問題導向型數(shù)控車虛實結合教學實踐與探索

王建武, 金仁東, 王 超, 鄒 靜, 黃書江, 張金海

(北京科技大學 a. 高等工程師學院金工實習基地； b. 資產(chǎn)管理處， 北京 100083)

0 引 言

現(xiàn)代社會科技發(fā)展更新迭代速度迅速，行業(yè)、國家間的競爭也越趨于激烈。技術的競爭，最終歸結于具有扎實基本理論和嫻熟實踐經(jīng)驗的工程技術人才的競爭[1-2]。為適應新形勢，我國高校建立了很多工程訓練中心，涵蓋鑄造、焊接、普通車床加工、數(shù)控車床加工等教學項目，對工科類學生進行工程訓練[3-4]。數(shù)控車削技術是學習機械加工的基礎工藝[5-6]，傳統(tǒng)數(shù)控車教學中存在教學模式單一、學生車床操作效率低，程序運行錯誤較多等諸多問題[7]，亟需對數(shù)控車床教學模擬及方法進行改進。問題導向型教學方法是一種將實際情景問題以導向的形式呈現(xiàn)，引導學生思考問題產(chǎn)生的原因，分析解決辦法的教學方法。國內(nèi)有許多學者[8-9]對該方法進行了研究，并應用到相關教學中。但問題導向型教學方法在數(shù)控車實習教學過程中引入較少，現(xiàn)結合北京科技大學教學實際，對問題導向型數(shù)控車虛實結合實踐教學進行了研究和探索，并著重介紹了該項目的教學目標、教學模式和取得的相關成效。

1 教學目標

基于問題導向型數(shù)控車虛實結合的教學目標是：以培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題—分析問題—模擬仿真—實踐操作—解決問題的綜合素質(zhì)培養(yǎng)為導向，以解決實際工程問題為目標，構建“工程問題導向剖析—柔性需求性學習—虛擬實踐結合—工程精細管理為一體的新型數(shù)控車虛實結合”教學模式。采用數(shù)控車床虛實結合的教學方法，激發(fā)學生探索意識和動手能力；結合問題導向型教學理念，增加學生學習興趣；解決工程實際問題，增強學生成就感，為培養(yǎng)具有卓越工程實踐能力的高級工程技術人才[10-12]的工程訓練實踐教學模式提供參考。

2 教學模式

問題導向型數(shù)控車虛實結合實踐教學課程設計如圖1所示，教學內(nèi)容主要分為設備故障查找、虛擬仿真教學和實際數(shù)控車加工操作三部分，三部分聯(lián)系緊密，關聯(lián)性強，循序漸進，建立發(fā)現(xiàn)問題→尋找答案→仿真模擬→實踐操作→解決問題的工程導向思維。

圖1 課程設計圖

2.1 “導向剖析”—建立解決工程問題思維

數(shù)控車實習應以問題為導向型，鼓勵學生加工制作實際的機械零件產(chǎn)品。而傳統(tǒng)數(shù)控車教學中，指導教師提供統(tǒng)一圖紙，并進行相關操作演示，學生根據(jù)圖紙進行相關程序設置并進行加工。問題導向型數(shù)控車實習教學聚焦實際工程問題(老舊淘汰普通車床存在的故障)，建立學生解決工程問題導向思維，激發(fā)主動學習內(nèi)在動力。以某組學生解決車床變速箱故障為例，解決問題路線圖如圖2所示。

圖2 解決實際工程問題流程圖

2.2 “柔性需求學習”—激發(fā)學習主動性

問題導向型數(shù)控車虛實結合實踐教學內(nèi)容根據(jù)零件加工制作要求需要進行“柔性需求學習”[13-14]，即針對不同生產(chǎn)要求，制定不同的學習計劃，從而有針對性解決問題。以生產(chǎn)出變速箱損壞零件為例，需進行零件圖紙設計、材料選擇，編制工藝，編制程序、數(shù)控車模擬機學習和數(shù)控車實踐操作等內(nèi)容，并對每個學習內(nèi)容進行詳細設計，見表1所示。并根據(jù)每項實習教學內(nèi)容，制作了開放的學習資源，包括教學MOOC資源、教學視頻、集中教學和分散教學時間等內(nèi)容，以滿足學生對實習教學內(nèi)容自主學習的要求。

2.3 “虛擬實踐結合”—提高加工成熟度和設備使用率[15-16]

