任務驅動下的信息化教學案例設計
——以軸類零件車削實訓為例

胡曉軍，徐云杰，管 珣，蔡嘉賓

(湖州師范學院 工學院，浙江 湖州 313000)

0 引 言

自引入數控技術以來，中國的制造業得到了快速發展，產品的質量和復雜度不斷提升.為加快推進中國制造2025的實施，各大高校都在向應用型本科轉型，特別是工科專業尤為重視理論與實踐相結合的培養模式.數控車實訓是高等院校機械類專業一門重要的實踐性必修課程，是培養應用型人才的必要手段[1].隨著信息技術在教學領域的發展，學習者有了更多的學習途徑和機會，可以隨時隨地進行學習與交流[2-4].本文借助信息化手段，以任務引領形式建立實訓前、中、后期的閉環監測教學模式，使知識點更加立體、形象，以激發學生的學習積極性，為學生帶來更多的學習成就感.

1 傳統數控車實訓存在的問題

1.1 教學場地和教學設備受限

高校工程訓練中心設備的種類、數量較多，很難在單獨區域安裝投影設備，且在教師演示操作時，因設備操作屏幕較小，學生聽不清教師的講解內容和看不清教師的演示流程；數控車床屬大型貴重專用設備，高校工程訓練中心的配備數量較少，實訓過程不能保證3～4名學生同時操作機床，且課時量有限，每位學生的訓練要求得不到滿足.

1.2 教學模式受限

傳統的數控車實訓教學一般是教師講解實訓原理和操作方法，學生再按照實訓要求和教師給定的實訓程序進行驗證性加工，在此過程中學生較少有深入的思考；實訓課程缺乏學生的個性展示平臺，學生平時接觸數控機床和數控編程較少，很難在較短時間內掌握教師所講的內容，若直接上機操作，則無法熟練地完成實訓任務.

2 基于任務驅動的信息化數控車實訓教學模式

興趣是獲取知識的最好動力.傳統的數控車教學模式很難在教學的初始階段激發學生的學習興趣.任務驅動教學模式是以實際熱點工程案例激發學生的學習興趣，以解決實際工程問題為驅動，采用“線上自學”+“線下反轉”+“模擬/實操”+“線上反饋”的教學模式，并以知識點在實際中的理解、運用，以及以工程案例解決程度為考點，側重學生真實工程表達能力的考核[5].具體實施方式如圖1所示.課前教師通過微信、雨課堂等工具發布相關的課程資料(視頻、文檔等)，以所學知識在工程實踐中的熱點應用實例，引出本節課程的知識點，布置實訓任務，學生通過線上自學完成對課程的認知，從而獲取知識；課中教師依據學生的自學情況，有針對性地講解知識點和操作要點，學生可預約時間上機操作進行模擬訓練；課后教師針對學生上傳的文檔進行在線批改與反饋，并布置練習題，讓學生針對自己和他人在實操中存在的問題進行強化訓練.

圖1 教學模式架構Fig.1 Teaching mode structure

3 軸類零件加工教學實施案例

本文以軸類零件加工實訓項目為例，介紹教師借助信息化平臺，課前向學生推送碎片化資源，以提高學生自主學習的積極性[6]；課中充分利用學習平臺了解學生在實訓過程中對知識點和操作技能的掌握情況；課后實時評價和反饋教學模式的實施情況.

3.1 課前

3.1.1 引入工程案例

軸類零件主要用于承載部件和傳遞動力，在工業產品設計中運用廣泛.如在新冠疫情影響中，各類型的口罩制造機械已成為2020年上半年最受關注的機械產品，機器通過不同結構類型的軸類零件完成口罩制作，如圖2所示.在軸類零件加工教學中，教師通過發布某型號口罩機的模型圖片、現場生產視頻，以及在視頻中嵌入實訓教師對口罩機生產流程和各功能模塊結構的分析，使學生了解口罩機的工作原理和軸類零件在口罩生產過程中的作用；通過對實際工程案例的講解，使學生對軸類零件的類型、功能有初步的概念，由此引出課程內容——軸類零件加工.

圖2 某型號口罩生產線模型Fig.2 A certain model of mask production line

3.1.2 軸類零件加工教學流程的安排

依據教學大綱對學生知識點的掌握要求，教師將板書、PPT、上機模擬、現場實操等錄制成學習視頻.其內容如下：

視頻一理論講解：軸類零件的特征、使用的指令和刀具.

教師以口罩機為例，引入常用軸類零件結構(光軸、階梯軸、異形軸等[7])；通過對各種軸類零件輪廓特征的分析，總結常用軸類零件特征的組成(外圓、槽、圓弧、螺紋等)；確定軸類零件加工常用的數控指令和刀具.教師通過理論講解使學生掌握軸類零件加工所用到的指令和刀具.

視頻二理論講解：軸類零件加工編程.

數控車編程分為手工編程和計算機編程，形狀簡單的軸類零件通常采用手工編程.教師首先針對圖3所示零件，講解為什么在同一段圓弧，以中心線為分界時，按照上半部分編程需使用逆時針指令，而按照下半部分編程需使用順時針指令，編程時以哪個為準，以此引出軸類零件手工編程時的工件坐標系和各坐標軸正向的定義，以及如何通過所定義的坐標系來判斷圓弧編程使用的插補指令；然后介紹數控車編程格式和注意事項.

