基于任務驅動的機械制造專業方向課和專業綜合實踐課的無縫銜接

姜興剛 彭翀 王延忠

摘要：為了適應當今制造業向數字化、信息化、智能化發展的需求，北京航空航天大學機械制造專業于2013年開始對原有本科教學計劃進行全面改革。將原有的3門專業方向課進行有效整合，形成兩門專業方向課；將原有的專業課程設計和專業綜合實驗課合并為一門專業綜合實踐課。新教學計劃對專業方向課和專業綜合實踐課的課時壓縮了近一半，不僅要求教學內容精練，而且要求教學內容能夠革陳出新。在實際操作過程中，由于受課時和內容的限制，很容易造成理論教學環節和實踐教學環節之間的脫節。采取任務驅動方式，以某一航空典型零件為加工案例，在理論教學環節中引入CAD/CAM虛擬設計/加工仿真環節，在后續的綜合實踐環節直接利用CAD/CAM得到的數控加工工藝、程序、組合夾具等用于實際零件的加工。通過任務驅動方式，按照理論—仿真—實踐的教學步驟，實現了機械制造專業方向課和專業綜合實踐課的無縫銜接，解決了新教學計劃中課時少、內容精的矛盾。

關鍵詞：任務驅動；CAD/CAM；加工仿真；無縫銜接；教學改革

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）28-0106-03

2013年，德國提出了工業4.0戰略；我國于2015年5月提出了《中國制造2025》規劃。所有這些都表明，當今的制造業正在向數字化、信息化、智能化方向深度發展，對制造業人才的培養也提出了新的要求。高等院校作為國家制造業人才培養的主陣地，也應該與時俱進，推動機械類專業教育教學改革創新。在此形勢下，北京航空航天大學機械制造專業于2013年開始對原有的本科教學計劃進行全面改革，包括：專業基礎課、專業方向課和專業綜合實踐課。筆者作為機械制造專業方向課和專業綜合實踐課的一線教師，通過對改革中可能存在的專業方向課和專業綜合實踐課之間容易脫節的問題進行深入剖析，提出基于任務驅動的教學方法，并指出CAD/CAM虛擬設計/加工仿真是連接專業方向課和專業綜合實踐課的紐帶。

一、機械制造專業教學計劃改革的主要措施

機械制造專業原有的專業方向課程有“機械制造工藝學”（48學時）、“數字化制造技術”（48學時）、“先進加工技術及裝備”（48學時）。這些課在內容上重復較多，占用學時也多，不利于學生擠出較多的時間學習新技術，比如“機械制造工藝學”和“數字化制造技術”都有關于加工工藝和典型零件加工方法的內容；“數字化制造技術”和“先進加工技術及裝備”都有關于機床、刀具、夾具等的內容。并且，有些課程內容已不符合當今社會的發展需求，需要進行革新，比如“機械制造工藝學”主要講的是普通機床的加工工藝，而對當今流行的數控機床加工工藝卻很少涉及；“數字化制造技術”雖然針對數控機床和數控技術，但對當今流行的計算機輔助設計、制造、仿真等軟件卻很少涉及；“先進加工技術及裝備”也需要增加一些當今新興的加工技術（如3D打印、綠色制造等）的內容，同時刪減一些較為陳舊的內容。

專業方向課的改革措施是將三門課的內容進行整合，最后形成兩門，分別為“數字化制造工藝與裝備”（64學時）和“先進加工技術”（32學時）。其中，“數字化制造工藝與裝備”是對原來的“機械制造工藝學”、“數字化制造技術”和“先進加工技術及裝備”（部分內容，計32學時）內容的整合，摒棄了原有教學計劃中關于普通機床結構及加工工藝的介紹，而代之以數控技術、數控機床、數控工藝、數控編程、計算機輔助檢測等內容。同時，授課學時也由原來的合計128學時壓縮為64學時。通過該門課程的學習，培養學生具有數字化制造的基礎理論知識，使學生能夠初步掌握數控工藝和數控程序的編程以及現場質量檢測的方法。

在實踐類課程方面，機械制造專業原有兩門專業實踐類課程：“專業課程設計”（80學時）和“綜合實驗”（80學時）。這兩門課程不僅內容陳舊、急需革新，而且兩門課程之間缺乏應有的聯系，造成了課時的很大浪費，授課質量和授課效率都很低。

綜合實踐類課程的改革措施是將原來的“機械制造專業課程設計”和“機械制造專業綜合實驗”統一為一門課程，即“機械制造專業綜合實踐”（80學時）。也就是說，在專業課程設計中設計的零件還要在綜合實驗中加工出來，從而保證了實踐教學環節的連續性。授課學時也由原來的合計160學時壓縮為80學時，并且在兩周內集中完成。在實驗條件上摒棄了現有教學計劃中關于滾齒機、插齒機、磨齒機等早已過時的設備，而代之以數控銑床、數控車床、數控磨床等，這也同時帶來了夾具的革新換代。

