基于四維模式的數(shù)控加工技術(shù)課程實驗教學(xué)改革

張麗娟 李寶棟 岳佳欣

（1.蘭州工業(yè)學(xué)院 機電工程學(xué)院，蘭州 730050；2.蘭州理工大學(xué) 生命科學(xué)與工程學(xué)院，蘭州 730050）

為實現(xiàn)從制造大國向制造強國的轉(zhuǎn)變，我國根據(jù)現(xiàn)實國情提出了《中國制造2025》[1]。制造業(yè)的發(fā)展離不開數(shù)控技術(shù)的護航。數(shù)控加工技術(shù)課程作為機械制造專業(yè)的必修基礎(chǔ)課程之一，旨在培養(yǎng)具有數(shù)控加工能力的工程實踐應(yīng)用人才。此課程中的數(shù)控加工實驗具有舉足輕重的作用[2-3]。在新工科背景下，重新審視實驗教學(xué)過程發(fā)現(xiàn)，教學(xué)效果常常受到實驗內(nèi)容、實驗時間、實驗儀器數(shù)量的影響，而且實驗脫離企業(yè)實際生產(chǎn)，無法滿足工程人才的培養(yǎng)需求，迫切需要加快實驗教學(xué)模式改革。

結(jié)合本課程特點，以復(fù)合型應(yīng)用人才為核心培養(yǎng)目標(biāo)，構(gòu)建理論-實踐、線上-線下、個人-小組、學(xué)校-企業(yè)的四維實驗教學(xué)模式，實現(xiàn)多元化的實驗教學(xué)，推動實驗教學(xué)內(nèi)容改革，促進教學(xué)質(zhì)量提升。理論與實踐循環(huán)學(xué)習(xí)，相互促進吸收；結(jié)合線上與線下，改變傳統(tǒng)實驗教學(xué)輸入模式；從個人到小組，學(xué)生共同成長，激發(fā)學(xué)習(xí)動機和興趣；借助校外企業(yè)，實現(xiàn)產(chǎn)教融合。通過實驗教學(xué)模式改革，不僅能提升教學(xué)質(zhì)量，滿足學(xué)生的工程能力培養(yǎng)需求，而且能推動整體課程建設(shè)。

1 實驗教學(xué)設(shè)計

本課程實驗采用理論與實踐相統(tǒng)一、線上與線下相結(jié)合的教學(xué)模式，融合學(xué)生個人設(shè)計和小組討論分析成果，選取企業(yè)真實零件案例作為加工任務(wù)，依托學(xué)校金屬切削加工實驗室，通過對企業(yè)非保密軸類零件的數(shù)控車削加工，完成教學(xué)項目的逐級遞進實施，如圖1 所示。

圖1 四維模式混合教學(xué)設(shè)計

1.1 理論與實踐相融合的教學(xué)方法

數(shù)控加工技術(shù)課程理論內(nèi)容較多，理論學(xué)時多于實驗學(xué)時，往往按照先學(xué)習(xí)課程專業(yè)知識再進行相應(yīng)實踐的順序進行教學(xué)，這樣不利于培養(yǎng)應(yīng)用型人才，無法做到理論知識與工程能力并重[4]。在設(shè)計實驗教學(xué)內(nèi)容時，不僅要注重對學(xué)生操作能力的培養(yǎng)，也要注意教、學(xué)、做的互助過程，以理論知識支撐實踐能力，以實踐引發(fā)理論教學(xué)的相關(guān)內(nèi)容，形成整個教學(xué)內(nèi)容的循環(huán)。

