“數控技術”課程教學改革路徑探索

劉國華　曹立文　張海兵

摘 要：文章從“數控技術”課程的特點出發，分析了“數控技術”課程教學現狀，并提出了“數控技術”課程教學改革的路徑。

關鍵詞：數控技術；教學改革；路徑

中圖分類號：G642.3 文獻標識碼：A 文章編號：1002-4107（2016）09-0026-02

在2015年的十二屆全國人大三次會議上，李克強總理在政府工作報告中提出了“中國制造2025”的概念，指出信息技術和制造技術的深度融合是新一輪產業競爭的制高點，為我國從制造業大國轉向強國提出了遠景規劃，在規劃中列出的將來十大重點發展領域中，高檔數控機床名列其中[1]。隨著數控機床在工業生產中日益廣泛應用，“數控技術”的課程教學變得越來越重要。結合多年的教學實踐，本文對本科教育中“數控技術”的課程教學進行了探索。

一、數控技術課程的特點

“數控技術”作為機械專業的重要專業技術課程，涉及技術領域眾多。從數控機床本身來看，它綜合了機械、自動化、計算機、測量、微電子、傳感器等技術，是典型的自動化設備，也是數字化制造技術的核心設備。

“數控技術”課程體系如圖1所示，主要分成兩大方向：一是以機械為主的數控編程與加工技術，二是以電氣為主的機電一體化應用技術。

數控編程與加工方向主要包括數控加工工藝、數控編程、典型數控設備結構與應用等，基礎課程有機床、刀具、機械制造工藝及CAD/CAM技術等。數控技術的機電一體化應用方向主要包括計算機數控裝置、數控插補原理、機床伺服驅動控制等，基礎課主要有單片機及應用技術、PLC應用技術、機電傳動控制、信號分析與處理等[2]。

以上兩個方向，數控加工以力學、材料學、工藝理論為基礎，而數控系統及設備以電子學、控制論、計算機技術為基礎，二者從核心課程到基礎理論都存在一定區別，一個側重于機械加工，一個側重于機床控制原理與系統。但恰恰是這門課程，將機械設計、制造及自動化三個方面相關知識有機結合起來，而這正是機械設計制造及其自動化專業的主要培養目標。因此，“數控技術”作為一門綜合性強，起到貫穿作用的紐帶課程，其教學理應得到更大程度的重視。

二、“數控技術”課程教學現狀

經過多年的教學實踐，“數控技術”的課程教學取得了一定程度的進步，然而在當前教學中也存在一些問題，主要表現在以下方面。

（一）課程定位不明確

以當前機械設計制造及其自動化專業的課程安排為例，一些基礎課程占用了大量學時，導致很多專業課程只能減少學時為其讓路。以我們從事的“數控技術”課程教學為例，其由專業必修課變成了現在的專業選修課，重要性反而有所降低。

（二）教學內容安排不合理

由于歷史原因，現在的機械設計制造及其自動化專業主要來源于原來的機械制造專業，在課程及教學內容安排方面，更多地注重于制造方面，同時由于課程安排及師資方面的因素，教學中多以數控編程與加工為主，而與自動化關系較為密切的數控系統及原理方面涉及較少。在實驗、實訓等實踐教學環節中，通常也主要以簡單的手工編程、數控機床操作為主。而隨著計算機技術的發展，數控編程當前也主要以自動編程為主，手工編程應用較少，形成與實際應用的脫節。

（三）相關課程安排脫節

由于種種原因，機械專業的很多與自動化相關的電類課程并沒有很好地融合到專業教學中。首先，機械專業的自動化課程多由電氣專業相關教師開設，授課內容也多由自動化專業的課程教學移植而來，由于專業的差異，造成機械專業學生在學習中既缺乏針對性，又往往會陷入對自動化專業知識一知半解的困惑中。這些前期課程內容在后期學習中若不能得到有效應用，就會形成一個個知識孤島，久而久之效果較差。因此，只有將相關課程有機結合在一起，學以致用，才能取得良好的學習效果。

三、數控技術教學改革的路徑

針對以上教學中存在的問題，結合多年的教學實踐，我們認為應主要從以下方面對課程教學進行改革與探索。

（一）明確“數控技術”課程的地位

數控機床是結構復雜的機電一體化設備，數控機床的結構屬于機械設計范疇，數控加工程序與機械制造工藝密切相關，數控系統及原理又是自動化控制技術的典型應用。因此，數控技術將設計、制造及自動化緊密聯系在一起，具有重要紐帶作用，對于整個專業的教學都具有重要意義。因此，需要明確“數控技術”課程教學的核心地位，并應對整個專業的教學計劃作合理調整。

（二）合理安排“數控技術”課程的內容

數控加工方面包含內容眾多，尤其是數控加工工藝方面，其與生產實踐密切相關，學生難以通過短時間的學習達到較高水平，因此學生掌握基本處理過程即可。要適當擴展自動編程方面的教學內容，使學生對生產中的主要編程手段有一定了解。適當加強數控系統及原理方面的內容，主要包括數控裝置、插補原理、伺服系統等，其中涉及的多項自動化技術，不僅在數控機床中得到應用，也是工業生產中非常重要的應用技術。通過學習，有助于加深學生對數控技術的理解，同時對工業生產中的先進自動化技術有一定認識和了解。

