幣雕刻、孔明鎖的實物作品。

圖2 鏤空六面體

圖3 創(chuàng)意臺燈

(a) 中國象棋

4 結(jié) 論

在工程教育專業(yè)認證背景下，基于OBE理念，以學(xué)生為中心，成果為導(dǎo)向，采用項目教學(xué)法設(shè)計的數(shù)控銑削加工實訓(xùn)教學(xué)，符合高校工程訓(xùn)練(機械)課程目標要求，能夠有效引導(dǎo)和幫助學(xué)生積極發(fā)揮主觀能動性，自主學(xué)習(xí)與零件設(shè)計、編程、加工相關(guān)的數(shù)控專業(yè)基礎(chǔ)知識，使學(xué)生在完成教學(xué)項目與拓展項目的同時獲得一定的成就感和滿足感，進而促進預(yù)期學(xué)習(xí)成果的達成。教學(xué)實踐表明：基于OBE理念設(shè)計的數(shù)控銑削實訓(xùn)教學(xué)，能夠有效提升大學(xué)生的工程實踐能力、創(chuàng)新思維、團隊協(xié)作精神以及對知識的綜合運用能力，同時對于數(shù)控銑削實訓(xùn)教學(xué)的持續(xù)性改進具有一定參考。