數控仿真在一體化教學中的應用

李彤輝

（承德技師學院，河北 承德 067000）

數控技術是制造技術的核心部分，數控機床的加工過程需要數控程序進行機床操作，具有加工精度高、質量穩定等特點。隨著我國中等職業教育學校的增加，普通高校的擴招等等因素，中等職業學校生源質量的低劣化現象越來越普遍。特別是普教學校的競爭，進一步加劇了這種現象。從目前的情況來看，中等職業學校學生大多來自于初中、高中學生中的中下層，很大一部分學生理解能力不高，邏輯思維能力不強，而《數控編程操作》又是一門理論實踐結合強的專業課，如果按照常規課堂教學，效果非常不理想。因此，培養數控應用型人才已成為中等職業數控專業教育的重要任務。

1 數控實習教學的現狀

跟傳統的機械加工實習教學相比較，數控實習教學存在以下困難：①數控機床是一種機電一體化的機械加工設備，價格較之普通機床要昂貴得多，一臺中檔數控車床或數控銑床一般需二、三十萬，而數控加工中心更是高達幾十萬甚至上百萬數控機床的操作訓練若完全依賴數控機床進行實作訓練，投入大、消耗多、成本高。②再者，數控機床的系統多，型號多且更新較快，對學校而言是不可能將所有的系統配齊的，這樣經常會出現學生在校期間所學的系統與工廠中不符的情況，使到了工廠后不能盡快適應機床，還需一段時間的培訓后才能進行生產。③并且，數控機床是自動運行的，學生在初學時，常常會由于在編程中的疏忽或操作中的失誤造成刀具或機床的損壞，甚至造人身危害。因此，為了解決上述問題，學校從2007年開始數控教學起，就嘗試使用宇龍數控仿真軟件，利用數控仿真軟件進行教學，計算機仿真運用到數控教學過程當中，進行真實場景的仿真操作，培訓學生的實際技能發揮了重大的作用，學校對數控專業的教學方法和教學模式進行探索，建立數控教學的新體系，把理論、仿真和實踐教學有機結合到一起。

2 數控仿真

數控仿真系統就是利用虛擬現實技術，模擬實際機床加工環境及其工作狀態的計算機仿真系統，應用于數控加工操作技能培訓，具有安全可靠、培訓費用低的優點。數控仿真系統主要包括兩個部分：數控機床幾何仿真和切削過程的物理仿真。幾何仿真：模擬實際機床的加工環境，不考慮切削參數、切削力等對切削加工的影響，只仿真刀具工件幾何運動，檢查是否存在碰撞、干涉，驗證數控程序的正確性，避免因程序錯誤而導致的夾具刀具損壞、零件報廢等。物理仿真：通過仿真切削過程的動態力學特性來預測刀具磨損和破損、刀具振動，分析加工精度、加工過程的熱效應以及切削力作用下的系統彈性變形等，調整控制切削參數，從而達到優化切削過程的目的。

幾何仿真包括硬件和軟件兩個部分。硬件仿真是指虛擬數控機床的幾何建模，虛擬數控機床與真實機床具有相似的結構和完全相同的操作界面，能夠模仿機床的任何功能。軟件仿真主要是NC碼控制器模塊，它實現NC程序的編輯調試，通過加工仿真檢驗 NC代碼，對加工中可能出現的碰撞、干涉進行報警提示。

以承德技師學院使用的上海宇龍數控仿真軟件為例，雖然軟件中顯示的數控機床是一臺模擬的機床實體，但對于機床的系統面板和操作面板及操作按鍵是依照真實的數控機床，對機床的操作也和真實的機床基本相同，它可以實現對數控車床、數控銑床和數控加工中心對加工零件全過程的仿真。其中包括毛坯定義和安裝、夾具及刀具的定義與選用、零件基準測量和設置、數控程序錄入和編輯、手動、自動等操作模式。該軟件還擁有FANUC數控系統、華中數控系統、廣州數控系統等多種數控系統，具有多系統、多機床、多零件的加工仿真模擬功能。

