智能制造背景下數(shù)控加工虛擬仿真實訓教學探索*

孫平平 李龍剛 付艷蘋

（濰坊科技學院 智能制造學院，山東 壽光 262700）

引言

《中國制造2025》 提出，我國裝備產(chǎn)業(yè)要邁向全球價值鏈中高端，應(yīng)該以智能制造為主攻方向，打造工業(yè)母機創(chuàng)新高地。在此推動下，作為工業(yè)母機的數(shù)控機床，逐步向高端化、智能化轉(zhuǎn)型。與此同時，企業(yè)對數(shù)控機床操作工的需求也發(fā)生了變化，由單一向復合轉(zhuǎn)型。但是，作為人才培養(yǎng)方的高校，有的在課程內(nèi)容的設(shè)置、教學模式以及教學配備上依然沿用傳統(tǒng)形式與單一形態(tài)，致使高校培養(yǎng)的人才與企業(yè)的需求不夠契合，企業(yè)用工與高校就業(yè)需要進一步對接。

隨著智能制造產(chǎn)業(yè)對人才需求的提高，把互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和人工智能等信息技術(shù)融入實踐教學中，進一步推動虛擬仿真項目的應(yīng)用，為社會培養(yǎng)德才兼?zhèn)洹⒅R扎實、技能一流的復合型人才，是高校教學改革的重要方向[1]。為此，各高校應(yīng)積極將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于實踐教學環(huán)節(jié)，解決原有的由于硬件設(shè)施不足而導致的實訓效果不佳的問題。虛擬仿真教學利用VR 技術(shù)，構(gòu)建虛幻的條件與場景、逼真的操作對象、靈活多樣的互動環(huán)節(jié)及學習內(nèi)容[2]，能提高學生參與實驗、實訓的積極性，有效提高教學效果和質(zhì)量[3]。

基于此，筆者所在院校的數(shù)控加工實訓教學團隊積極探究與時俱進的教學內(nèi)容，借助虛擬仿真技術(shù)及線上線下交叉融合的教學手段，與前沿接軌，構(gòu)建一套可操作的與當前智能制造產(chǎn)業(yè)高度融合，契合企業(yè)發(fā)展需求的人才培養(yǎng)模式。

一、數(shù)控加工實訓課程存在的不足

數(shù)控加工實訓是智能制造相關(guān)專業(yè)群的一門核心課程，在教學中主要以數(shù)控機床為實訓平臺，以加工工藝制訂、加工程序編制、數(shù)控機床操作為核心內(nèi)容。通過實訓，學生能夠綜合運用所學知識，掌握數(shù)控加工技術(shù)，達到企業(yè)所需的技能。但是，在長期的教學中，數(shù)控加工實訓課程存在以下不足。

（一） 部分課程內(nèi)容邏輯性不夠強，創(chuàng)新性不足，思政融合度不夠高

1.邏輯性不強

部分課程內(nèi)容的設(shè)置是先學習完所有編程指令再對工件進行加工。編程指令是異于常規(guī)語言的機器語言，抽象難懂，在成果導向不夠明確的情況下長時期地學習編程指令，學習目的不夠明確，這不利于學生認知結(jié)構(gòu)框架的建構(gòu)和邏輯思維體系的形成，不利于提升學生的學習興趣和自主探究、自主學習的能力。

2.創(chuàng)新性不足

部分課程重點放在學生的數(shù)控編程能力及簡單操作能力的培養(yǎng)，忽視了學生在面對數(shù)控機床故障時的應(yīng)對能力及復合問題解決能力的培養(yǎng)。導致學生在面對高端機床時雖然了解相關(guān)理論，實際操作時卻望“機”興嘆，解決工程實際問題的能力亟待加強。

3.與思政教育融合度不夠高

部分數(shù)控加工實訓課程與思政教育融合度不夠高，重視的是知識傳遞和能力培養(yǎng)，課程思政建設(shè)有待加強，學生的愛崗敬業(yè)意識與工程素養(yǎng)需要提升。

