基于CDIO 的高職數控加工編程與操作課程教學改革與實踐*

羅杜宇，胡光明

（廣東工程職業技術學院，廣東 廣州 510520）

1 CDIO 工程教育模式

CDIO 工程教育模式是近年來國際工程教育改革的重要成果，CDIO 代表構思（Conceive）、設計（Design）、實現（Implement）和運作（Operate），它以產品研發到產品的運行、維護和廢棄的全生命周期為載體，建立一體化的相互支撐和有機聯系的課程體系，讓學生以主動的、實踐的、課程之間有機聯系的方式學習工科課程[1]。CDIO培養大綱將工程畢業生的能力分為工程基礎知識、個人技能、人際團隊精神和工程系統能力四個層面，其強調的是知識與能力并重，教學模式的改革應能體現如何將能力培養落實到課堂[2]。在CDIO 理念指導下，很多高校針對具體課程進行了主動學習和實踐的教學模式的改革和探索。蘇宏林、浦毅[3]以機械制圖與CAD 課程為例，參照CDIO 的標準，把校企深度融合作為基礎，構建了基于CEC-CDIO 的知識與能力要素和課程內容體系并進行了教學實踐，實踐證明應用CDIO 理念開展有效教學，可以達到良好的教學效果。劉超、吳娜[4]提出了基于CDIO 工程教育理念的汽車構造課程教學模式改革的研究與實踐，從構建新課程體系、考核形式、實驗內容等方面進行了教學改革，取得了良好的教學效果。

2 高職數控加工編程與操作課程CDIO 教學模式

數控加工編程與操作課程是高職數控技術專業的一門核心課程。該課程要求學生掌握數控加工的工藝知識、編程知識及數控機床的操作方法，能完成典型零件的數控編程，熟練操作數控機床進行零件加工，同時能正確使用常用的量具完成零件的檢測。目前，該課程一般為72 ～90 學時的理實一體化的教學，再銜接2 周數控綜合實訓周。CDIO 教學模式能實現現代教學手段與工程實踐的有機結合，即選擇典型機械零件作為貫穿教學的項目，按照構思—設計—實現—運作四個步驟組織每一個環節的教學活動。根據學生的學情、認知水平以及課程的特點，將教學過程分為基礎教學和綜合運用兩個層次，按照機械零件的數控編程與加工步驟，遵循工廠機械加工工藝流程，通過網絡教學平臺，采用課堂內外兩種學習形式，形成以理論知識為基礎、實踐應用為重點、課程之間有機聯系為特色、工程能力與素養為目標的CDIO 教學模式。

3 CDIO 教學模式應用案例

3.1 教學項目設計

在數控加工編程與操作課程分層次引入兩類項目。

第一類是典型機械零件數控編程與加工項目，其貫穿基礎教學。此類項目是以數控中（高）級工考證樣題為藍本，根據教學目標精心設計而成[5]。項目通過訓練任務承載教學內容，整合課程知識，串聯機械制圖、公差配合與測量技術、機械制造基礎等前導課程，同時為后續綜合項目作鋪墊。例如選用“圓弧臺階螺紋軸編程與加工”項目如圖1 所示，承載數控車床編程與加工的知識點，教師將一個典型的機械零件分解為一系列覆蓋課程知識點、由淺入深地訓練任務，如圖2 所示。

圖 1“圓弧臺階螺紋軸編程與加工”項目

圖2 訓練任務1 ～4

每個訓練任務都具有各自的圖樣分析、數學計算、工藝制訂、程序編程和虛擬加工等活動，隨著訓練任務的遞進，增量式地完成整個零件的編程與虛擬加工，隨之也就完成了數控車床部分的教學目標。項目的教學案例對應的編程知識點關系如表1 所示。在項目的學習和實踐過程中，實現了多次知識內化，使學生主動的完成知識的構建和工程素養的形成。

第二類是車銑復合零件的數控編程與加工項目。此項目涵蓋課程主要的知識點，培養學生綜合運用知識和協同工作的能力?；A教學階段結束后，學生能獨立完成了一個典型中等復雜零件的編程與虛擬加工。但是因為基礎階段的項目設計是數控車（銑）床分開進行，案例相對單一，當學生面對車銑復合零件時，需要綜合運用基礎階段所掌握的知識，較為宏觀的完成項目，例如車銑工藝的排序、車銑數控程序的銜接等。因此，在綜合運用階段，要求學生通過團隊合作，角色分擔的形式完成，提升學生的CDIO 能力。

