數(shù)控機(jī)床控制技術(shù)課程教學(xué)內(nèi)容構(gòu)建與實(shí)踐

宋 強(qiáng)

南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電學(xué)院 江蘇南京 210023

數(shù)控機(jī)床控制技術(shù)是一門專業(yè)性很強(qiáng)的課程，涉及了計(jì)算機(jī)、微電子、自動(dòng)檢測(cè)、電力電子、氣液壓、電機(jī)與拖動(dòng)、自動(dòng)控制以及機(jī)械制造等多學(xué)科領(lǐng)域知識(shí)[1]。傳統(tǒng)的教學(xué)模式以課堂講授為主，安排定性的實(shí)驗(yàn)，加上實(shí)驗(yàn)設(shè)備的缺乏，使得學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性不高，很難取得理想的學(xué)習(xí)效果。

針對(duì)課程學(xué)習(xí)中主要存在的問(wèn)題，整合和構(gòu)建課程教學(xué)內(nèi)容體系，重組優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，增設(shè)以職業(yè)實(shí)踐項(xiàng)目為背景的教學(xué)內(nèi)容[2]，豐富課程教學(xué)活動(dòng)的設(shè)計(jì)過(guò)程，積極采用現(xiàn)代信息化教育手段，運(yùn)用各種計(jì)算機(jī)仿真軟件和數(shù)控機(jī)床實(shí)驗(yàn)臺(tái)，注重學(xué)生的實(shí)踐參與，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情。

1 課程培養(yǎng)目標(biāo)

數(shù)控機(jī)床控制技術(shù)是數(shù)控技術(shù)專業(yè)的一門核心課程。其培養(yǎng)目標(biāo)包括以下幾方面。

(1)知識(shí)目標(biāo)為培養(yǎng)學(xué)生具有對(duì)典型生產(chǎn)機(jī)械的電氣控制線路進(jìn)行基本環(huán)節(jié)初步設(shè)計(jì)、分析與故障排除的專業(yè)能力，具有對(duì)數(shù)控裝置的工作原理及伺服系統(tǒng)的工作過(guò)程進(jìn)行分析的能力，具有對(duì)常用檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)和工作原理分析的能力，具有對(duì)PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行I/O分配與系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)的分析能力。

(2)技能目標(biāo)為能識(shí)讀數(shù)控機(jī)床硬件連接圖和電氣連接控制圖，能正確分析數(shù)控機(jī)床中各組成部分的運(yùn)動(dòng)控制原理，能熟練查閱數(shù)控機(jī)床、伺服放大器、變頻器等說(shuō)明書具有一定的資料收集整理能力。

(3)職業(yè)目標(biāo)為培養(yǎng)學(xué)生具有良好的職業(yè)素養(yǎng)和團(tuán)結(jié)協(xié)作、隨機(jī)應(yīng)變的團(tuán)隊(duì)能力。以實(shí)現(xiàn)“必需”和“夠用”的教學(xué)目標(biāo)[3]。

2 課程內(nèi)容體系

內(nèi)容的組織基本以自編教材《數(shù)控機(jī)床控制技術(shù)》為主，內(nèi)容體系以數(shù)控機(jī)床的基本組成為主線，按照機(jī)床控制線路環(huán)節(jié)、數(shù)控裝置、運(yùn)動(dòng)控制、檢測(cè)裝置及PLC在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用等章節(jié)的順序組織內(nèi)容。增加了數(shù)控應(yīng)用技術(shù)內(nèi)容，注重實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，讓學(xué)生自主動(dòng)手，對(duì)課程教學(xué)內(nèi)容的整合、重難點(diǎn)知識(shí)的組織及教學(xué)方法等方面進(jìn)行了有效的嘗試。圖1為該門課程知識(shí)的結(jié)構(gòu)圖。

