基于技能人才培養(yǎng)的一體化課堂教學(xué)探討

鄒菁

摘要：在“中國制造2025”背景下，國家要求加快現(xiàn)代制造業(yè)人才培養(yǎng)，技師學(xué)院正積極進(jìn)行一系列教學(xué)改革，旨在提高人才培養(yǎng)質(zhì)量。針對高端制造業(yè)人才培養(yǎng)必修的“五軸數(shù)控技術(shù)的編程與加工”課程開展一體化課堂教學(xué)，能夠很好地將知識、技能、職業(yè)素質(zhì)緊密結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生在實踐中發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力，提高學(xué)生主動學(xué)習(xí)的自覺性，開拓學(xué)生的思維，收到較好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：一體化教學(xué);六步教學(xué)法;學(xué)習(xí)效果;UG NX系統(tǒng)

中圖分類號：G718 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ?文章編號：1672-5727（2017）12-0061-05

“中國制造2025”的核心目標(biāo)是完成我國從制造業(yè)大國向制造業(yè)強(qiáng)國的轉(zhuǎn)變。《人力資源和社會保障部關(guān)于推進(jìn)技工院校改革創(chuàng)新若干意見》對我國職業(yè)教育的教學(xué)和課程改革提出了一系列方案，如工學(xué)一體、理實一體、校企結(jié)合等。作為培養(yǎng)高技能人才搖籃的技師學(xué)院，積極開展五軸數(shù)控加工技術(shù)的一體化教學(xué)具有重要現(xiàn)實意義，有利于發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性及創(chuàng)造性，有利于推進(jìn)高端制造技術(shù)進(jìn)校園，加快培養(yǎng)適合社會需求的高端制造業(yè)人才的步伐。

一、一體化教學(xué)概述

一體化教學(xué)是指以職業(yè)能力為培養(yǎng)目標(biāo)，把職業(yè)能力所包括的理論知識、操作技能在各個教學(xué)環(huán)節(jié)中相互融合，通過工作單元、工作頁等將理論知識與實操能力有機(jī)結(jié)合進(jìn)行教學(xué)，使受教育者在做中學(xué)，在學(xué)中做，提高受教育者的知識、技能水平及綜合素質(zhì)的教學(xué)。其特點，一是教學(xué)內(nèi)容項目化，理論與實操有機(jī)融合，教中學(xué)，學(xué)中做;二是教學(xué)模式多樣化，以學(xué)生為主體，以教師為主導(dǎo)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性、創(chuàng)新性;三是教學(xué)環(huán)境仿真化，教學(xué)場所仿照企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，使教學(xué)場所的環(huán)境具有明顯的企業(yè)特征。

二、一體化教學(xué)的前期準(zhǔn)備

一體化教學(xué)的主要特點是打破理論課與實操課的界限，將課程的理論知識教學(xué)、操作技能教學(xué)、生產(chǎn)實踐、技術(shù)服務(wù)融于一體，為此必須完善相應(yīng)的管理制度、場地建設(shè)、師資隊伍、教學(xué)設(shè)計、績效評估、激勵機(jī)制等，筆者將重點探討從以下幾個方面開展一體化課堂教學(xué)實施的方法。

首先是教學(xué)環(huán)境的準(zhǔn)備。“UG NX數(shù)控編程教程”是一門編程課程，要按UG NX系統(tǒng)要求設(shè)置教學(xué)場地及配置設(shè)備，配置計算機(jī)30臺，實現(xiàn)單人單機(jī)操作，五軸數(shù)控加工中心一臺、相關(guān)的刀量具若干，工件毛坯棒料5根，用于加工工件，以驗證編程策略的可行性及科學(xué)性，教學(xué)場地在實習(xí)工廠進(jìn)行[1]。

其次是教學(xué)工作頁的準(zhǔn)備。由企業(yè)數(shù)控專家、任課教師共同確定教學(xué)內(nèi)容，編制教學(xué)進(jìn)度，將工廠的實際要求融入課堂，培養(yǎng)實用型人才。

再次是授課方法的選定。通常用六步教學(xué)法：信息、計劃、決策、實施、檢查、評價[2]。以加工工件為任務(wù)載體，教師為主導(dǎo)，學(xué)生為主體，在“教、學(xué)、做”一體化教學(xué)[3]模式下，學(xué)生能順利完成任務(wù)。

最后是教學(xué)手段的運用。用多媒體輔助工具進(jìn)行教學(xué)，增強(qiáng)視聽感，可實時了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，針對性地指導(dǎo)學(xué)生的學(xué)習(xí)活動，是目前職業(yè)教育比較推崇的教學(xué)手段。

