數(shù)控編程課程改革實(shí)踐*

韓奉林

中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 長(zhǎng)沙 410083

作者：韓奉林，中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院講師，博士，研究方向?yàn)闄C(jī)械制造及其自動(dòng)化。

1 引言

計(jì)算機(jī)數(shù)控作為機(jī)械制造的革命性技術(shù)正越來越深地影響著制造業(yè)的發(fā)展，我國(guó)2011年國(guó)產(chǎn)機(jī)床數(shù)控化率已經(jīng)達(dá)到30.94%，而美國(guó)、歐洲發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)達(dá)到70%以上[1]。因此，掌握數(shù)控機(jī)床的編程和操作方法已經(jīng)成為有志于從事機(jī)械制造行業(yè)畢業(yè)生的必備技能。順應(yīng)這一趨勢(shì)，國(guó)內(nèi)眾多高校都開設(shè)了數(shù)控編程課程，培養(yǎng)學(xué)生數(shù)控編程和應(yīng)用能力。

數(shù)控編程實(shí)踐性很強(qiáng)，但又與機(jī)械制造工藝、金屬切削原理與刀具等專業(yè)理論課程聯(lián)系緊密，對(duì)于沒有太多機(jī)械加工經(jīng)驗(yàn)的學(xué)生而言，學(xué)習(xí)難度較大。近年來，中南大學(xué)在數(shù)控編程教學(xué)的諸多方面進(jìn)行了很多有益的嘗試，本文將總結(jié)改革中采取的主要針對(duì)性措施和取得的經(jīng)驗(yàn)。

從課程體系上來講，數(shù)控編程可分為手工編程和計(jì)算機(jī)自動(dòng)編程，大多數(shù)院校將計(jì)算機(jī)自動(dòng)編程劃入CAM（Computer Aided Manufacturing，計(jì)算機(jī)輔助制造）相關(guān)課程，在數(shù)控編程與應(yīng)用課程中主要講授手工編程內(nèi)容。因此，本文中只包含手工編程的內(nèi)容，而不包含自動(dòng)編程。

2 課程教學(xué)的主要難點(diǎn)

分析往年學(xué)生數(shù)控編程學(xué)習(xí)效果時(shí)發(fā)現(xiàn)，學(xué)生在以下幾個(gè)方面認(rèn)為數(shù)控編程較難掌握。

2.1 難以與實(shí)際加工建立聯(lián)系

由于學(xué)生實(shí)際加工經(jīng)驗(yàn)少，容易簡(jiǎn)單地把數(shù)控編程的過程理解為僅是在數(shù)控環(huán)境下進(jìn)行“CAD制圖”，無法站在制造角度看待。具體又體現(xiàn)在：對(duì)工件坐標(biāo)系建立過程理解不清；無法正確確立加工工藝路線；重插補(bǔ)指令，而輕視其余指令，甚至在編程時(shí)漏寫必要的輔助功能指令和其余準(zhǔn)備功能指令。

2.2 數(shù)控代碼多，難以記憶

以華中數(shù)控HNC-2000T為例，基本的準(zhǔn)備功能指令就有35個(gè)，基本輔助功能指令11個(gè)，尺寸字13個(gè)，刀具、進(jìn)給、主軸指令各1個(gè)，其余指令16個(gè)，共計(jì)68個(gè)。這些指令與自然語言聯(lián)系較少，僅有少數(shù)字母和數(shù)字組成，學(xué)生學(xué)習(xí)過程中反映記憶困難，容易混淆。

2.3 工藝參數(shù)確定困難

由于缺乏足夠的感性體驗(yàn)，學(xué)生反映對(duì)于主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、背吃刀量、刀具角度等工藝參數(shù)難以確定合理數(shù)值。

2.4 內(nèi)容枯燥

課程教授內(nèi)容比較具體，往往以一種具體的數(shù)控系統(tǒng)為對(duì)象，詳細(xì)講解其在各種加工中的編程和操作方法，這對(duì)于沒有多少實(shí)際機(jī)床操作經(jīng)驗(yàn)的學(xué)生來說，顯得比較枯燥，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣比較困難。