圖1　數(shù)控機(jī)床控制技術(shù)課程知識(shí)結(jié)構(gòu)圖

3 各部分內(nèi)容教學(xué)思路

針對(duì)該課程和學(xué)生的特點(diǎn)，根據(jù)不同知識(shí)內(nèi)容制定各種教學(xué)手段，突出“以應(yīng)用為主線、教師為主導(dǎo)、學(xué)生為主體”的教學(xué)模式。即學(xué)生在學(xué)習(xí)的過(guò)程中，通過(guò)自主學(xué)習(xí)，其應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力得以培養(yǎng)。教師則是起到監(jiān)督的作用，針對(duì)學(xué)生存在的問(wèn)題，給予一定程度的引導(dǎo)和解決。課程中安排的實(shí)驗(yàn)主要是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)以加深學(xué)生對(duì)課堂講授知識(shí)的理解程度。

(1)《機(jī)床控制線路環(huán)節(jié)》內(nèi)容主要包括常用的低壓控制電器的結(jié)構(gòu)、工作原理及三相異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、運(yùn)行和制動(dòng)控制線路。對(duì)于典型的電氣控制線路，運(yùn)用斯沃電氣仿真軟件進(jìn)行模擬驗(yàn)證，該部分采用翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)法，教師可以將較為簡(jiǎn)單的點(diǎn)動(dòng)、長(zhǎng)動(dòng)的電氣控制線路的連接方法及各電氣元件的接口符號(hào)做成視頻放在教學(xué)平臺(tái)上，通過(guò)課前任務(wù)單的形式發(fā)放給學(xué)生，讓每個(gè)學(xué)生在上課之前進(jìn)行預(yù)習(xí)觀看，重點(diǎn)識(shí)讀電氣原理圖及接線步驟，然后在課堂上根據(jù)教學(xué)內(nèi)容布置較為復(fù)雜的降壓起動(dòng)、制動(dòng)電氣線路的連接任務(wù)，通過(guò)動(dòng)態(tài)的仿真效果，充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，也有助于掌握復(fù)雜電氣控制線路的工作原理。課堂評(píng)價(jià)除了對(duì)每位學(xué)生登記仿真實(shí)驗(yàn)成績(jī)外，還包括以小組為單位討論和講解整個(gè)電氣控制線路的工作過(guò)程，進(jìn)一步強(qiáng)化知識(shí)點(diǎn)。

(2)《數(shù)控裝置》內(nèi)容主要包括CNC裝置的構(gòu)成與原理、CNC插補(bǔ)、CNC裝置譯碼及通訊。該部分內(nèi)容的重難點(diǎn)是插補(bǔ)和譯碼，對(duì)于CNC裝置的構(gòu)成部分，采用演示教學(xué)法，運(yùn)用創(chuàng)壹虛擬數(shù)控機(jī)床培訓(xùn)系統(tǒng)，重點(diǎn)針對(duì)西門子系統(tǒng)，通過(guò)仿真軟件讓每個(gè)同學(xué)在計(jì)算機(jī)上熟悉和掌握數(shù)控機(jī)床控制面板各按鍵的功能、各接口電路的含義及數(shù)控系統(tǒng)與各控制部分之間的連接關(guān)系。對(duì)于插補(bǔ)和譯碼部分，由于內(nèi)容抽象，采用啟發(fā)教學(xué)法，引導(dǎo)學(xué)生自主運(yùn)用C語(yǔ)言編寫能實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)中常見(jiàn)的直線、圓弧插補(bǔ)功能的插補(bǔ)器及譯碼的標(biāo)準(zhǔn)程序段的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，啟發(fā)學(xué)生輸入對(duì)應(yīng)的線型和數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算結(jié)果直觀地幫助學(xué)生理解數(shù)控裝置中插補(bǔ)和譯碼過(guò)程，取得了非常好的效果。

(3)《PLC指令設(shè)計(jì)及應(yīng)用》內(nèi)容主要包括基本指令、功能指令及典型案例。該部分內(nèi)容采用任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法，任務(wù)選擇與數(shù)控機(jī)床控制運(yùn)動(dòng)相關(guān)的內(nèi)容，如“三相異步電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)控制實(shí)驗(yàn)”“三相異步電動(dòng)機(jī)自動(dòng)往返控制實(shí)驗(yàn)”“三相異步電動(dòng)機(jī)單方向運(yùn)行控制實(shí)驗(yàn)”等，在計(jì)算機(jī)使用S7-200仿真器進(jìn)行仿真教學(xué)，可以真實(shí)地模擬控制要求，使一些在普通條件下無(wú)法觀測(cè)到的過(guò)程直觀地顯示出來(lái)。除了仿真練習(xí)以外，還安排學(xué)生在PLC實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)物練習(xí)，讓學(xué)生按照控制要求自行完成程序設(shè)計(jì)，通過(guò)仿真操作和實(shí)物操作，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，加深學(xué)生印象。