（二） 部分課程教學模式設(shè)置不夠合理，教學方法需要更新

1.教學模式不合理

有的課程教學采用先理論講授、后實踐操作，理論講授主要是教師講解，實踐操作主要是學生練習。教師先講，學生后練，如兩者互動不夠積極，容易形成教學孤島，這種模式一方面使得理論知識缺少依托，學生難以內(nèi)化；另一方面，學生在沒有內(nèi)化好所學知識就進行實踐操作，會使得操作不當，不僅帶來了較高風險，也在反復操作中導致了原材料、能源的大量消耗，不符合當前綠色生態(tài)教學的理念。

2.教學方法需更新

該課程的教學還是采用“教師教—學生學”這種知識鏈的單向傳遞法，這種教學方法難以適應(yīng)當前應(yīng)用型本科高校學生的學習習慣。

（三） 部分課程評價體系單一，不能有效達成以評促教、以評促學

部分課程的考核主要采用終結(jié)性評價的方式，僅憑完成的作品、實踐報告來評定成績。而理論知識的掌握情況、理論知識與實踐操作的融會貫通程度、實踐操作的熟練度、操作規(guī)范的遵守、團隊協(xié)作能力及突發(fā)問題的應(yīng)對能力等，都不能從終結(jié)性評價成績衡量。應(yīng)該加強過程性評價的糾錯、引導、督促，使學生及時把握學習方向，提高學生的學習積極性及學習效果，尤其是對于自制力不強的學生。

終結(jié)性評價的方式難以客觀地衡量學生的學習效果，這影響了學生才能的充分發(fā)揮和素質(zhì)的全面提高[4]；同時，教師也難以借助該評價開展教學反思和信息反饋，難以達成以評促教、以評促學的教學目的。

二、數(shù)控加工虛擬仿真優(yōu)勢

（一） 拓寬實訓教學維度，延展實訓教學深度

在傳統(tǒng)的數(shù)控加工實訓教學中融入虛擬仿真，使得該實訓教學由“理論講授—實踐操作”，轉(zhuǎn)變?yōu)椤袄碚撝v授—虛擬仿真—實踐操作”三維協(xié)同模式，拓寬實訓教學的維度。虛擬仿真起承上啟下作用，承上——依托理論講授內(nèi)容進行虛擬仿真訓練；啟下——學生借助虛擬仿真掌握數(shù)控技術(shù)、程序編制、工件加工方法、機床故障診斷與維修技術(shù)后，才能夠在真實機床進行實踐操作。

傳統(tǒng)的實訓教學因設(shè)備的有限性，使得部分學生的參與度不高。部分學生對知識的理解及技能的掌握因參與度不高僅能停留在表面，難以深入研究，這導致實訓的內(nèi)容往往只停留在工件的編程加工上。而進行虛擬仿真加工，借助電腦，學生即可進行多方面、多層次的加工訓練，在訓練中滲透碎片化的知識點，能將所學知識快速內(nèi)化并掌握操作技能。教師也能延展實訓內(nèi)容的深度，提供高階性的實訓項目，加大學生的訓練強度，并能對標企業(yè)需求。而能力更強的學生則可借助虛擬仿真軟件進行個性化培養(yǎng)，為進行深層次內(nèi)容的教學作好鋪墊。

（二） 打破實訓時間、空間的局限性，破解實訓教學的瓶頸

因數(shù)控機床在企業(yè)的普適性特點，使得很多專業(yè)開設(shè)了數(shù)控加工實訓課程，如筆者所在的院校，就有機械設(shè)計制造及其自動化、機械電子工程、車輛工程及智能制造工程3 個專業(yè)開設(shè)該門課程。然而，學校的數(shù)控實訓中心僅有數(shù)控車床12 臺、數(shù)控銑床5 臺、加工中心1 臺，根據(jù)教學計劃及每個班標準人數(shù)40 人計算，每人在實訓期內(nèi)能操作數(shù)控車床的學時數(shù)為18 個，顯然，如此短的時間只能讓學生對數(shù)控車床完成局部認知、基本操作，這離熟練操作及解決復合問題的要求還有距離。但是，借助虛擬仿真技術(shù)，學生只需一臺電腦，即可自由選擇自身知識的薄弱點進行訓練，虛擬仿真的隨時隨地可操作的特點，打破了實訓時間、空間的局限性。