3.2 教學過程設計

（1）基礎教學階段。首次授課采用案例教學模式，教師以簡單的臺階軸為例，以提問方式引導學生分析待加工零件的尺寸精度，形位要求，設備、刀具、夾具及量具的選擇，工藝安排，引導學生回顧知識并將數控加工編程與操作課程與其前導課程建立聯系；采用講解法介紹數控編程的特點、數學計算、編程格式等知識點，同時向學生展示臺階軸數控編程與虛擬加工。教師在案例教學的過程中，學生跟隨教師的步驟完成“圓弧臺階螺紋軸”臺階軸部分的編程與虛擬加工訓練任務1。讓學生初步了解數控編程和虛擬加工的知識后即可開展CDIO 教學模式，通過基礎教學和綜合運用兩個層次，以課前準備、課堂學習、課后鞏固三個相互關聯的方式遞進地完成從接受知識到內化知識的過程，如表2 所示。

課前準備是CDIO 教學模式的自學環節，學生通過網絡課平臺進行學習。教師提前一周將下一次課知識點的相關資料發布到平臺上，學生通過針對性強的、任務單一的案例掌握“構思—設計—實現—運作”所對應的程序編制與加工的步驟，通過圖樣分析、數學計算、工藝制定、程序編制、虛擬加工來逐步接受知識和形成工程能力。學生需要完成案例的編程與加工并提交自學作業。學生在自學中遇到的問題可以通過相互討論、查找資料和教師答疑等方式實時解決，也可以將問題帶入課堂解決。

課堂學習是工程基礎知識、個人能力、人際團隊能力和工程系統能力形成的關鍵，也是知識內化的過程。教師根據學生課前提問、提交作業等情況，進行有針對性地講解，按照“構思—設計—實現—運作”演示課前案例，介紹評價標準，學生根據教師的講解解決課前學習中遇到的問題，獨立完成案例。然后教師布置訓練任務，學生以小組為單位進行工程實踐。小組成員按設計員、工藝員、數控編程員、機床操作員等角色各行其職，遇到問題采用組內討論或向教師提問的方式解決。最后，各組選出代表展示零件的虛擬加工結果，教師點評總結。課堂教學環節模擬工廠的工作環境，理實一體的實訓室成為工程實踐的場所，學生在執行工作任務的過程完成了知識的消化吸收，在團隊協同工作的方式中形成工程系統能力。

表1 “圓弧臺階螺紋軸編程與加工”項目與教學案例對應知識點

表2 高職《數控加工編程與操作》課程CDIO 教學模式

課后鞏固是CDIO 教學模式的復習、提升關鍵。學生總結知識點，根據教師課堂評價，修改、完善、優化數控程序，上傳工藝文件、程序清單和虛擬加工結果等資料，溫故知新。

（2）綜合運用層次。課程綜合運用階段，采用項目驅動、分組合作的方式由學生自主完成車銑復合零件的設計和加工過程。此階段教師提供協助性幫助，對各小組工作過程中的問題進行個別指導。組內成員參照車銑復合零件典型案例進行實踐，集體討論零件的設計，提交設計圖教師審核通過后執行編程和加工任務，組長分配角色，組員按分配的角色承擔工作任務。各組完成后要求提交工藝文件、演示虛擬加工和答辯，小組間提問互評，最后由教師進行評價總結。綜合運用階段，車銑復合件編程和加工項目難度較大，工藝流程約束較多、數控程序銜接復雜，學生必須熟練運用先導課程和基礎教學階段所學知識，通過個人探究和團隊合作，完成項目的構思、設計、實現和運作全過程，實現知識內化的同時還完成了知識的遷移。

4 結束語

廣東工程職業技術學院機電工程學院于2104 年開始，對數控技術專業開設的數控加工編程與操作課程進行CDIO 教學模式的改革，參與人數達260 余人。將CDIO 理念引入課程教學中，使課程更貼近數控技術崗位的能力需求，同時提升了學生的學習積極性、增強了學生的技術知識和工程系統能力、培養了學生的團隊意識，實現了從基礎知識學習到CDIO 能力培養的過渡，為學生能順利適應和勝任數控技術崗位群的工作打下堅實的基礎。