圖3 圓弧方向確定Fig.1 Judgment of arc direction

視頻三實驗展示：運用仿真軟件驗證程序的正確性.

以圖3所示零件為例，編制加工程序，并進行仿真實驗.教師首先講解如何使用數控仿真軟件建立對應型號的數控車床和如何建立毛坯和刀具；然后詳細講解對刀具的操作方法和工件坐標系的設定；最后講解如何將程序輸入虛擬機床并進行仿真驗證.教師通過講解使學生掌握模擬加工的基本流程和程序正確性的判定方法.

視頻四實操展示：利用數控車床加工真實零件.

教師首先將圖3所示零件的程序輸入機床，并在機床上安裝毛坯和刀具；然后現場演示對刀流程、程序加工和程序暫停功能的使用，以及遇到突發情況如何處理等內容，讓學生掌握實操基本流程和應急處理方式.

3.1.3 布置練習任務

課前一周，教師通過微信、雨課堂等軟件布置預習任務[8]：

(1) 引入案例預習，并找出1～2個包含軸類零件的機械產品.

(2) 完成教學視頻學習，討論軸類加工的一般流程.

(3) 完成教師布置的零件編程和仿真，并上傳仿真結果和報告.

(4) 查閱資料，完成并提交軸類零件實操加工流程說明的文檔.

3.1.4 了解預習狀況

學生收到任務通知后，依據自身情況合理安排時間完成預習任務；教師通過后臺查看學生的預習情況和預習過程中反饋的問題，并在課前1～2天提醒未完成預習的學生完成預習任務；依據學生完成預習任務的情況和反饋問題，實時調整課程安排和重點講解內容.

3.2 課中

3.2.1 對預習任務進行點評

教師將任務預習情況推送至大屏幕或學生手機端，對預習效果較好、模擬正確率較高的學生加以肯定，對未完成預習任務的學生進行引導教育，以提升學生學習的主動性.

3.2.2 問題分析及內容串講

針對學生預習過程中存在的共性和個性問題(表1)，教師講解引起各類問題的錯誤原因和在實操加工過程中可能引起的后果，以及數控車軸類零件加工編程的流程和編程格式，并給學生預留一定的時間修改自己的程序；教師完整展示編程代碼，學生自行對照糾錯.教師通過課程講解和代碼展示，使學生更深刻地認識到自己在編程及模擬過程中存在的問題，充分激發學生的學習興趣.

表1 問題分析

3.2.3 疑問解答

學有余力且善于思考的學生完成基本任務后，通常還會進行更深入的思考和學習.例如，有學生提問：程序編寫時，一般是否要指定相同的刀具號和刀補號(如T0101、T0202)，能否指定不同的刀具號和刀補號(如T0105)，如果可以，在加工時需要注意什么？對此類疑問，教師在講解完課程的基本內容后，應將所有疑問列出并逐一作出詳細解答，以便學生對數控編程和機床操作有更深入的理解.

3.2.4 現場編程和模擬

教師現場布置實訓任務，并預留一定的時間讓學生完成程序編寫.為解決實訓設備不足的問題，教師可將學生分成10人一組，每組分別將程序輸入機床并模擬，教師依據學生模擬完成的先后順序和模擬的正確性記錄學生的平時成績.

3.2.5 上機實操

因實訓設備有限，不能有效滿足所有學生的實操訓練，學生可根據自身情況，通過微信平臺向實訓教師預約實操訓練時間.在預約時間內，學生從領取毛坯、刀具和量具開始，再到零件加工，最后到打卡和上交工件完成實操訓練.此種實訓模式可緩解實訓設備不足帶來的壓力，也能促使學生更充分地利用碎片化時間進行練習.

3.3 課后

教師依據學生提交的工件、程序清單、工藝卡片、課堂表現等對每位學生的實訓情況進行綜合評價，并將評價結果和練習中存在的問題通過微信、雨課堂等反饋給每位學生，讓學生在課后根據自己對知識的掌握情況復習教師發布的學習資源，運用仿真軟件進行模擬練習，以查漏補缺，也可在線給教師留言進行互動學習.

4 成效分析

本研究選取湖州師范學院2017、2018級機械設計制造與自動化(師范)專業學生共59人為調查對象，通過問卷方式反饋教學效果，結果見表2.

表2 教學效果反饋

調查結果顯示：93.2%的學生較認可新型的教學模式；95%的學生對數控技術學習表現出較高的興趣；91.5%的學生認為新型的教學模式可以提高實操技術和自主學習能力；61%的學生認為課前教師布置的任務量適中.

5 結 論

在信息平臺輔助下實施任務驅動的數控車實訓教學模式，不僅可以使學生確立明確的學習目標，提升學生的實操技能，實現師生實時互動，還可以激發學生的學習主動性，使學生對數控車技術有更深層次的探究.但該模式中的課前資源學習時間，以及學生的學習態度和方法還有待進一步探究，從而更有效地提高課程教學質量，提高學生對知識的掌握程度.