同時，數(shù)控加工的操作風險約束著實訓教學的大規(guī)模開展，學生在不熟知機床的原理及操作規(guī)范的情況下容易引起操作失誤，這也制約了實訓教學的開展。而虛擬仿真軟件與真實機床的結(jié)構(gòu)、功能及操作無二，通過虛擬仿真訓練，學生熟練掌握機床的原理及操作規(guī)范后，再操作真實機床，可有效避免學生操作真實機床時出現(xiàn)的風險，這解決了數(shù)控加工實訓教學的難題。

（三） 提高學生理解能力、自主學習能力

應(yīng)用型本科高校的學生知識儲備與學習能力需要提升，而數(shù)控加工知識比較晦澀難懂，部分學生的學習興趣不高。而數(shù)控虛擬仿真軟件，界面友好，感知形象，場景交互性強，成果快速呈現(xiàn)，它能刺激學生感官，激發(fā)學生的學習興趣，激發(fā)學生主動思考、深入探究。此外，虛擬仿真可以多次反復練習，不消耗能源、原材料，學生可反復操作、獨自思考，這給足學生內(nèi)化知識的時間，切合學生的學習規(guī)律。教育家贊可夫認為，教學一旦觸及學生的情感和意志領(lǐng)域，觸及學生的精神需要，便能發(fā)揮其有效的作用[5]。所以，學生自信心建立和學習興趣提高了，探究意識增強，理解能力、自主學習能力也隨之提高，從而形成良好的教學循環(huán)。

三、教學設(shè)計更優(yōu)化

（一） 課程內(nèi)容的整合與優(yōu)化

1.內(nèi)容邏輯性

由于原有的部分教學內(nèi)容邏輯性不夠強，需對其進行知識板塊的重構(gòu)，因編程指令的學習是為了解決案例的完成，所以將指令分配到相關(guān)的案例中去，由案例引導學習指令，貼合學生的學習方向，符合OBE 理念。該課程案例由簡單到復雜再到拓展，教學內(nèi)容循序漸進、難度遞增，遵循學生的學習規(guī)律，有利于培養(yǎng)學生主動建構(gòu)知識體系和提升實踐的能力。通過簡單案例學習基礎(chǔ)知識；復雜案例聚焦程序性、策略性知識，解決了實際工程問題的處理能力、具備了創(chuàng)新意識，體現(xiàn)了課程的高階性、創(chuàng)新性；拓展案例針對能力較強的學生因材施教，設(shè)置進階難度，增加挑戰(zhàn)性[6]。這種設(shè)置契合了高技能復合型人才的培養(yǎng)要求，解決了課程的難點。

2.內(nèi)容的創(chuàng)新性

學生在通過案例進行加工的同時，還要具備操控機床和應(yīng)對機床故障的能力。如下頁圖1 所示，學生需要掌握數(shù)控機床的電氣安裝及接線、數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)調(diào)試、數(shù)控機床故障診斷與維修等技術(shù)。因此，教師可借助虛擬仿真軟件，自定義每個故障并設(shè)置需要解決的故障，然后發(fā)送給學生，學生根據(jù)報警號或故障表象進行排故。課程內(nèi)容整合重組、更新優(yōu)化后時效性更強，更能提升課程教學的產(chǎn)出和成效，契合產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求。教學內(nèi)容既能使知識能力素質(zhì)有機融合，培養(yǎng)學生解決復雜問題的綜合能力和高級思維，又能反映前沿性和時代性[7]。適用于對學生實施個性化教學，達到因“才”施教的目的。對于基礎(chǔ)知識牢固的學生，在完成拓展應(yīng)用的同時，可與企業(yè)對接，進行實際生產(chǎn)，并將實際案例反哺于教學。

圖1 傳統(tǒng)教學內(nèi)容與改革后教學內(nèi)容對比圖

3.將思政元素融入教學內(nèi)容

該課程從知識、技能傳授，轉(zhuǎn)向知識、技能傳授與價值引領(lǐng)的關(guān)聯(lián)，強化專業(yè)知識與思想政治教育的融合[8]。

課前，教師制作融入了思政內(nèi)容的微課，可利用微課制作簡短小故事，在故事中潛移默化地去感化學生，于潤物無聲中實現(xiàn)思政教育，培養(yǎng)學生努力上進、樂觀堅定、心懷家國等精神。

