“新工科”建設背景下應用型本科數控編程及加工課程改革研究

賈孝偉 宋衛海 劉明明 李曰陽

（山東農業工程學院機械電子工程學院，山東 濟南 250014）

0 引言

2013 年漢諾威工業博覽會上，德國工業4.0 工作組作了 《保障德國制造業的未來——關于實施工業4.0 戰略的建議》的總結報告，報告提出了工業4.0 的概念。為對接德國“工業4.0”，自2015 年5 月國家有關部門印發了一系列有關制造業發展的文件，包括《中國制造2025》（國發 〔2015〕28 號）《制造業人才發展規劃指南》（教職成〔2016〕9 號）。根據文件中指出的制造業發展存在的人才缺口問題，自2017 年2 月，教育部積極推進新工科建設，形成了“復旦共識” “天大行動”，探索工程教育的中國模式、中國經驗，培養人才，助力中國制造業發展。

山東農業工程學院堅持“以農為基，以工為主，農工融合”的辦學定位，形成了以工學為主體、農業工程為特色的學科專業體系。學校對2019 級機械電子工程專業（本科）進行了“新工科”專業教學改革，著力培養一批能在機械電子工程領域（特別是智能農業裝備與系統方向）從事設計開發、運行管理、技術服務等方面工作的高素質創新型應用人才。

《中國制造2025》提出要開發一批精密、高速、高效、 柔性數控機床與基礎制造裝備及集成制造系統，加快高檔數控機床、增材制造等前沿技術和裝備的研發。《制造業人才發展規劃指南》列出的“制造業十大重點領域人才需求預測”，也包含高檔數控機床領域。作為機械電子工程專業的一門專業課，數控編程及加工綜合了“機械制造技術”“現代機床設備”“數控編程加工”等多學科的知識，是智能加工的初級形式，與智能加工有著密切關系，在新工科建設中，對其進行教學研究具有重要意義。

1 數控編程及加工課程的現狀與問題

山東農業工程學院機械電子工程專業的數控編程及加工課程開設在第6 學期，教材選用高等教育出版社陳洪濤主編的數控加工工藝與編程（第三版），主要講授數控加工工藝基礎、數控編程基礎、數控車床鏜銑床和加工中心的加工及其程序編制，以及數控電火花線切割加工等理論知識，并安排數控加工實驗。

課程現狀和存在的問題主要有以下幾點：

（1）學習內容多，課時少，教學方法較為傳統：為適應新工科建設，學校在學生人才培養方案中增加部分智能控制相關課程，對數控編程及加工的學時進行了適當壓縮，總學時由原來的48 學時改為32 學時，理論16 學時、實踐16 學時，理論授課與實踐分開進行。理論教學采用課堂多媒體教學，通過幻燈片講授數控加工工藝基礎、數控編程基礎、數控車床鏜銑床和加工中心的加工及其程序編制等知識，以教師講授、學生被動接受的灌輸式教學為主；實踐教學主要分為兩個模塊，包括基于數控仿真軟件的數控車床及銑床的仿真操作教學和數控加工實際操作。

（2）理論學時在前，實踐學時在后，理論與實踐不能結合：數控編程及加工課程理論授課與實踐分開進行，先理論后實踐的教學模式使學生的理論學習與實踐分離。在理論學習過程中，學生因為對數控加工沒有直觀認識，沒有帶著任務和問題有針對性地進行學習，缺乏學習目的、興趣和動力，難以掌握數控技術理論知識。在進行實踐教學的時候，數控技術理論知識不扎實的問題又會反過來影響實踐，比如因為沒有掌握編程知識，學生無法獨立讀懂、編寫數控程序，導致學生實踐學習參與度低。這種先理論后實踐，理論與實踐脫離的教學方法難以激發學生的學習興趣，保證教學質量。

（3）片面重視數控加工程序的編制，忽視零件數控加工工藝的分析：數控編程及加工教學過程片面重視數控加工程序的編制，偏重編程指令格式及應用的講解，忽視對零件數控加工工藝的分析。在實際數控加工中，數控編程指令需根據數控加工工藝編寫，沒有具體合理的加工工藝，數控編程無從談起。在實際生產中，數控加工工藝制定也是工作人員必備、新入職人員又缺乏的能力。