三、一體化課堂教學(xué)的實施

采取以工作過程為導(dǎo)向的任務(wù)驅(qū)動法開展一體化課堂教學(xué)，將學(xué)習(xí)領(lǐng)域中的能力目標(biāo)和學(xué)習(xí)內(nèi)容進(jìn)行基于教學(xué)論和方法論的轉(zhuǎn)換后加以實施。具體的工作任務(wù)是：用UG NX系統(tǒng)對所要加工的工件進(jìn)行編程，并在五軸加工中心輸入程序完成工件加工。

（一）計劃——教學(xué)任務(wù)的分析

以教師為主導(dǎo)，以學(xué)生為主體，引導(dǎo)學(xué)生對工作任務(wù)進(jìn)行分析。一是培養(yǎng)學(xué)生分析問題的能力，二是檢查學(xué)生對已學(xué)習(xí)知識的掌握程度，三是引導(dǎo)學(xué)生主動學(xué)習(xí)的自覺性。具體操作：將學(xué)生分為5人一組，每組學(xué)生共同對工程圖進(jìn)行分析，該工件包括孔、球、槽、型腔、斜面、平面等，按學(xué)生已有的工件加工經(jīng)驗，要進(jìn)行多次裝夾、多次換刀才能完成，是耗時較長的復(fù)雜零件，但用五軸加工中心可一次裝夾，通過UG系統(tǒng)編程一次完成加工，讓學(xué)生對UG系統(tǒng)有感性認(rèn)識。

（二）信息——UG NX數(shù)控編程系統(tǒng)及五軸數(shù)控加工中心的介紹

以教師為主體向?qū)W生介紹 UG NX數(shù)控編程系統(tǒng)及五軸數(shù)控加工中心的性能。

1.UG NX數(shù)控編程系統(tǒng)

UG NX（英文Unigraphics ?NX，簡稱UG），是由西門子UGS PL軟件開發(fā)，集CAD/CAE于一體的產(chǎn)品生命周期管理軟件，具有強(qiáng)大的數(shù)控編程能力，其刀路驅(qū)動方法和刀軸控制方法靈活、方便，應(yīng)用廣泛，在國內(nèi)數(shù)控編程軟件中占據(jù)主要地位。UG NX系統(tǒng)編程規(guī)劃如圖1所示。

2.信息——五軸數(shù)控加工中心簡介

五軸數(shù)控加工是數(shù)控技術(shù)中難度最大、應(yīng)用范圍最廣的技術(shù)之一，相比三軸機(jī)床，由于刀具干涉、刀軸控制的復(fù)雜性和靈活性等原因，五軸數(shù)控加工在機(jī)床結(jié)構(gòu)、數(shù)控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)和數(shù)控編程等方面都有更高的要求，編程和操作也更復(fù)雜。五軸數(shù)控機(jī)床通過增加繞直線坐標(biāo)軸 X、Y、Z 軸旋轉(zhuǎn)的 A、B（或者 C）軸的組合，一次裝夾就可完成復(fù)雜加工，使固定在工作臺上的工件除了底面之外，其余的五個面都可以進(jìn)行加工，具有刀具擺動型、刀具與工作臺回轉(zhuǎn)/擺動型、工作臺回轉(zhuǎn)/擺動型等多種結(jié)構(gòu)形式，是能夠完成葉輪、葉片、電機(jī)轉(zhuǎn)子、汽車轉(zhuǎn)子等復(fù)雜加工的唯一手段。五軸加工中心在技術(shù)含量上擁有十分明顯的特點，已經(jīng)為諸多領(lǐng)域，如航空航天事業(yè)、軍事產(chǎn)業(yè)及科研領(lǐng)域，帶來了較大的生產(chǎn)效益。我校主要使用MAZAK VARZAXIS J-500五軸數(shù)控加工中心加工工件。

（三）決策——指導(dǎo)學(xué)生規(guī)劃工件加工工藝流程

根據(jù)學(xué)生對工程圖的分析，指導(dǎo)每組學(xué)生規(guī)劃工件的加工工藝流程。這個過程是學(xué)生對前期所學(xué)知識的綜合運用，每組學(xué)生的思考方向不盡相同，編制的工藝流程圖各有區(qū)別。但學(xué)習(xí)積極性高漲，自主學(xué)習(xí)的意愿強(qiáng)烈。教師可針對各組情況因勢利導(dǎo)，調(diào)整學(xué)生的思考方向，逐步形成共同的工藝流程：平底刀粗加工輪廓→前方斜槽殘料粗加工→左側(cè)斜槽殘料粗加工→零件頂平面精加工→右側(cè)斜面精加工→左側(cè)斜面精加工→前側(cè)斜面精加工→后側(cè)斜面精加工→前側(cè)垂直側(cè)邊精加工→后側(cè)垂直側(cè)邊精加工→左側(cè)凹槽底面及側(cè)面精加工→后側(cè)凹槽底面及側(cè)面精加工→前側(cè)曲面圓角加工→后側(cè)曲面圓角精加工→頂部凹型曲面精加工→字體雕刻→中心定位鉆→鉆孔。