課中，在虛擬加工時嚴謹貼切地導入思政元素，讓學生體悟制造之路的趣味及艱辛。在對機床的性能及操作規(guī)范熟悉后再進行實踐操作，利用真實的機床完成工件的加工。此過程把家國情懷、團隊精神、文化自信等教育理念與知識、技能傳授實現(xiàn)有機融合。

課后，在網(wǎng)絡(luò)教學平臺發(fā)布關(guān)于中國高端數(shù)控機床的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢的相關(guān)信息，增強學生專業(yè)認同意識。

（二） 教學模式、教學方法的革新

1.“理虛實”三維協(xié)同

基于虛擬仿真的優(yōu)勢，數(shù)控加工實訓教學，在傳統(tǒng)的理論講授與實踐操作之間嵌入虛擬仿真，采用“理論講授—虛擬仿真—實踐操作”三維協(xié)同的教學模式。首先，教師進行理論講授、答疑解惑的貫通式互動教與學[9]。其次，理論講授后，借助斯沃數(shù)控仿真軟件進行虛擬教學，讓學生在虛擬機床中反復練習和揣摩，熟悉操作流程，創(chuàng)新加工方法，使得操作質(zhì)量更好、精度更高、效率更快。最后，進行實踐操作。從而達成用理論知識指導虛擬仿真，以虛擬仿真累積的經(jīng)驗進行實踐操作，借實踐操作深化理論知識的學習，形成良好的教學循環(huán)。

（1） 理論講授

理論講授是對先導課程的碎片化知識點串聯(lián)起來，與本項目的新知識點融合，構(gòu)建新的知識體系，為下一步的案例或者項目的完成及可能要應(yīng)對的問題作知識依托。

（2） 虛擬仿真

在掌握理論知識后，借助斯沃數(shù)控仿真軟件進行虛擬操作的教學，該數(shù)控仿真軟件是真實機床的直觀呈現(xiàn)，涵蓋了真實機床的所有功能，能讓師生身臨其境進行沉浸式教與學。教師借助該軟件為學生示范該項目的運行，學生可以借助該軟件反復操作，直至掌握該項目的操作。在葫蘆的編程加工案例中，通過虛擬仿真操作掌握G73指令的格式、應(yīng)用及加工方法。學生首先打開斯沃數(shù)控仿真軟件，選擇FANUC 0iT 系列車床，在回零（建立機床坐標系） 之后，安裝工件與刀具，并進行對刀操作；然后輸入程序，并進行校驗、試運行，點擊“自動—循環(huán)啟動”功能鍵完成葫蘆的加工；最后，加工完成后可通過菜單欄的工件測量功能檢測零件的尺寸、精度是否符合要求，同時“點擊文件—另存為—工程文件”，查看操作失誤及扣分之處，根據(jù)輸出信息的消息模式與評分模式的提示，修改程序并規(guī)范操作，重新按照上述步驟操作并對比工件加工的效率及精度。其中，工程報告文件也是作為自評、互評的重要依據(jù)。

（3） 實踐操作

2.線上線下交叉融合

線上教學已成為課程教學的重要輔助手段，而虛擬仿真教學這一教育形式正好契合線上教學的特點。根據(jù)知識傳授特點，課程的理論講授、虛擬仿真訓練采用線上線下交叉融合方法；實踐操作采用線下教學方法。線上線下融合提升教學效果。

（1） 翻轉(zhuǎn)課堂

數(shù)控加工實訓課程操作性較強且所需的專業(yè)知識寬泛，需要學生掌握機械制圖、公差、制造工藝、機床等多方面的專業(yè)知識，若在課堂線下講授這些內(nèi)容，會受到實訓時間的制約，且學生已經(jīng)在相應(yīng)的課程學過這些知識點，只是還沒有融通起來進行應(yīng)用。所以，教師將這些先導課程的知識點以微課形式上傳到學習平臺，翻轉(zhuǎn)到課前復習回顧，學生線上融會貫通并完成知識檢測。