（4）課程考核以閉卷筆試為主：試卷注重考查學生數控加工技術的基本知識，學生往往通過死記硬背課本知識來應付考試，實際編程、加工能力難以得到提高。

2018 年2 月教育部發布的《普通高等學校本科專業類教學質量國家標準》強調，大學生本科專業教育質量評價要突出學生中心、產出導向、持續改進。學校目前的數控編程及加工教學現狀，仍然以教師教授為中心，不能較好地激發學生的學習興趣，提高學生的操作能力，難以培養出滿足需求的人才，為更好地建設新工科專業，數控編程及加工課程改革勢在必行。

為解決傳統數控編程及加工教學偏編程、不重工藝和加工的問題，更好地提高學生實際工程技能，通過參考相關研究，對數控編程及加工課程進行了教學改革，改革后的數控編程及加工課程采用項目化教學法，在理論學習之前先對學生進行數控加工通識教育，激發學生對數控編程及加工的學習興趣和動力，學習過程中，注意引導學生學習數控加工工藝知識，并在學生畢業設計中引入數控機床設計及數控加工相關題目，提高學生的數控機床設計、加工、操作能力和創新意識。

2 數控編程及加工課程項目化教學目標

為切實提高教學質量，針對學生因為沒有帶著任務、問題進行數控編程及加工學習的情況，決定在教學改革中采用項目化教學法，項目取材于學生校外實踐基地，并設置了明確的課程教學目標。

（1）知識目標：熟悉數控技術的基礎知識，了解數控機床結構及工作原理，掌握數控加工基礎與編程知識。（2）能力目標：掌握簡單的數控加工技術，能夠進行簡單的數控加工工藝設計、數控加工操作。（3）素質目標：具有認真仔細、實事求是、精益求精的學習態度、良好的實驗習慣和對實際加工問題的觀察、分析、判斷、解決能力。

3 數控編程及加工課程項目化教學設計

數控編程及加工課程項目化教學改革，從課程內容、實施方法、評價方式和課程活動四個方面進行了教學設計。

（1）課程內容：根據項目化教學設計要求，對課程內容進行重構。課程教學內容打破常規的知識化章節形式，選擇工業項目作為教學核心，以項目進度串聯起課本知識點。工業項目從學生校外實習基地得到，有聯合收割機混流風機的風機法蘭、軸承座、風機軸和全開式水泵葉輪加工。

（2）實施方法：為實現項目化教學，教學過程采用多種教學方法。為讓學生了解實際生產中的機械加工情況，本課程利用學生學年綜合實踐的機會，讓學生到農業裝備生產企業調研農業裝備生產制造技術。開展項目化教學，可使學生帶著問題有目的地學習。教學采用翻轉課堂，學生提前學習，節省課堂教學時間，并在課堂教學中引入視頻資源，使學生直觀了解數控加工過程，在較短時間內達到教學目標。

（3）評價方式：課程基礎知識評估仍以卷面考試為主（滿分100 分），占40%。卷面考試雖然不是工程科目最好的考核方法，但對于基礎知識，考試是較為客觀的評估方式。試卷命題以工程應用為目的，對考試內容、 出題方法進行設計。項目執行考核評價占60%，考核評價過程如下：考核評價分為過程考核和總結考核兩個部分。過程考核中，學生需要在工藝圖紙設計階段，講解零件的設計思路，畫出工藝圖紙；在數控程序編制階段，按照工藝圖紙，編寫數控加工程序；在實踐環節，進行軟件仿真加工和實際機床操作。教師需對每個環節進行評價打分，滿分100 分，取各環節平均分作為過程考核分。項目完成后，學生上交項目完成總結報告和所加工零件，教師對零件質量和報告質量進行打分，作為總結考核分（零件質量考核占60%，報告質量考核占40%，滿分100 分）。最后將過程考核分和總結考核分按60%、40%計算得到項目執行考核分數。評價過程涉及學生學習的每一個環節，側重于評價學生數控加工技術的實際應用能力。