機械制造專業方向課和專業綜合實踐課改革方案如圖1所示，整個課程體系以數字化制造為主線，由理論到實踐，內容精練，避免重復。

二、基于任務驅動的理論—仿真—實踐教學方法

教學計劃的改革必然要帶來教學方法的改進。在以往的教學過程中，理論課的教師只負責課堂授課，其中也會穿插少量的實驗，但這些實驗只是驗證性的，而課程設計和綜合實驗課也是自成體系。這種各自獨立的教學方法已不適應新教學計劃的要求，主要表現在以下幾方面。

1.專業方向課缺乏應有的課外實踐環節，導致學生對課堂內容的理解不夠深入，不利于培養學生的思維方式和創新能力。

2.專業綜合實踐課學時太少，實際可操作性差。按照新教學大綱的要求，學生要在集中兩周的時間內完成給定零件的工藝過程設計、工藝裝備設計、數控編程與零件加工等整個實踐環節，內容多，時間緊張，不利于培養學生的工程意識和動手能力。

3.專業方向課和專業綜合實踐課脫節。從新教學計劃對機械制造專業課的整合可以看出，“數字化制造工藝與裝備”主要是培養學生具有數字化制造的基礎理論知識，專業綜合實踐課是它的后續課程，目的是培養學生解決工程實際問題的能力。但兩門課之間相對獨立，缺少一個應有的聯系紐帶，使授課質量和授課效率都受到影響。

針對此情況，提出基于任務驅動的理論—仿真—實踐教學方法。其基本思路如圖2所示。

在講授“數字化制造工藝與裝備”課程的過程中，引入CAD/CAM虛擬仿真環節，學生以所學理論作指導，針對某一典型航空零件，利用UG、ProE等CAD/CAM軟件完成數字建模、工藝過程設計、工藝裝備設計，然后在CAM環境下生成NC加工程序，并利用Vericut仿真軟件進行模擬加工仿真和參數優化。利用仿真軟件直觀、實時的優勢，充分發揮每位學生的積極性、主動性和創造性，最終得到可以直接用于加工的數控工藝、數控程序及與之相應的組合夾具。

在專業綜合實踐課中，可以直接利用CAD/CAM虛擬仿真環節得到的數控加工工藝、程序、組合夾具等用于實際零件的加工。在數控加工中，對每道工序進行精度測量，驗證虛擬仿真結果的準確性，并對數控工藝和數控程序進行修正，豐富和完善組合夾具單元庫和機床加工參數優化庫。這樣，不僅保證了專業方向課和專業綜合實踐課之間的無縫銜接，還節省了大約40學時的課程設計時間，將其分配到專業綜合實踐課的其他環節中，保證了專業綜合實踐課的教學質量。

采取任務驅動的理論—仿真—實踐教學方法，可以收到如下的顯著效果。

1.初步建立接近工程實際的虛擬制造過程體系，并在本科教學實踐中不斷完善。

2.在專業方向課和專業綜合實踐課之間搭建一座銜接的橋梁，保證機械制造專業新教學計劃實施的質量。

3.幫助學生建立現代設計與制造的思維模式，加深對設計制造本質的理解，培養學生的創新思維能力和實際動手能力，為今后利用先進手段開展機械設計、分析和制造打下良好的基礎。

三、結論

采用任務驅動式教學方法，引入CAD/CAM虛擬設計/加工仿真環節，打破以往單一的數字化建模與加工仿真形式，采取以專業方向課理論作指導，經專業綜合實踐課驗證，使學生在真實的任務問題下學習和應用知識，使所學知識得到鞏固、加深和遷移，提高教學效率；同時使實踐教學和理論教學融為一體，提高了學生主動學習的積極性，學生的動手能力和工程實踐能力、分析問題和解決生產實際問題的能力得到了加強，較好地解決了理論和實際相結合的問題，提高了教學效果。

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Abstract：The machinery manufacturing professional of Beihang University starts up the reform of the undergraduate course teaching plan from 2013 as the digitization，information and intelligentization of modern manufacturing industry is increasingly deepening.The former three professional direction courses are integrated into two ones，and the former professional curriculum design and professional comprehensive experimental course are integrated into one professional comprehensive practice course.The class hours of new teaching plan reduce nearly a half，and it requires the teaching contents refining as well as reforming.But in the practice，the theory teaching and practice teaching are easily departed subjecting to less class hours and more teaching contents.CAD/CAM virtual design and machining simulation are adopted in the theory teaching，and a typical aviation part is designed and simulated based on task driven.In the following practice teaching，the above results，such as CNC process，CNC program and modular fixtures，are directly used in practical part machining.The direction course and comprehensive practice course of machinery manufacturing professional are seamless connected by the step of theory—simulation—practice based on task driven.And the conflict between class hours and teaching contents in the new teaching plan is settled well.

Key words：task driven；CAD/CAM；machining simulation；seamless connection；teaching reform