（2） 對分課堂

課中教師首先講授理論新知識并答疑解惑課前內(nèi)容，然后進行虛擬仿真訓練，在通過虛擬仿真訓練掌握理論知識、熟悉機床的工作原理、操作規(guī)范及故障應(yīng)對方案后，最后再進行真實機床的操作。此過程采用對分課堂——PAD 教學法。將教師的講解（Presentation） 與學生的討論（Discussion） 對分課堂，使所學知識內(nèi)化吸收（Assimilation），該過程線下完成。

教師精講：教師講解時遵循“精講留白”原則，如在葫蘆的編程加工案例中，只講G02/G03/G73 指令的格式、應(yīng)用及參數(shù)的含義。

學生內(nèi)化獨學：至于指令中各參數(shù)數(shù)值的設(shè)定以及怎樣將G73 指令與精加工路徑結(jié)合編制整個葫蘆的程序，則留出空白，由學生根據(jù)教師所講及前面的知識“儲備摸索—虛擬仿真加工嘗試—反思后填補”。

小組討論：先組內(nèi)同學討論，就不能解決的問題展開討論并提出解決路徑，如在G73 中已經(jīng)將切削次數(shù)增大到使每次的切削量很小了，為什么在軟件的任務(wù)欄一直提示小心碰刀。如果這一問題具有普遍性，教師可引導小組間討論，并適時糾正錯誤，確定出適合的方案及參數(shù)數(shù)值。期間教師要對學生填補的空白及討論后確定的方案持肯定、贊揚的態(tài)度，提高學生自主學習的積極性，挖掘?qū)W生自主探究的能力。

隨著社會主義市場經(jīng)濟體制的進步和完善，咨詢行業(yè)越來越規(guī)范管理，工程造價咨詢企業(yè)應(yīng)該在業(yè)務(wù)范圍拓展及創(chuàng)新發(fā)展上下功夫，才能找到未來出路。①要逐步擴大造價咨詢機構(gòu)服務(wù)的社會面，從局部化、碎片化的單一咨詢服務(wù)逐步向投資控制、價值管理、項目管理、資產(chǎn)管理的咨詢服務(wù)轉(zhuǎn)變，全方位、全過程地參與到工程造價的管理與實施中來。積極走出去拓寬業(yè)務(wù)范圍，參與到“一帶一路”建設(shè)大環(huán)境中。②工程造價咨詢企業(yè)應(yīng)當全面開展全過程工程咨詢，積極融合PPP投資咨詢、BIM應(yīng)用、勘察、設(shè)計、監(jiān)理、招標代理等業(yè)務(wù)開展聯(lián)合經(jīng)營，設(shè)立合伙制工程造價咨詢企業(yè)，贏得更大的市場，使企業(yè)在激烈的市場競爭中，立于不敗之地。

對分課堂中，教師只是起引導作用，而課堂真正的主角是學生，通過改變傳統(tǒng)的“教師教—學生學”的單向傳授法，學生的學習效果及創(chuàng)新思維得到提升。在傳統(tǒng)的教學中，學生往往在實訓成果上交時，整個班級的成果大致相同。采用對分課堂后，學生的成果豐富，類型多樣，比如在講了圓弧指令及封閉切削循環(huán)后，學生可以自主學習國際象棋、子彈頭等不規(guī)格圓弧的編程，實踐創(chuàng)新能力有了一定程度的提高。

（3） 自主課堂

受學生知識水平的掌握程度及知識基礎(chǔ)的不同，使得學習成效不盡相同。對于課堂知識未掌握者，課后可通過虛擬仿真軟件及虛擬開放實驗室自主學習，教師根據(jù)需要線上與學生隔空互動，幫助學生掌握所學知識。同時對于已掌握課堂內(nèi)容想拓展學習的學生，教師可線上發(fā)布任務(wù)并予以指導，滿足個性化培養(yǎng)的同時提高了學生獨立分析、解決問題的能力。