通常，學(xué)生理論學(xué)習(xí)完畢后，進入實驗室進行實踐操作訓(xùn)練。在實驗過程中，學(xué)生不僅能將理論知識應(yīng)用到實踐，也能結(jié)合其他相關(guān)的基礎(chǔ)課程建立知識體系，培訓(xùn)識圖、分析、設(shè)計、動手加工的能力[5-6]。教學(xué)改革后，在實踐加工情景中，以任務(wù)為驅(qū)動，以實驗場景為起點，運用基于問題教學(xué)的方式，在學(xué)生遇到具體問題時，切入理論教學(xué)。心理學(xué)家亞伯拉罕· 馬斯洛認為，一個健康的人在滿足基本需要后，就會出現(xiàn)另一個更高的需要。讓學(xué)生帶著疑問大膽猜測、懷疑、思考，激發(fā)其從已知內(nèi)容中找到未知答案的積極性，使他們主動學(xué)習(xí)、擴充知識，以此培養(yǎng)學(xué)生的探究能力。通過采用理論-實踐-理論的循環(huán)教學(xué)方法，不僅培養(yǎng)了學(xué)生的實踐能力，也培養(yǎng)了學(xué)生探索更深層問題的能力。

1.2 線上線下混合的教學(xué)過程

數(shù)控加工技術(shù)實驗需借助數(shù)控加工機床進行實踐操作，操作過程復(fù)雜，受時間和空間的限制，無法保證學(xué)生實驗的完整度和效率，操作不當(dāng)易造成安全事故。在實驗教學(xué)中，引入線上和線下相結(jié)合的新教學(xué)過程，提升實驗教學(xué)質(zhì)量，保障實驗過程安全、有效。

借助超星學(xué)習(xí)平臺發(fā)布實驗任務(wù)，讓學(xué)生預(yù)習(xí)實驗內(nèi)容，查閱相關(guān)資料，提前自學(xué)實驗指導(dǎo)書，以縮短進入實驗室后的教學(xué)導(dǎo)入時間。學(xué)生結(jié)合實驗中實際用到的原理來設(shè)計實驗方案，通過虛擬仿真軟件體驗加工情景，預(yù)先進行模擬加工，掌握實驗任務(wù)的設(shè)置目標(biāo)，提前了解機床實踐操作存在的安全風(fēng)險，學(xué)會解決危險和隱患，為后期線下真實的實驗過程的安全性提供保障[7-9]。在線下實驗過程中，及時彌補線上預(yù)習(xí)內(nèi)容缺陷，糾正預(yù)習(xí)中的錯誤。實體加工操作時，學(xué)生通過線上學(xué)習(xí)和虛擬加工，已經(jīng)熟悉實驗內(nèi)容和操作步驟，可以高效生成正確的實驗結(jié)果。改革后，通過線上線下混合教學(xué)以及學(xué)習(xí)平臺和虛擬軟件的有效輔助，解決了實踐問題，提升了實驗的完整性、安全性。

1.3 個人到小組的學(xué)習(xí)模式

傳統(tǒng)的實驗教學(xué)過程往往以教師為主導(dǎo)，由教師介紹實驗?zāi)康暮蛢?nèi)容，講授實驗原理，協(xié)助學(xué)生完成實驗步驟，達成實驗結(jié)果。學(xué)生按部就班地跟隨教師進行實驗，缺乏探究精神和主動思考的能力。而實驗教學(xué)改革主張以學(xué)生為主體，采用個人學(xué)習(xí)到小組討論的學(xué)習(xí)模式。以個體學(xué)習(xí)的知識作為基礎(chǔ)，開展小組討論交流，使學(xué)生深入思考，增加討論深度。小組合作研討能解決個體無法理解的問題，彌補個體知識缺陷，實現(xiàn)優(yōu)勢互補，調(diào)動每個學(xué)生的積極性和參與性[10]。

學(xué)生提前自主學(xué)習(xí)、查漏補缺，解決自身現(xiàn)有問題，線上提交預(yù)習(xí)的實驗內(nèi)容及仿真實驗結(jié)果，以此培養(yǎng)學(xué)生獨立思考問題的能力。學(xué)生分組共同討論實驗內(nèi)容，同組成員之間相互學(xué)習(xí)，取長補短，通過分享個人的經(jīng)驗和知識，修正學(xué)習(xí)結(jié)果，相互促進，建立榮辱與共的團隊精神，通力合作，達成實驗?zāi)繕?biāo)。各小組之間存在競爭關(guān)系，能充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，促進他們共同進步，最終實現(xiàn)共贏。以團隊成績作為實驗考核的評價標(biāo)準(zhǔn)，能改善小組學(xué)習(xí)的效果。

