基于工作過程導向的多軸加工專業數字化資源開發路徑研究

馬長春 鹿曉寧 程華

摘 要：本文根據北京汽車技師學院多軸加工專業數字化資源的開發案例，提出將“資訊—計劃—決策—實施—評估—反饋”的工作過程理論引入資源開發過程，總結出“解析人才模型—確定學習場景—選定實驗DEMO—制作交互式資源”的四步驟開發路徑。聚焦學習場景設計難題，創新性地提出“確定學習路徑—設計學習場景—設計交互行為—素材收集”的四步驟開發策略，為同類型數字化資源的開發提供了可參考的路徑。

關鍵詞：數字化資源 多軸加工 開發路徑 工作過程

隨著供給側改革的深入和產品的不斷升級，多軸加工技術和設備以加工精度及加工效率較高的優點廣泛應用于航空航天、交通運輸、設備制造等高端制造業。由此，社會對多軸加工技能人才的需求也隨之增大，對人才培養的數量和質量都提出了更高的要求。但由于多軸機床設備昂貴、實訓成本居高不下等原因，多軸加工專業的實訓學時始終難以增加。

在國家“互聯網+”行動計劃的大背景下，北京汽車技師學院以構建多軸加工專業學習資源為導向，嘗試將“資訊—計劃—決策—實施—評估—反饋”的工作過程理論融入開發過程，形成了學做一體的學習資源，為提升多軸加工技能人才的培養質量奠定了基礎。

一、多軸加工技能人才培養的現狀和困境

北京汽車技師學院于2017年開設多軸加工專業，涵蓋中級工、高級工、預備技師三個層級，為現代制造企業培養多軸加工技能人才。多軸加工專業開設了文化課程、數控類專業基礎課程及面向多軸加工的專業核心課程。其中，多軸編程與加工技術課程是多軸加工專業的核心課程，旨在培養該專業學生五軸數控機床操作及加工等多方面的綜合能力。

為保障多軸加工專業的教學質量，北京汽車技師學院先后斥資千萬余元購進了十余臺DMU50等型號的五軸數控機床用于多軸加工專業教學。采取“做中學、學中做”的理實一體化教學模式，學生可在工作頁的引導及教師的指導下完成技能的學習與訓練，實現了師生間的合作化學習，有效提高了學生的專業能力。

但受高端機床設備購置價格高昂等因素困擾，多軸加工專業教學依舊存在學生人數與設備工位數不匹配、學生有效訓練學時偏少等問題，教學效果不理想。

同時，學生在進行五軸數控機床入門操作學習時，由于缺乏經驗、操作不熟練等多方面原因，常常出現設備損壞、危險操作等問題，從而導致培訓成本大幅提升，使訓練工位不足等問題更加突出。

因此，如何在入門階段利用數字化的手段改進學習方式、提高訓練效率，成為多軸加工專業發展亟須解決的問題。

從多軸加工專業現有的學習資源來看，主要以書籍等參考資料為主，涉及的內容主要是針對五軸數控機床的操作和CNC編程軟件的功能指令的學習，學習內容碎片化，不利于學生形成系統性的邏輯思維。

北京汽車技師學院嘗試采用超星、暢課等網絡平臺，以及虛擬仿真技術、VR/AR、微課、視頻及圖片、Flash動畫、網絡視頻資源等多種教學手段輔助多軸加工專業教學。這些信息化教學手段雖然在一定程度上促進了多軸加工專業的教學質量提升，但與多軸加工專業教學過程的結合度較低，且不能實現良好的教學互動。

二、基于工作過程導向的數字化資源開發路徑構想與設計

基于上述原因，北京汽車技師學院擬開發面向多軸加工專業的數字化資源，使學生在進行實際機床操作之前就熟悉并掌握五軸數控機床的主要知識和技能，為實際上機操作打下基礎，有效加快了學習進程、提高了學習效率，最終形成了“模擬練習+上機實操+頂崗實習”相結合的三位一體的多軸加工專業人才培養模式。

結合北京汽車技師學院課程改革成果，筆者依據“資訊—計劃—決策—實施—評估—反饋”的工作過程理論，結合多軸加工技能人才職業能力要求，構想并設計了“解析人才模型—確定學習場景—選定實驗DEMO—制作交互式資源”四步開發路徑，具體如下。