（四）決策——刀具的選擇

學(xué)生根據(jù)零件的加工工藝流程分別依次選取平面粗加工的銑刀D12，精加工銑刀D6，粗加工球頭銑刀R3，球頭銑刀R6，球頭銑刀R2，球頭銑刀R1，鉆刀DR3，鉆刀DR6，把選好的刀具依次裝入MAZAK VARZAXIS J-500五軸數(shù)控加工中心刀具庫備用。

（五）實施——UG NX數(shù)控編程系統(tǒng)的教學(xué)

運用多媒體輔助工具進(jìn)行教學(xué)，采用講練結(jié)合，學(xué)生可根據(jù)自己已經(jīng)掌握的知識和經(jīng)驗，確定各種切削參數(shù)的設(shè)定、各種刀路的設(shè)計策略。通過UG軟件自帶的刀路仿真驗證自己的編程策略，教師對每個學(xué)生產(chǎn)生的問題進(jìn)行個性化指導(dǎo)，使學(xué)生能及時知道自己的不足，及時修正。學(xué)生由被動學(xué)習(xí)變?yōu)橹鲃訉W(xué)習(xí)，容易產(chǎn)生成就感，進(jìn)而提高學(xué)習(xí)自覺性。教師應(yīng)適時加以鼓勵，肯定學(xué)生取得的進(jìn)步，增強(qiáng)學(xué)生的自信心，在不斷的交流中，教師能及時發(fā)現(xiàn)教學(xué)中的不足，及時調(diào)整教學(xué)進(jìn)度及教學(xué)手段。在教學(xué)過程中，通常以學(xué)習(xí)小組為單位，讓學(xué)生共同完成工作任務(wù)，培養(yǎng)學(xué)生的協(xié)作能力、交流能力，增強(qiáng)學(xué)生的自信心，使學(xué)生在收獲知識、技能的同時，使態(tài)度、情感、價值觀得到發(fā)展，達(dá)到預(yù)期的教學(xué)效果。下面以幾個模塊的教學(xué)為例展示編程策略。

1.進(jìn)入加工模塊

單擊工具欄左上角“開始”→“加工”，系統(tǒng)彈出“加工環(huán)境初始化”對話框（只有首次進(jìn)入加工模塊會出現(xiàn)該對話框），選擇“mill_contour”作為編程初始化設(shè)置。

2.定義坐標(biāo)系及幾何體

（1）定坐標(biāo)系。將工序?qū)Ш狡鞫ㄎ坏健皫缀我晥D”，雙擊“坐標(biāo)系MCS”，在彈出的坐標(biāo)系定義對話框中，將加工原點定義到毛坯最高面的中心點;將“安全設(shè)置選項”定義為“平面”，以XY平面為參考，偏置30mm作為全局加工安全高度。

（2）定義工件毛坯。將工序?qū)Ш狡鞫ㄎ坏健皫缀我晥D”，雙擊“WORKPIECE”，在彈出的工件定義對話框中分別設(shè)定加工部件及加工毛坯，如圖2所示。

3.創(chuàng)建程序組

將工序?qū)Ш狡鞫ㄎ坏健俺绦蛞晥D”，本案例創(chuàng)建8個程序組（名字可以自定義），便于程序管理，參考如圖3所示。

4.創(chuàng)建刀具

將工序?qū)Ш狡鞫ㄎ坏健皺C(jī)床視圖”，創(chuàng)建本案例需要用到的刀具。

5.刀路編程

選取有代表性的零件輪廓粗加工刀路編程，說明UG NX軟件的應(yīng)用及數(shù)控加工工藝規(guī)劃、參數(shù)設(shè)定。

6.φ12平底刀輪廓粗加工

（1）創(chuàng)建工序。單擊工具欄“創(chuàng)建工序圖標(biāo)”或右擊程序組“ROUGH_1”→“插入”→“工序”，系統(tǒng)彈出“創(chuàng)建工序”對話框，工序類型選擇“mill_contour”，工序子類型選擇“型腔銑”，具體參數(shù)設(shè)置如圖7所示。