1.4 校企融合的教學(xué)目標(biāo)

許多學(xué)生畢業(yè)后進入工作崗位，動手能力較弱，與企業(yè)實際生產(chǎn)脫節(jié)，無法很快適應(yīng)職場。他們經(jīng)驗不足，知識多停留在理論層面，加工的產(chǎn)品不能滿足市場要求，需要企業(yè)專門對其進行培訓(xùn)。學(xué)校應(yīng)順應(yīng)改革方向，追趕產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢，發(fā)力于校企融合，以校企合作為抓手，培養(yǎng)出滿足企業(yè)需求的應(yīng)用型人才。

加強學(xué)校與企業(yè)的交流，利用相關(guān)資源，將學(xué)校實驗教學(xué)與企業(yè)實際生產(chǎn)貫通，校企共同培養(yǎng)人才[11-12]。在實驗中融入企業(yè)真實案例，加工產(chǎn)品要以企業(yè)合格產(chǎn)品為目標(biāo)，使學(xué)生在學(xué)校就能感受企業(yè)氛圍，畢業(yè)后能較快適應(yīng)工作崗位，完成企業(yè)的加工生產(chǎn)任務(wù)。實驗過程中可邀請企業(yè)技術(shù)人員作為兼職教師，走入實驗課堂，就企業(yè)文化、企業(yè)加工生產(chǎn)要求等和學(xué)生進行面對面交流，提高其實際操作水平，培養(yǎng)他們的工程師素養(yǎng)。

2 教學(xué)實施

采用企業(yè)真實零件加工作為案例任務(wù)，以工程項目為導(dǎo)向，進行數(shù)控車削加工實驗。閥桿零件圖如圖2 所示。

圖2 閥桿零件圖

2.1 布置實驗任務(wù)

首先，教師通過網(wǎng)上教學(xué)平臺發(fā)布實驗任務(wù)和實驗指導(dǎo)書，并將線下實驗中用到的加工機床的特點、設(shè)備型號、操作注意事項提前發(fā)布至線上。實驗任務(wù)是企業(yè)閥桿零件的加工目標(biāo)，實驗指導(dǎo)書能有針對性地引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)。其次，學(xué)生分析圖紙的加工工藝要求，借助教材、網(wǎng)絡(luò)查閱資料來確定數(shù)控車削工藝，在工藝卡片上填寫加工工步刀具、夾具以及主軸轉(zhuǎn)速、進給速度、進給量、背吃刀量等參數(shù)，并編制數(shù)控加工程序。再次，通過在虛擬仿真軟件中輸入編制好的車削加工程序，選擇對應(yīng)的數(shù)控加工機床，再現(xiàn)實際加工場景，模擬加工過程。最后，修改、整理工藝卡片和加工程序，并通過教學(xué)平臺提交。

2.2 分析工藝，確定程序

線下實驗課中，學(xué)生根據(jù)課前領(lǐng)取的加工零件圖紙分組討論，教師分組點評指導(dǎo)，最后選擇最優(yōu)加工工藝參數(shù)和加工程序，指派一名學(xué)生匯報講解，根據(jù)其他小組的建議，修改和完善數(shù)控程序。

第一，加工工藝卡片設(shè)計。根據(jù)工件要求，包括工件材料、毛坯尺寸，確定加工工藝，填寫各工序內(nèi)容。對于粗車、精車不同工序，結(jié)合企業(yè)加工要求填寫工藝參數(shù)。教師針對設(shè)計中零件基準(zhǔn)面、工件夾緊、重點加工面的技術(shù)要求進行詳細講解。