2.5 缺乏自我評(píng)價(jià)手段

學(xué)生在學(xué)習(xí)其他理論基礎(chǔ)課程時(shí)，可以在課后通過做習(xí)題檢驗(yàn)學(xué)習(xí)效果，及時(shí)地進(jìn)行自我評(píng)價(jià)。但數(shù)控編程知識(shí)的應(yīng)用對(duì)象是數(shù)控機(jī)床，只有通過實(shí)際加工才能發(fā)現(xiàn)存在的問題，現(xiàn)階段開放實(shí)驗(yàn)室供隨時(shí)接受學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的條件又不成熟，因此，學(xué)生對(duì)自己掌握知識(shí)的情況不太清楚，也無法獲得解決問題的成就感，進(jìn)一步影響了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

表1 教學(xué)手段較合適的教學(xué)內(nèi)容

3 綜合運(yùn)用多種教學(xué)手段

對(duì)于數(shù)控編程這類面向?qū)嶋H操作和應(yīng)用的課程，單純依靠課堂講授效果往往較差，必須通過實(shí)驗(yàn)增強(qiáng)學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)。但由于硬件條件的限制，實(shí)驗(yàn)耗時(shí)太長(zhǎng)，同時(shí)成本也較高。近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，很多院校引進(jìn)了數(shù)控系統(tǒng)仿真軟件作為課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)的有益補(bǔ)償[2]。

課堂教學(xué)、仿真和實(shí)驗(yàn)三種教學(xué)手段各有優(yōu)缺點(diǎn)。課堂教學(xué)信息量大，學(xué)生學(xué)習(xí)時(shí)所受干擾小，但不夠形象，學(xué)生積極性差；仿真時(shí)可做集中講解，便于做到人手一機(jī)，包含多種數(shù)控平臺(tái)，還可以復(fù)現(xiàn)很多編程中出現(xiàn)的問題，成本低，但仿真畢竟與真實(shí)操作環(huán)境還是存在較大差距；實(shí)驗(yàn)獲得的真實(shí)感最強(qiáng)，但教學(xué)效率最低。

如何在實(shí)際教學(xué)中平衡這三種教學(xué)手段，以獲得最佳的教學(xué)效果，是非常值得探討的問題。中南大學(xué)近年來一直在摸索最佳的教學(xué)手段平衡方案，通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，三種教學(xué)手段在數(shù)控編程課程中占用圖1所示比例時(shí)效果最好：課堂教學(xué)55%，仿真20%，實(shí)驗(yàn)25%。

同時(shí)，教學(xué)手段的選擇與授課內(nèi)容有較大關(guān)系，表1中列出了各種教學(xué)手段較適合的教課內(nèi)容。

4 任務(wù)驅(qū)動(dòng)型教學(xué)方法

以往數(shù)控編程教學(xué)較多采用以數(shù)控系統(tǒng)編程說明書的組織形式為教學(xué)主線，這樣做教學(xué)內(nèi)容覆蓋比較全面，學(xué)生復(fù)習(xí)相對(duì)容易，但也存在明顯的缺陷，即內(nèi)容松散，知識(shí)點(diǎn)容易混淆。

為解決第2部分中的2.1、2.2、2.4等難點(diǎn)，采用了任務(wù)驅(qū)動(dòng)型教學(xué)組織形式[3]，即打破原有的說明書似的內(nèi)容組織形式，除編程基礎(chǔ)和工藝分析采用傳統(tǒng)教學(xué)方法外，其余每節(jié)課都以一個(gè)具體的加工任務(wù)開始。

任務(wù)型教學(xué)法的組織流程如圖2所示，教師首先講解本節(jié)課要掌握的數(shù)控代碼語法，然后分析加工難點(diǎn)和注意事項(xiàng)，學(xué)生在查閱資料、相互討論基礎(chǔ)上形成加工方案，當(dāng)堂完成加工代碼，并進(jìn)行仿真驗(yàn)證。在學(xué)生查閱資料的環(huán)節(jié)中可讓學(xué)生通過多種渠道獲得信息，除了傳統(tǒng)的編程說明書及其他教材外，還可以利用手機(jī)等智能網(wǎng)絡(luò)終端通過互聯(lián)網(wǎng)獲得更廣泛的信息。