(4)《運(yùn)動(dòng)控制》內(nèi)容主要包括數(shù)控機(jī)床進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。該部分內(nèi)容采用現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)法，其中步進(jìn)電動(dòng)機(jī)部分，給學(xué)生提供步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的接線圖及接口說(shuō)明書，指導(dǎo)學(xué)生連接步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器、直流穩(wěn)壓電源，完成步進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的接線與調(diào)試，再結(jié)合之前學(xué)習(xí)過(guò)的PLC知識(shí)，讓學(xué)生自行設(shè)計(jì)PLC程序完成步進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的自動(dòng)控制，這樣既復(fù)習(xí)了之前學(xué)習(xí)過(guò)的知識(shí)，又鞏固了新的知識(shí)內(nèi)容。交流伺服系統(tǒng)和主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)部分，在光機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，完成伺服驅(qū)動(dòng)器、變頻器及電動(dòng)機(jī)的硬件實(shí)物連接，讓學(xué)生根據(jù)說(shuō)明書完成相關(guān)參數(shù)的設(shè)置，并實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制，加強(qiáng)學(xué)生感性認(rèn)識(shí)。

(5)《位置檢測(cè)裝置》內(nèi)容主要包括脈沖編碼器、光柵、感應(yīng)同步器。該部分采用實(shí)驗(yàn)法，由于內(nèi)容比較抽象，脫離控制部分單獨(dú)去做實(shí)驗(yàn)還是非常困難的，因此選擇以數(shù)控機(jī)床實(shí)驗(yàn)臺(tái)為平臺(tái)，重點(diǎn)開(kāi)設(shè)光柵檢測(cè)原理實(shí)驗(yàn)和脈沖編碼器安裝調(diào)試實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書自主動(dòng)手調(diào)節(jié)參數(shù)，掌握典型檢測(cè)裝置的主要作用及工作原理。

(6)《PLC在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用》內(nèi)容主要包括電動(dòng)刀架控制程序的程序設(shè)計(jì)、進(jìn)給軸控制程序的設(shè)計(jì)方法和主軸控制程序的設(shè)計(jì)。該部分內(nèi)容在講解過(guò)程中運(yùn)用多媒體技術(shù)，使用攝像頭將數(shù)控機(jī)床實(shí)驗(yàn)臺(tái)中PLC程序投射到投影儀幕布上，解決了學(xué)生擠在比較小的數(shù)控裝置屏幕前無(wú)法觀察機(jī)床的輸入、輸出運(yùn)行狀態(tài)的困難，采用理實(shí)一體的教學(xué)方式，一邊講解，一邊為學(xué)生演示，讓學(xué)生體會(huì)和掌握具體的調(diào)試過(guò)程和技巧，取得了良好的效果。

4 教學(xué)資源及教學(xué)手段

數(shù)控機(jī)床控制技術(shù)教學(xué)內(nèi)容包括理論教學(xué)體系和實(shí)踐教學(xué)體系，為保證上述教學(xué)手段及教學(xué)內(nèi)容的實(shí)施，學(xué)院提供了數(shù)控機(jī)床控制理實(shí)一體化實(shí)驗(yàn)室和數(shù)控機(jī)床仿真操作機(jī)房，里面配備了數(shù)控機(jī)床光機(jī)、數(shù)控機(jī)床綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)及50臺(tái)計(jì)算機(jī)，可方便學(xué)生進(jìn)行數(shù)控機(jī)床典型電氣部件實(shí)物接線練習(xí)、參數(shù)調(diào)試及仿真演練。當(dāng)然也存在實(shí)驗(yàn)設(shè)備的數(shù)量不足的情況，主要采用分組教學(xué)，達(dá)到每個(gè)學(xué)生都有鍛煉的目的。