（一）解析多軸加工技能人才模型，識別人才成長路徑

通過對多個數控加工企業進行充分調研，筆者發現企業對多軸加工技能人才的崗位需求主要集中于機床操作、CNC編程、工藝編制、產品質量檢驗及技術支持等幾個方面。通過崗位調研及對多軸加工崗位工作過程的分析，筆者確定多軸加工各崗位所需要掌握的主要技能。

從崗位發展曲線看，多軸加工專業畢業生所從事的崗位工作涉及初級、進階和高級三個階段。

初級階段主要涉及機床操作類工作，需要掌握識讀圖紙、選配刀具、多軸數控機床基本操作等職業能力，其中基本操作涵蓋機床開關機、坐標軸移動、工件找正、對刀操作、3D Quickset、校準回轉軸等。

進階階段主要涉及數控編程和加工崗位，需要掌握閱讀圖紙，使用Mastercam等軟件編制加工程序、操作多軸機床進行零件加工等職業能力。

高級階段則需要掌握加工工藝制定、工裝夾具設計、加工質量管理、技術支持等職業能力。

崗位發展的三個階段是逐步遞進、終身發展的過程。其中，初級階段主要是進行多軸加工基礎操作技能的學習。該階段是多軸加工技能人才成長路徑的基礎期和塑造期，是技能型人才知識和技能的積累階段，在整個技能人才成長過程中發揮著重要的作用。

（二）確定多軸加工學習場景，構建數字化資源框架

圍繞多軸加工技能人才成長過程中初級階段的培養目標，以多軸加工專業的崗位能力需求為依據，以“資訊—計劃—決策—實施—評估—反饋”的完整工作過程理論為出發點，結合多軸加工專業的人才培養方案及課程標準，建立了數字化資源場景框架，將多軸加工技能人才入門學習內容聚焦在設備識別和開關機、坐標系建立、軸移動操作、刀具識別、精度標定、工件找正6個關鍵模塊，每個關鍵模塊根據崗位能力要求細分為20個子模塊。

其中，設備識別和開關機模塊細分為五軸加工中心概述、設備開關機、MDI操作等子模塊;坐標系建立模塊細分為笛卡爾坐標系認知、測頭手動建立工件坐標系、Z軸及正反方向識別等子模塊;軸移動操作細分為軸X、Y、Z向移動及a、c軸回轉運動等子模塊;刀具識別模塊細分為刀具識別、刀具表建立、刀庫裝刀等子模塊;精度標定模塊細分為測頭標定、主軸端面Z向精度標定等子模塊;工件找正模塊細分為工件平行、垂直及圓柱找正等子模塊。

（三）選定實驗DEMO，設計多軸加工學習場景

在以上20個子模塊中，測頭手動建立工件坐標系子模塊是數控加工中一個相對獨立且完整的工作環節，同時也是使用機床進行加工的基礎環節。工件坐標系的建立方法是現代制造產業工人，尤其是五軸數控機床操作人員必須掌握的關鍵技能。因此，北京汽車技師學院將測頭手動建立工作坐標系子模塊選為資源開發實驗性樣本。

北京汽車技師學院在測頭手動建立工件坐標系子模塊資源開發的過程中，在德馬吉和西門子多位數控專家的協助下，結合多軸加工專業的教學現狀將該工作場景轉化為學習任務“利用DMU50多軸機床對指定零件手動建立工件坐標系”，并依據完整工作過程和學生學習過程對該任務的學習路徑進行設計。

筆者針對學習任務制定了“確定學習路徑—設計學習場景—設計交互行為—素材收集”的四步驟開發策略。

首先，依據“資訊—計劃—決策—實施—評估—反饋”的完整工作過程，以學生為主體分析開展此項工作的詳細內容。讓學生從了解任務說明入手，進而掌握手動建立坐標系的思路、理解坐標系建立流程，并開展相應的建立坐標系作業，確立詳細的工作步驟和具體內容，明確每個步驟的技能要點。

其次，基于學生學習視角，針對每個工作步驟的內容和要點設計相應學習場景。每個場景以沉浸式學習為導向，通過語音、畫面等形式引導學生進入模擬的工作場景進行學習。

再次，對每個學習場景中的操作過程進行分析，對于關鍵點的操作創設選擇彈出框、警示音、操作提示等交互要素并創設交互行為，要求學生對當前情況給出判斷并及時反饋判斷信息，瞬時強化關鍵技能點的學習。為了鞏固學習效果，筆者特意設計了練習場景，學生可以對學習場景中的關鍵技能點進行復習，強化了學習效果。