3 將數控仿真軟件應用到數控教學中

無論是普通學歷教育，還是職業教育，都在積極探索、實施理論與實踐緊密結合的一體化教學，尤其是職業教育，受其自身的性質、特征和培養目標的牽引和規定，展開了一體化教學改革。所謂一體化教學，簡單明了地說就是為了使理論與實踐更好地銜接，將理論教學與實習教學在單元教學時間里融為一體。其內涵主要是打破傳統的學科體系和教學模式，根據職業教育培養目標的要求來重新整合教學資源，體現能力本位的特點，從而逐步實現了三個轉變，即從以教師為中心如何“教給”學生，向以學生為中心如何“教會”學生轉變；從以教材為中心向以教學大綱和培養目標為中心轉變；從以課堂為中心向以實驗室、實習車間為中心轉變。

“工作過程學習化，學習過程工作化。”一體化教學中的行動導向六步法，讓學生主動完成學習活動，教師只是指引者，實現教學到導學的轉變；行動導向教學法提倡提問和反思，以促進學生更深入地分析問題，檢驗先前提出的假設，提出多種解決問題的方案。行動導向課程有以下特點：

（1）按照工作的流程和環節設立學習單元。

（2）按照每一工作環節（學習單元）的工作：任務設立學習情境，組織學生學習。

（3）學生是學習的主體。①學生在“做”中學——行動課程的核心；②學生在探究中學；③學生在合作中學。

結合以上理念，針對虛擬數控仿真軟件的特點運用虛擬數控仿真軟件建構了一種適合職業數控專業課程課堂教學的探究型學習模式，其模式圖如圖1所示。

圖1 數控專業課堂教學的探究型學習模式

該模式是基于行動導向項目學習的一體化教學思想，合作探究型學習模式，運用虛擬仿真軟件開展數控技術專業課程的項目探究教學，有利于實現理論與實踐一體化教學。在沒有虛擬仿真軟件的情況下，一個項目可能有多種解決方案，甚至還有的學生探究不出正確的方案，如果用真實的機床來檢驗，不但費時費料，還有可能造成安全事故。運用虛擬數控仿真軟件來檢驗，不但省時省料，十分安全，還能提示錯誤，解放了教師，學生自己就能知道自己的方案是否正確，不僅有利于探究型課堂的開展，也有利于學生實踐能力的提高。

該模式在自主探究、小組合作探究、小組成果展示階段以學生為中心，教師為引導者，促進學生和學習伙伴溝通，利用情景、合作、溝通會話等要素充分發揮學生的主動性、互動性和首創精神，最終達到學生知識意義構建和創新的目的。在教師解疑、教師點評階段以教師為主導，教師是學生學習過程的指導者、解疑者、課堂主持人、意義建構的幫助者 促進者，教師處于中心地位，學生處于傳遞、接受的學習狀態，學生在教師幫助下進行主動思考與探索，便于師生之間的情感交流，有利于系統的科學知識的傳授。

總之，將數控仿真軟件應用到數控的實訓教學中，充分發揮仿真軟件在教學中經濟、科學、多樣并沒有安全隱患的優勢，進行一體化教學設計，合理評價引導學生，提高學生的學習積極性，讓學生利用數控仿真軟件進行程序的編制、輸入、校驗等練習，同時可讓學生了解不同系統機床的操作方式，又可以提高教學效果。通過使用仿真，不但要讓學生更快、更好地掌握專業技能，而且還要培養學生學會自學、獨立解決實際問題等方面的能力，但要正確解決在運用中產生的問題，以便收到事半功倍的效果。

［1］章登霞，陳剛，沙琳.OPenGL在數控加工仿真系統中的應用［J］.山東理工大學學報（自然科學版），2007，21（1）：105-107.

［2］王啟義，葛研軍，施志輝，等.數控車虛擬加工環境全景仿真技術［J］.先進制造技術，2001，30（1）：39-40.

［3］王彪，張蘭.數控加工技術［M］.北京：北京大學出版社，2006.

［4］徐曉昂.在數控技術專業中開展模塊化教學的的研究［J］.益陽職業技術學院學報，2009，（3）.