（4）課程活動：畢業設計是工程學科教育教學的重要環節。為加強學生對數控編程及加工課程的學習，鞏固提高其知識能力，在學生畢業設計階段融入數控加工技術，進行數控機床結構、控制系統設計開發，關鍵零件的數控工藝制定、加工程序編寫和加工操作等，通過機床設計，數控加工，加深學生對數控原理、裝置、伺服系統、數控機床結構和數控加工技術等模塊知識的理解。

4 課程項目化教學改革實踐

（1）在學習之初，為學生確定如下課程目標。在課程學習過程中，學生要針對數控加工項目，按照課程學習進度，讀圖、分析零件圖紙、制定加工工藝、編寫加工程序、選取毛坯和刀具、用軟件進行仿真加工，最終在數控機床上加工出滿足設計圖紙要求的零件，將課程教學過程與項目執行過程融為一體。學生要確定零件加工工藝方案、加工參數和加工路徑，完成項目工藝卡片和加工程序等技術性文件，教師以此對學生進行考核總結。

（2）確定數控加工項目，項目內容的確定和分配遵循“實用性、可行性和綜合性”原則。實用性要求項目要貼近實際生產實踐，讓學生切實體會到學有所用；可行性是指項目要難度適中，學生經過一定努力能夠完成；綜合性是指項目要盡量多包含與數控技術有關的知識點，讓每一個項目都能使學生鞏固數控技術知識點。

（3）在理論學習之前先對學生進行數控加工通識教育。通過觀看數控加工視頻和參觀數控加工車間，讓學生對數控加工有一個直觀認識。指導學生在通識學習過程中構思項目的加工方法，激發學生分析圖紙、制定加工工藝和編寫加工程序的興趣，使學生帶著問題進行后面的理論學習。

（4）改革理論學習。精選理論知識內容，如對基本概念、基本原理、編程技術、原理進行講解，強化知識在加工工藝分析和編程中的有效性。為彌補理論學時不足的問題，在理論教學方面，采用線上、線下結合的模式。適當引入“翻轉課堂”教學方法，教師根據教學安排，通過布置課后問題的形式指導學生預先在網上學習相關知識，課堂上對這些問題進行問答、討論，激發學生的學習興趣和自學能力。線上線下學習與課堂討論可以提高學生的學習效率，在保證教學質量的同時，縮短線下授課時間。

（5）數控編程及操作實踐性強，考驗學生的實際操作能力，是數控編程及加工的重要部分，為使學生較好地掌握數控編程及操作，要保證學生有足夠的時間進行上機操作。在學生完成理論學習，能進行基本的工藝分析和編程后，安排學生針對項目運用數控仿真系統進行仿真加工，教師要利用案例教學法對學生進行引導，對學生數控仿真軟件和數控機床的使用進行必要知識和技能的培訓。

（6）數控加工。根據學生平時的學習成績，有針對性地將學生分成不同小組，3～5 人一組，成立數控加工小組，分別負責工藝制定、數控程序編寫和數控加工。產品加工完成后，分別對過程中制定的零件加工工藝和零件成品的加工精度進行評價打分。

5 結語

（1） 在理論學習之前增加數控加工通識教育，使學生對數控加工有了直觀了解，激發學生學習數控加工技術的興趣，使學生能夠帶著問題進行理論學習，能夠在理論學習過程中進行操作想象，聽課時更有目的性，更有情境感。

（2） 理論學習過程以數控加工項目為切入點，課程每一部分對應項目的一部分任務，并將任務完成結果作為評價學習情況的重要參考，使數控加工項目與數控編程知識學習密切結合，實現理論學習與實踐相結合，提高學生實踐能力和工程素養。

（3） 將數控機床設計和數控加工融入畢業設計中，進一步鞏固了學生對數控加工技術的學習，使學生從數控機床的結構、 工作原理到數控加工技術，有了全面了解，其中數控加工工藝的制定和數控加工操作使學生對未來本行業的工作有了初步認識，使其在畢業就業后能很快融入實際生產工作中。