任務(wù)型教學(xué)中，學(xué)生不僅僅是控制機(jī)床走一些簡(jiǎn)單的軌跡，面對(duì)的是真正的加工任務(wù)，幫助他們建立數(shù)控編程與實(shí)際加工的聯(lián)系。同時(shí)，由于是任務(wù)驅(qū)動(dòng)，教授的指令自然會(huì)按相近功能的指令一起辨析講解，也便于學(xué)生記憶。在這樣一種模式下，學(xué)生參與感大大增強(qiáng)，而解決問題的過程也是學(xué)生自我評(píng)價(jià)的過程，當(dāng)通過仿真驗(yàn)證其想法時(shí)，也會(huì)激發(fā)學(xué)生的積極性和主動(dòng)性。

5 課程考核方式改革

學(xué)期末通過試卷考試的傳統(tǒng)考核模式在教學(xué)中出現(xiàn)了諸多缺點(diǎn)：首先，卷面考核難以考查學(xué)生實(shí)際解決問題的能力；其次，期末考試使得學(xué)生產(chǎn)生考前再突擊的倦怠思想，從而影響學(xué)期中的學(xué)習(xí)積極性。

如圖3所示，改革后的考核體系取消了期末卷面考試，共包括三個(gè)部分：期末大作業(yè)（50%）、課堂表現(xiàn)（40%）和出勤率（10%）。期末大作業(yè)采用分組形式，每組負(fù)責(zé)加工一個(gè)復(fù)雜零件，組內(nèi)成員分別負(fù)責(zé)工藝、編程、仿真和機(jī)床操作，每人的工作既有協(xié)作，又有區(qū)分。課堂表現(xiàn)是指在前述任務(wù)型教學(xué)中學(xué)生查閱資料、討論問題、編程和仿真中的表現(xiàn)，由教師當(dāng)堂打分。

在新的考核體系下，更加注重學(xué)生解決問題的能力，也從注重考試結(jié)果逐步向注重學(xué)習(xí)過程轉(zhuǎn)變。同時(shí)，在考核中還鍛煉了學(xué)生的協(xié)作能力。

6 注意與其他課程的銜接

數(shù)控編程中需要用到機(jī)械制造方面很多專業(yè)課程的知識(shí)，是機(jī)械制造方面知識(shí)的綜合應(yīng)用。因此，在安排教學(xué)大綱時(shí)要特別注意與其他緊密相關(guān)的專業(yè)課程的銜接關(guān)系。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，如果學(xué)生在學(xué)習(xí)數(shù)控編程不久前剛修過機(jī)械制造工藝學(xué)和金屬切削原理與刀具，學(xué)生能在編程中較合理地確定工藝參數(shù)；反之，如果學(xué)生沒有修過這兩門課程或者已修過太久，效果則相對(duì)較差。因此，數(shù)控編程宜緊接著安排在機(jī)械制造工藝學(xué)和金屬切削原理與刀具兩門課程之后。如果存在其他原因無法如此安排，最好在數(shù)控加工工藝部分增加金屬切削和刀具相關(guān)知識(shí)。

7 總結(jié)

在分析學(xué)生在學(xué)習(xí)數(shù)控編程時(shí)遇到的困難后，介紹了中南大學(xué)近年來課程改革的針對(duì)性改革措施以及取得的經(jīng)驗(yàn)，實(shí)際教學(xué)效果表明，改革取得較好的效果。

[1]劉恒.伺服精密化力助數(shù)控機(jī)床“智造”[J].伺服控制,2012(1):20-22.

[2]金魁.數(shù)控仿真軟件在數(shù)控編程與加工教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國(guó)教育技術(shù)裝備,2012(15):139-140.

[3]楊世成.基于“任務(wù)驅(qū)動(dòng)”的《數(shù)控編程》課程教學(xué)設(shè)計(jì)[J].職業(yè)技術(shù)教育,2007(8):77-78.