（2）刀軌設(shè)置。一是設(shè)置全局參數(shù)，切削模式為“跟隨周邊”，步距為刀具直徑70%。二是切削層。定義每層下刀量為1mm（或者自定義其他數(shù)值）。如圖4所示。三是設(shè)置切削參數(shù)。設(shè)置部件余量為0.3mm，底面余量為0.1，切削順序為“深度優(yōu)先”，如下頁圖5所示。四是設(shè)置非切削參數(shù)。定義進(jìn)刀類型為“螺旋”，參數(shù)設(shè)置如下頁圖6所示。五是設(shè)置進(jìn)給率和轉(zhuǎn)速，根據(jù)自身機(jī)床性能及加工要求設(shè)置，參考如下頁圖7所示。

（3）單擊主對話框的“生成”按鈕，完成刀路計算，如下頁圖8所示。

以上每一模塊都采用“教、學(xué)、做”一體化教學(xué)模式，以工作任務(wù)為載體，以學(xué)生為主體，教師作適時的輔導(dǎo)，講原理——實踐編程——講解問題——再實踐編程，使學(xué)生全身心投入學(xué)習(xí)，遇到問題及時提問，教師針對共性問題及時講解，個性問題個別輔導(dǎo)，使教與學(xué)相長，提高學(xué)習(xí)效率。

（六）實施——五軸數(shù)控加工中心加工工件

各小組將以上調(diào)試好的CN程序輸入五軸加工中心，為加工工件做好準(zhǔn)備。五軸數(shù)控加工中心加工工件的操作流程為：刀具庫安裝（按以上刀路順序）→工作臺夾具安裝→工件毛坯裝夾→對刀確定工件中心→運行程序加工工件。在加工過程中涉及刀庫安裝、工件毛坯選擇、毛坯裝夾、對刀等不在這里詳述。

運行加工：啟動運行程序加工工件。

四、檢查——工件的分析

五軸加工中心比傳統(tǒng)的三軸加工設(shè)備多了兩個旋轉(zhuǎn)的自由度，給刀路規(guī)劃造成一定的困難，在刀路編程策略及加工的進(jìn)給速度不合理的情況下，容易產(chǎn)生過切干涉、碰撞干涉現(xiàn)象。本次加工工件過程中各小組的情況不盡相同，就出現(xiàn)了碰撞干涉、過切干涉、欠切干涉及表面精度不高等缺陷。

分析問題產(chǎn)生的原因，探討解決方案，可以進(jìn)一步檢驗學(xué)習(xí)效果，提高學(xué)生UG NX數(shù)控編程能力，提高學(xué)生對五軸數(shù)控加工中心的應(yīng)用水平及創(chuàng)新能力。

（一）產(chǎn)生碰撞干涉的原因及解決方案

產(chǎn)生碰撞干涉的原因有多種因素，主要是選擇刀具的直徑與加工曲面的曲率匹配度不合理[4]。刀路切入方向及退刀方向存在慣性，當(dāng)加工工件時，進(jìn)給速度過快，退刀高度不夠，切削余量太小等的共同作用容易產(chǎn)生碰撞干涉。經(jīng)過實踐，重新調(diào)整了刀路編程，調(diào)整了相關(guān)參數(shù)，在銑切內(nèi)表面輪廓時，銑刀從切向切入，安排從圓弧過渡到圓弧的加工線路，多安排一段圓弧再退刀，就可減少法線方向上進(jìn)刀、退刀在高速運行時所產(chǎn)生的剛性沖擊;同時，降低進(jìn)給速度，調(diào)整刀具的直徑，略增加切削余量等，即可消除碰撞干涉。

（二）產(chǎn)生過切干涉的原因及解決方案

過切現(xiàn)象出現(xiàn)在不同軸向兩相交面處，產(chǎn)生原因多樣，一是刀路編程轉(zhuǎn)速過高，不同軸速度之間存在滯后特性，致使刀具在軸向運動時存在慣性。當(dāng)程序指令發(fā)生改變時，Y軸對指令位置有滯后量，當(dāng)X軸方向開始加速時，Y 軸尚未到拐點，這就是所謂“拉刀”現(xiàn)象，會出現(xiàn)工件過切。二是建立或撤消刀具補償?shù)穆窂讲划?dāng)。三是切削余量太小。采取降低轉(zhuǎn)速，編程時在拐角處略作停頓，減少慣性;在刀具切入、切出方向上選取有切線的延長線;略增加切削余量，即可消除過切現(xiàn)象。