（三）規范相關課程教學

“數控技術”課程涉及技術層面較多，須合理安排相關課程教學，以數控技術為核心，形成合理的課程教學體系，讓“數控技術”課程的學習成為前期所學內容的綜合實踐運用過程。

從目前教學情況來看，與自動化相關的電類課程存在的問題較多。這些課程多是在電氣專業的課程基礎上做簡單修改移植而來，涉及大量的基礎原理與設計過程，而機械專業在這方面以應用為主，易造成學習上的困難。以單片機課程為例，課程中多用晦澀難懂的匯編語言進行編程，而實際應用中卻是以C語言編程為主，其不但與實際脫節，且枯燥的學習過程易打消學生學習積極性。上述存在的問題，需要從全局規劃，合理配置師資條件，對理論及實驗教學內容及方式進行調整，使電類課程教學更適應機械專業的教學要求，并有機融合在機械類課程中。

（四）加強實踐教學

對于工科專業，實踐教學是對理論教學的有效補充。在“數控技術”課程學習中，數控實驗、實訓教學起著不可或缺的作用。

1.開展以自動編程為主的數控實訓。自動編程是以計算機軟件完成數控加工程序的編制，是當前工業生產中主要采用的編程方式。數控實訓中應以自動編程為主，合理選取典型工件，制定工藝方案，利用常用的計算機軟件，讓學生了解自動編程的主要工作流程及加工方式。

2.采用開放式數控系統實驗臺。工業生產用的數控機床適合加工實驗及實訓過程，但由于其封閉性，并不適合學生了解機床的內部結構、工作原理等。為了加強對數控機床的內部結構以及各組成模塊的了解，選用開放式數控綜合實驗臺是很好的替代方式。開放式實驗臺將數控機床模塊進行拆解，采用模塊化設計，由數控裝置、變頻調速主軸、交流伺服單元、測量裝置等組成，使機床組成一目了然，便于掌握數控系統電氣控制原理、電氣布局、安裝及調試等，可以達到工業現場實習效果[3]。

3.利用開源硬件實施項目驅動教學。項目驅動教學是指在教學過程中，以學生為中心，以項目為驅動的教學方式。通過完成實際項目，學生真正做到學以致用，加深對理論知識的理解[4]。

項目驅動教學，項目的選取是關鍵。大部分工業生產設備結構復雜，體積龐大，難以隨意拆裝去了解結構、原理。近年來興起的一些小型桌面式自動化設備可以作為很好的替代方案，如時下較熱門的3D打印機、激光雕刻機等。這些裝置功能完整，且規模較小，并可以采用一些標準組件，有效降低項目實現難度及開發成本。同時，以學校、學院的創新項目及實驗條件等為依托，可以對項目起到良好的支撐作用。

典型自動化設備主要包括機械結構、控制硬件及應用軟件三部分，涉及不同的技術領域，主要的難點在于后兩者，而當前興起的開源硬件提供了有效解決方法。開源硬件是指與開源軟件采用相同方式設計的計算機和電子硬件，以3D打印為例，它正是采用了開源硬件Arduino，才使昂貴的系統變得價格低廉。Arduino既包含硬件，也包含軟件開發環境和大量開源程序，拋開了傳統硬件開發的復雜操作，使真正完成一臺自動化設備不再是遙不可及的[5]。

在項目的實施過程中，由學生組成團隊，分工合作完成裝置的計算、設計工作，創建三維數字模型，生成工程圖紙，送至加工車間完成零部件的加工。控制系統主要利用Arduino完成硬件控制及軟件開發。這種理論與實踐結合的學習過程，不但是對所學知識的檢驗，而且可以極大激勵起學生的學習興趣。

數控技術在工業生產中占有非常重要的地位，“數控技術”的本科課程教學中仍然存在諸多方面的問題。本文對我們教學實踐中遇到的一些問題進行了分析，并提出了一些解決方法。隨著以數控機床為代表的自動化設備在工業生產中的大量應用，培養學生的相關能力也變得越來越重要，這也促使我們對當前教學中存在的問題不斷進行思考，而作為工科專業，如何真正做到學以致用，讓學生在實踐中學習，任何時候都是一個重要的課題。

參考文獻：

[1]國務院.中國制造2025[EB/OL].[2016-03-16].http：

//www.gov.cn/zhengce/content/2015-05/19/content

_9784.htm.

[2]張麗華.數控技術專業課程體系改革探索[J].船舶職業

教育，2013，（1）.

[3]武漢華中數控股份有限公司.HED21S數控系統綜合試

驗臺[EB/OL].[2016-03-10].http：//www.huazhongcnc.

com/product/pnc/82.aspx.

[4]馮林，鄭薇薇.“任務驅動”與“項目驅動”相結合的創新

教育研究[J].黑龍江教育：高教研究與評估，2010，（4）.

[5]付久強.基于Arduino平臺的智能硬件設計研究[J].

包裝工程，2015，（10）.