第二，車削加工程序編制。選擇工件坐標(biāo)原點，確定編程時的具體加工數(shù)據(jù)。工件坐標(biāo)原點的設(shè)立決定了車刀的起刀點和編程中的坐標(biāo)值。結(jié)合機床坐標(biāo)系和工件坐標(biāo)系的區(qū)別，講解同一零件車削加工程序中數(shù)值差異的原因，強調(diào)圓弧加工程序編寫的關(guān)鍵點。程序編制質(zhì)量直接決定了加工效率，這就要求學(xué)生將程序與加工工藝相結(jié)合，提高生產(chǎn)效益。

第三，循環(huán)指令使用。從基本指令編程到運用循環(huán)指令，著重設(shè)計加工余量較大的表面的程序。選擇單個G 代碼替代多個程序段的編程方法，能減少程序段，縮短實驗中上機編寫程序的時間。

2.3 零件加工

上機加工時，要求每組有一人負責(zé)將編好的程序輸入機床系統(tǒng)，一人負責(zé)檢查校核程序，一人負責(zé)加工操作，一人負責(zé)預(yù)先檢驗成品。

首先，強調(diào)安全操作規(guī)程。教師要強調(diào)安全生產(chǎn)要求，使學(xué)生養(yǎng)成正確的操作習(xí)慣，具備將生命安全和國家財產(chǎn)安全放在第一位的工業(yè)生產(chǎn)意識。

其次，輸入程序。正確裝夾刀具和工件后，通過數(shù)控系統(tǒng)鍵盤輸入程序，利用機床軟件模擬加工刀路軌跡。軌跡正確后開始加工，若有錯誤，及時修改。

再次，利用試切法對刀。在手動模式下進行試切對刀操作，按照機床指示順序，分別進行Z軸、X軸的對刀操作。教師結(jié)合對刀操作原理，講解對刀的作用、對工件尺寸的影響、尺寸誤差補償方法等內(nèi)容，將實際操作中的問題反饋給學(xué)生。

最后，單段加工與自動加工。出于對安全加工的考慮，要求學(xué)生先進行單段加工，檢查刀具位置、坐標(biāo)值和程序段，觀察加工過程是否正確、設(shè)置參數(shù)是否合理。若有問題，應(yīng)及時停止并咨詢教師，確認加工過程、參數(shù)全部正確后，再開始自動加工。

2.4 加工成品檢測

學(xué)生之間互相檢驗加工成品，并進行初評。各小組對照零件圖紙，測量加工尺寸、檢測表面粗糙度，為其他小組的加工成品打分。企業(yè)導(dǎo)師對學(xué)生的加工產(chǎn)品進行最終檢驗，根據(jù)加工工藝參數(shù)設(shè)置是否合理、零件加工是否合格、設(shè)計過程是否符合企業(yè)需求進行打分，并做出點評。最后匯總計算各組的平均分值。

3 效果與評價

通過理論與實踐相融合的循環(huán)教學(xué)過程，以理論為支撐起點，使學(xué)生利用線上教學(xué)平臺、虛擬軟件、線下實驗加工過程進行自我建構(gòu)，在發(fā)現(xiàn)問題、尋求答案的過程中吸收理論知識[13]。以個人為基本單位，同時匯集小組能量，在教師和企業(yè)導(dǎo)師的共同促進下，提高學(xué)生的團隊協(xié)作能力，提升其對企業(yè)生產(chǎn)的認知，培養(yǎng)他們精益求精的工作精神。

4 結(jié)語

數(shù)控加工技術(shù)課程實驗教學(xué)改革，符合新工科背景下的人才培養(yǎng)目標(biāo)。實驗以工程任務(wù)為背景，設(shè)計、加工、檢驗過程不僅增強了學(xué)生理論與實際結(jié)合的能力，而且激發(fā)了其自主思考和設(shè)計的興趣。通過協(xié)同合作提高了整體加工效能，實現(xiàn)學(xué)校與企業(yè)的連接，為復(fù)合型應(yīng)用人才的培養(yǎng)提供助力。