（三）產(chǎn)生欠切干涉及表面精度差的原因及解決方案

欠切干涉的主要原因是工件對刀點與工件坐標(biāo)點有偏差，未達(dá)到兩者重合，銑削外輪廓時會導(dǎo)致一邊輪廓切削量多，另一邊切削少，從而造成工件欠切干涉。同時，由于工件毛坯端面不是平面，這種對刀偏差也會造成端面的切削量不一樣，從而降低端面精度;精度不高與刀具的精度及切削余量也有密切關(guān)系。采取重新對刀可消除坐標(biāo)偏差，提高刀具精度，順銑走刀（銑刀的走刀方向與在切削點的切削分力方向相反稱為順銑）可減少設(shè)備的“顫振”，提高工件的表面精度和加工精度。

五、評估——對課堂教學(xué)效果的評價

通過一體化課堂的學(xué)習(xí)，使學(xué)生了解了UG NX系統(tǒng)軟件具有人性化的操作模塊、強(qiáng)大的3D建模、快速的數(shù)控編程能力，學(xué)習(xí)了其刀路驅(qū)動方法和刀軸控制方法的技巧，通過對孔、球面、型腔、斜面等粗加工，精加工刀具選擇、加工工序、切削速度、加工余量等參數(shù)的設(shè)定等，對工件的加工工藝進(jìn)行了很好的總結(jié);通過自己制定編程策略并用五軸加工中心加工工件，學(xué)習(xí)了多軸加工中心一次裝夾，快速完成多面、型腔、孔、球、槽等加工的精確高效的加工能力;通過對工件缺點的分析，從加工結(jié)果檢驗編程策略，分析問題產(chǎn)生的原因，重新調(diào)整編程策略的相關(guān)參數(shù)，再加工工件，切實解決問題，有效地檢查教學(xué)效果與質(zhì)量，達(dá)到了理想的教學(xué)效果，并為下一階段“VERICUT仿真”課程學(xué)習(xí)做了鋪墊;用專業(yè)仿真軟件避免成品工件可能出現(xiàn)的碰撞干涉、過切干涉、欠切干涉，激發(fā)了學(xué)生的求知欲望，增加了學(xué)習(xí)興趣。

六、總結(jié)

在一體化課堂教學(xué)過程中，做到理論教學(xué)與實操教學(xué)一體化，“教、學(xué)、做”一體化，學(xué)習(xí)知識、分析、解決問題一體化，充分發(fā)揮教師的主導(dǎo)作用，能及時了解學(xué)生掌握知識程度，有效調(diào)整教學(xué)進(jìn)度，及時補充學(xué)生知識的缺漏。教師在課堂上更加重視學(xué)生的努力態(tài)度和進(jìn)步幅度，可讓每個學(xué)生在成就感中提高學(xué)習(xí)的自覺性，取得較好的教學(xué)效果。在任務(wù)驅(qū)動的一體化課堂教學(xué)中，通過學(xué)習(xí)——實踐——再學(xué)習(xí)——再實踐的過程，可以強(qiáng)化學(xué)生對知識的掌握，更能使學(xué)生體驗到愉快學(xué)習(xí);同時，在合作小組中學(xué)習(xí)，同學(xué)之間互相幫助，優(yōu)劣互補，可激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的興趣，更好地培養(yǎng)學(xué)生在學(xué)習(xí)中發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力，開拓學(xué)生的思維，使其在實踐中不斷總結(jié)經(jīng)驗，優(yōu)化工藝，提高創(chuàng)新能力。這些都是一體化課堂教學(xué)的優(yōu)勢，對培養(yǎng)高層次技能人才可起到積極推動作用，具有較大的推廣價值。

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On the Integrated Classroom Teaching Based on Skill Training

——A Case Study of "UG NX Numerical Control Programming Tutorial"

ZHOU Jing

（Guangzhou Light Industry Technician College，Guangzhou Guangdong 510220，China）

Abstract： Under the background of "Made in China 2025"， the government requires technician colleges to speed up the training of modern manufacturing personnel， and actively carry out a series of teaching reforms， in order to improve the quality of high-end personnel training. The integrated teaching classroom of "Five-Axis Numerical Control Programming and the Processing" courses which are for the cultivation of high-end manufacturing talents can unify knowledge， skills， and professionalism better， develop students' ability of discovering， analyzing and solving problems， improve students' initiative to learn， open up students' mind and develop their independent thinking skills and achieve better teaching results.

Key words： integrated teaching; six-step teaching method; learning effect; UG NX system