課程教材主要選用普通高等教育規(guī)劃教材，補(bǔ)充內(nèi)容以電子檔的形式發(fā)放給學(xué)生，編寫了與實(shí)驗(yàn)設(shè)備相配套的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書和技術(shù)文檔，目前課程團(tuán)隊(duì)正在整理和編寫項(xiàng)目式校本教材。根據(jù)課程特點(diǎn)建立了以PPT、圖片、動(dòng)畫、錄像資料為主的素材庫(kù)，對(duì)于抽象不易理解的內(nèi)容，盡量采用動(dòng)畫演示的方法講解，例如三相異步電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)原理、插補(bǔ)原理、脈沖編碼器的工作原理、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作原理、變頻器的調(diào)試過(guò)程等。除了這些素材之外，還包括電子教材、電子教案、習(xí)題庫(kù)、樣卷等都放在學(xué)院的在線教育學(xué)習(xí)平臺(tái)上，學(xué)生可以下載APP在手機(jī)上隨時(shí)隨地進(jìn)行在線學(xué)習(xí)。

借助現(xiàn)代職業(yè)教育信息技術(shù)的發(fā)展，合理利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)和實(shí)驗(yàn)室實(shí)操演練的現(xiàn)代教學(xué)模式，改變了以課堂為中心的、單一的傳統(tǒng)教學(xué)模式，注重學(xué)生在做中學(xué)、學(xué)中做，“教學(xué)做合一”，更多地采用啟發(fā)教學(xué)法、演示教學(xué)法、任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法、實(shí)驗(yàn)法、現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)法、分組討論法等多種方式方法，讓學(xué)生能夠更積極主動(dòng)地投入教學(xué)內(nèi)容的學(xué)習(xí)中，靈活多樣地適應(yīng)高等教育的培養(yǎng)目標(biāo)。

5 考核標(biāo)準(zhǔn)

除了對(duì)課程的基本理論和基礎(chǔ)知識(shí)采用閉卷考核之外，注重學(xué)生過(guò)程考核，避免學(xué)生“一考定成績(jī)”的弊端，最終課程成績(jī)分為考勤及課后作業(yè)20%、課堂表現(xiàn)20%、實(shí)驗(yàn)成績(jī)20%、期末成績(jī)40%，整個(gè)過(guò)程性評(píng)價(jià)比例占到60%。學(xué)生的課堂及課后的積極表現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中是否采用了合理、有效的分析及操作方式，自主創(chuàng)造能力以及學(xué)習(xí)任務(wù)的完成情況[4]，都作為學(xué)生最終成績(jī)的組成部分。后期對(duì)于期末卷面題目，我們計(jì)劃讓學(xué)生自主命題，將課程標(biāo)準(zhǔn)發(fā)放給學(xué)生，按照重點(diǎn)和主次以小組為單位出具一份試卷，并擬定30%的考題來(lái)源于學(xué)生們的自主命題，希望能反映出學(xué)生對(duì)該課程的認(rèn)知和理解程度，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

評(píng)價(jià)內(nèi)容的多維化，從學(xué)生學(xué)業(yè)的知識(shí)與技能、過(guò)程與方法、情感態(tài)度與價(jià)值觀三個(gè)維度進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，建立評(píng)價(jià)主體的多元化，教師、學(xué)生評(píng)價(jià)相結(jié)合。我們按照職業(yè)道德素質(zhì)、核心能力、專業(yè)知識(shí)技能目標(biāo)制定了課程考核考評(píng)表，按照章節(jié)分階段進(jìn)行考核，極大地調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，樹(shù)立了在整個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程中以學(xué)生為主體的思想。

6 結(jié)語(yǔ)

數(shù)控機(jī)床數(shù)控技術(shù)課程的教學(xué)研究需要不斷摸索，我們希望在有限的教學(xué)時(shí)間內(nèi)讓學(xué)生掌握更多的知識(shí)和技能，結(jié)合該課程的教學(xué)思路，構(gòu)建更完善的課程體系，開(kāi)發(fā)創(chuàng)新性和綜合性的實(shí)驗(yàn)[5]，采用更豐富的教學(xué)手段和方法，建立網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)資源，優(yōu)化課程考核評(píng)價(jià)措施，從各個(gè)方面調(diào)動(dòng)學(xué)生獨(dú)立思考的積極性，提高教學(xué)質(zhì)量。