數(shù)控車虛實結合教學中關鍵是將數(shù)控車教學操作中的不可見及易出問題點以可視化的方法呈現(xiàn)出來，例如可清晰看到刀具按照設定好的數(shù)控加工程序執(zhí)行切削的軌跡全過程；模擬進/退刀刀具路徑的規(guī)劃、加工過程中潛在的碰撞干涉等數(shù)控加工程序的正確性；預測零件的加工質(zhì)量等。根據(jù)以上模擬運行過程，對數(shù)控加工程序進行優(yōu)化。實現(xiàn)了真實實訓不具備或難以完成的教學功能，對實體實踐形成有效補充，擴展了實踐內(nèi)容(見圖3)。

由于學生在真實開動數(shù)控設備之前已進行了程序正確性檢驗和數(shù)控模擬加工全過程，所以學生在進行實際加工制作時可避免撞刀或大吃刀等誤操作后對機床精度，主軸，導軌，電機產(chǎn)生損壞，不會產(chǎn)生機器傷人、人傷機器等問題，極大減少了廢品率的產(chǎn)生，能有效避免實踐教學過程中可能出現(xiàn)的各種危險因素，杜絕事故發(fā)生和節(jié)省維修成本，同時提高了加工成熟度和設備使用率。

2.4 “工程精細管理”—培養(yǎng)工匠精神

問題導向型數(shù)控車虛實結合教學實習不僅注重學習內(nèi)容，更加注重產(chǎn)品質(zhì)量，注重培養(yǎng)學生“迎難而上、精益求精”的工匠精神。學生在數(shù)控車操作過程中會遇到各種問題，例如零件設計尺寸精度問題、模擬加工過程報錯問題、數(shù)控車加工碰刀和零件裝配過程匹配度不合等問題，培養(yǎng)學生遇到問題-尋找方法-動手操作的解決問題工作態(tài)度，為新工科背景下卓越工程師計劃培養(yǎng)合格的人才。

3 教學成效

學校實施基于培養(yǎng)學生解決工程實際問題能力的“問題導向型”數(shù)控車虛實結合教學項目，構建了老舊淘汰設備再利用與虛擬仿真，現(xiàn)代制造技術相融合的實踐教學環(huán)境；集中優(yōu)勢資源，細化、規(guī)范實踐教學環(huán)節(jié)，實踐過程體現(xiàn)了學生的自主性和探究性；教學模式實現(xiàn)了從體驗式到探究式的轉(zhuǎn)變，有效培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維和解決工程實際問題的能力。教改項目實施后對學生成績、工程訓練中心數(shù)控車間管理和學生參賽成績都起到了極大促進作用。

3.1 學生成績

由圖4可知，2020年學生成績較2019、2018年有明顯提高，其中良好及優(yōu)秀比例達到90%以上，不合格率明顯降低。

圖4 教學改革后學生成績

3.2 學生參賽成果

教學改革后，學生參加了全國大學生機器人大賽、北京市大學生工程訓練綜合能力競賽等更多的相關競賽項目，獲得了較好成績，極大鼓舞了學生的參賽熱情，并為今后學生參與問題導向型數(shù)控車虛實結合教改項目提供了參考依據(jù)，見表2。

表2 教改后學生參賽獲獎匯總

3.3 工程訓練中心數(shù)控車間管理更科學規(guī)范

“問題導向型”數(shù)控車虛實結合教學改革實施后，學生通過數(shù)控車床模擬訓練后，對數(shù)控車床的熟練度大大增加，減少了原材料的損耗量和設備維修次數(shù)，提升了設備運轉(zhuǎn)效率，提高了零件的加工精度,如表3所示。與2019年相比，2020年至今教改后學生操作數(shù)控車床加工零件時間與2019年相比減少了50%，設備運轉(zhuǎn)效率提高了50%，原材料損耗降低了50%以上，至今未曾發(fā)生實習安全和設備使用人為故障。

表3 工程訓練中心維修經(jīng)費

4 結 語

在新工科和“雙一流”建設背景下，針對國家、產(chǎn)業(yè)及社會對高素質(zhì)人才培養(yǎng)的發(fā)展需求，學校開設了以培養(yǎng)學生解決實際工程問題能力的實踐教學項目，構建了新式工程訓練實踐教學環(huán)境，實現(xiàn)了工程訓練實踐教學體系在教學內(nèi)容上注重探索性。在教學過程中，將品格、知識、能力和素質(zhì)教育融入整個實踐全過程，在培養(yǎng)具有“工匠精神、創(chuàng)新思維、探究精神和解決工程實際問題能力”的多元化、創(chuàng)新型工程科技人才方面取得了初步成效，產(chǎn)生了明顯的示范輻射作用，并進一步促進了工程訓練中心的實踐教學體系的不斷完善和拓展，助力人才培養(yǎng)。