最后，針對場景和交互設計整理和設計相應的圖片、文字、影像素材，這對學習者的學習起到了良好的輔助作用，確保了資源開發的可行性。

學習任務“利用DMU50多軸機床對指定零件手動建立工件坐標系”依據上述四步驟開發策略進行數字化資源的腳本設計開發，為后期工作提供依據和基礎。

（四）制作交互式數字化資源

聘請專業的拍攝團隊進行數字化資源前期視頻拍攝，并以腳本為依據將游戲、三維、動畫、交互等元素融入資源制作，開發測頭手動建立工作坐標系子模塊的數字化資源。

該子模塊資源依據完整工作過程，將操作進程分解為“作業準備—激活坐標系—調測頭—找正工件—建立工件坐標系—坐標系驗證—還測頭”7個關鍵工作步驟。學習者需按照這7個環節依次進行學習，每個環節需完成“學習—練習—測試”3個模塊的學習。測試模塊通過后，學習者方可進入下一環節的學習。

數字化資源的設計借鑒了游戲的“闖關”模式，符合職業院校學生及企業培訓員工的個性特點。同時在學習者“闖關”的過程中，加入了“聲效”等游戲元素，有效吸引了學生的注意力，有利于提高學生學習積極性。

（五）實驗驗證學習效果

北京汽車技師學院多軸加工專業高級工一年級的學生尚沒有對五軸數控機床操作知識進行系統學習，僅能夠操作三軸數控機床進行簡單零件的加工。故將手動建立工作坐標系子模塊的數字化資源學習圍繞該層級學生進行實驗。經過綜合考慮，選取2018級13班和14班為實驗對象。這兩個班的學生基礎水平相近，有利于對最終結果進行綜合評估。

2018級13班21名學生在教師的引導下，在數字化資源環境中進行自主學習，獨立完成該子模塊的測評工作頁。2018級14班20名學生則是在教師講授、演示的基礎上，獨立完成測評工作頁。工作頁圍繞手動建立工作坐標系子模塊應掌握的關鍵知識點和技能點共設置了9個引導性問題。

統計兩班學生工作頁的最終成績，2018級13班學生的綜合得分率為85.33%，2018級14班學生的綜合得分率為75.11%。實驗數據表明，在數字化資源指導下的學習效果明顯優于目前常規的教學方法。

根據學生具體學情將2018級13班學生分為3個小組，通過分析，各小組的平均得分率分別為87.56%、82.89%和85.22%，實驗數據說明，數字化資源對于不同類型學生的學習效果非常明顯，資源的適應性較好，適用于不同學習能力的人群，能夠覆蓋全體學習者。

后期通過教學數據的實時反饋不斷完善數字化資源，最終形成適合北京汽車技師學院多軸加工專業教學成熟的教學資源，并以此為范本，進行其他模塊的數字化資源開發。

三、工作過程導向開發路徑的評估和反思

通過收集數字化資源在多軸加工專業教學中應用的意見反饋，數字化資源使用滿意率達到90%。學生能夠利用數字化資源積極主動進行學習，有效提高了學習效率和質量，說明筆者提出的將“資訊—計劃—決策—實施—評估—反饋”工作過程理論應用于數字化資源開發是行之有效的。

資源應用效果也進一步驗證了“解析人才模型—確定學習場景—選定實驗DEMO—制作交互式資源”四步開發路徑和“確定學習路徑—設計學習場景—設計交互行為—素材收集”的四步驟開發策略的有效性，為職業教育領域數字化資源開發提供了可參考的開發路徑與方法，對混合式學習模式下學習資源開發和人才培養形成了有效助力。

數字化資源的開發不是一蹴而就的，需要根據時代特征及學情，針對教學中不斷出現的新問題，與時俱進、不斷完善，形成適應專業教學需要的教學資源，對教學工作形成有效助力。

參考文獻：

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（作者單位：馬長春、鹿曉寧，北京汽車技師學院;程華，北京華夏捷瑞教育科技有限公司）