（三） 評價體系的完善

1.多維度

以成果導向為理念，構(gòu)建素質(zhì)與能力并重的多維度多元化的全過程評價體系。多維度是將傳統(tǒng)的二維評價（即理論知識、實踐操作） 拓寬為三維評價（即理論知識、虛擬仿真、實踐操作），加入虛擬仿真評價的初衷是為督促學生借助虛擬仿真軟件掌握數(shù)控加工的技術(shù)技能，為后續(xù)的安全操作實踐奠定基礎(chǔ)。

2.多元化

多元化是指增加評價指標，由原來的教師評價，增加為學生自評、學生互評、教師評價，并按照一定比例賦分，同時在這三項評價中，由原來的技能評價轉(zhuǎn)換為素質(zhì)與能力并重的效能評價，因此增加與素質(zhì)評價相關(guān)的指標點，主要包括工作態(tài)度、行為習慣、社會責任和價值觀等，如圖2 所示。

圖2 評價體系圖

3.全過程

課前的理論知識測驗單占比10%，線上通過網(wǎng)絡(luò)平臺測試；課中的線上虛擬仿真訓練占比30%，成績評定依據(jù)虛擬仿真加工視頻與工程報告文件，虛擬仿真軟件導出的工程報告文件中保留了學生操作過程中的所有數(shù)據(jù)，如在圓柱螺塞的加工案例中，工程報告文件中包含加工圖片、毛坯及刀具的選擇情況、編制程序、工藝路線、加工模式及評分模式，評分模式將該生的操控動作按照時間順序排序，錯誤處會當即指出并用嘆號警示，這種大數(shù)據(jù)的“留痕”可以幫助學生尋找問題的突破口，為自主解決問題提供思路；課中的實踐操作，實踐報告占比20%，操作過程及實踐作品占比20%，因?qū)嵺`操作是小組討論協(xié)作完成，所以在實踐報告中，學生要如實將所在組的操作步驟、依據(jù)原理、最后的數(shù)據(jù)和總結(jié)等進行詳細書寫；操作過程及實踐作品視作品的完成情況及個人表現(xiàn)進行學生自評（20%）、學生互評（30%）、教師評價（50%），評價指標有文明禮儀、安全紀律、行為習慣、工作態(tài)度、團隊協(xié)作、工藝方案合理、程序正確等，該類指標根據(jù)案例不同而有不同的設(shè)置，可以科學、合理地評定學生的實踐效能；課后線上的拓展項目占比20%，依據(jù)虛擬仿真視頻及工程報告文件的評定得分。

四、結(jié)語

（一） 整合優(yōu)化教學內(nèi)容

將所有的指令對接到相應(yīng)的工程案例中，學生在完成工程案例的同時自覺主動去探究指令的格式及應(yīng)用，從而掌握了解知識點。眾所周知，學習的過程即舊知識與新知識建立聯(lián)系的過程，學生在解決案例的同時也是促使新舊知識交匯的過程，教師引導，學生主動探究學習，新知識得以內(nèi)化吸收，舊知識得以重新理解，使得所學知識自成知識體系。

（二） 改革教學模式及方法

與虛擬仿真這一信息技術(shù)的融合使得數(shù)控加工的實訓教學更靈活，可線下進行討論式、啟發(fā)式的教學，真正實現(xiàn)課堂教學中以學生為主體，教師只是起到組織、引導、促學的作用；也可將教學空間挪移到線上，進行隔空互動式的教學，給學生留有足夠的思考及內(nèi)化的時間，借此厘清知識點的銜接關(guān)系。

（三） 完善評價體系

考核評價采用網(wǎng)測、機測、實測等多種形式，并在測驗單中增添多項指標，體系比較完備。在網(wǎng)測、機測中，學生的學習情況及學習效果借助網(wǎng)絡(luò)平臺進行，作為過程性考核的依據(jù)，并且保留學習痕跡，進行階段性公布，使學生獲悉自己的學習狀態(tài)。基于大數(shù)據(jù)的量化評價不僅能減少人為的主觀影響，而且能夠根據(jù)評價數(shù)據(jù)進行監(jiān)督，從而提升課程的教學質(zhì)量。