深度學習視閾下CVS驅動的高職《數(shù)控多軸加工技術》混合式教學模式研究

摘 要：隨著信息技術的飛速發(fā)展，深度學習和混合式教學模式在高職教育中的應用日益廣泛。本文基于深度學習理論，探討“案例（CASE）+虛擬仿真（VIRTURAL SIMULATION）（簡稱CVS）驅動高階能力建構”的《數(shù)控多軸加工技術》混合式教學模式，旨在通過線上線下融合的教學方式，提升學生的專業(yè)技能和創(chuàng)新能力。研究通過課程內容優(yōu)化、職業(yè)能力培養(yǎng)和技能訓練相結合的方式，構建了以學生為中心、以實踐為導向的教學模式，實踐結果表明，該模式能夠顯著提高學生的學習效果和職業(yè)素養(yǎng)。

關鍵詞：深度學習 CVS驅動 混合式教學模式 高職教育 數(shù)控多軸加工技術

現(xiàn)代職業(yè)教育下，混合式教學模式由于整合線上資源便捷性與線下教學互動性強等特點而成為促進教學質量提升的重要途徑。《數(shù)控多軸加工技術》是高職院校機械制造類各專業(yè)核心課程之一，其實踐性較強，技術更新較快。如何以深度學習理論為基礎，在“CVS 驅動高階能力建構”下構建有效混合式教學模式是高職教育改革中的一項重要任務。

1 深度學習對CVS驅動的高職《數(shù)控多軸加工技術》混合式教學模式的影響

深度學習，作為一種強調高階思維能力培養(yǎng)的教育理念，正在深刻地改變高職教育的教學模式，尤其是在“CVS 驅動高階能力建構”下的《數(shù)控多軸加工技術》課程中。

從知識理解的維度來看，深度學習幫助學生突破了傳統(tǒng)淺層認知限制。《數(shù)控多軸加工技術》涵蓋了復雜數(shù)控編程原理，多軸機床的操作技巧和加工工藝參數(shù)優(yōu)化方面的知識。傳統(tǒng)教學中學生通常只對指令代碼及操作步驟進行機械記憶，很難接觸到其背后深層次的原理。并在深度學習的指導下，帶領學生發(fā)掘知識內在邏輯，對刀具路徑規(guī)劃與坐標變換兩大多軸加工核心概念進行了深度剖析，能夠使學生體會數(shù)控加工本質，達到知識融會貫通。以五軸聯(lián)動加工學習為例，深度學習引發(fā)了學生對不同坐標軸間運動協(xié)同關系的思考，也引發(fā)了學生如何根據(jù)被加工件的外形及精度要求來合理地設置各個坐標軸運動參數(shù)的思考，而不僅僅是死記硬背一成不變的操作過程。

深度學習對于提高學生問題解決能力也非常顯著，對于《數(shù)控多軸加工技術》這門課程來說非常關鍵。在基于“CVS 驅動高階能力建構”的混合式教學模式中，學生所面臨的已經(jīng)不是簡單的理論練習題了，而更多的是一個現(xiàn)實而復雜的數(shù)控加工場景。深度學習促進了學生利用已學知識對加工精度超差，刀具磨損過快等零件在實際加工中存在的問題進行了分析，并且有針對性地提出了優(yōu)化加工工藝和調整刀具參數(shù)等解決辦法。這一理論向實踐轉化的過程充分體現(xiàn)了深度學習在解決實際問題中運用知識的思想，切實地促進了學生實踐能力和綜合素質的提高，也為他們今后職業(yè)發(fā)展打下了堅實的基礎。

2 混合式教學模式特點

深度學習視閾下“CVS 驅動高階能力建構”的高職《數(shù)控多軸加工技術》課程混合式教學模式將各種先進教育理念與技術有機地結合在一起，顯示出獨有的特色。（1）教學環(huán)境虛實結合。CVS驅動把虛擬數(shù)字世界和現(xiàn)實物理世界緊密結合起來，給學生營造沉浸式學習環(huán)境。在虛擬世界，學生可使用數(shù)控仿真軟件對多軸加工進行仿真操作，借助虛擬機床對刀具路徑、加工過程及零件成型效果等進行直觀觀察，規(guī)避實際作業(yè)過程中設備損耗及安全風險。同時在現(xiàn)實物理世界，學生可以在實訓車間內完成數(shù)控多軸加工的真實操作，切身感受機床操作、刀具切削和零件加工等過程，實現(xiàn)虛擬學習理論知識向實際技能的轉變。該虛實結合教學環(huán)境不僅符合學生實踐操作需要，也為深度學習的開展提供了大量場景與資源。（2）突出以學生為主體的教學理念。這種混合式教學模式區(qū)別于以教師講授為中心的傳統(tǒng)模式，它把學生放在了教學的中心。教師已經(jīng)不是知識的灌輸者了，而應該成為學習的引導者、促進者。教師在進行教學時，結合學生學習特點與需要，精心設計個性化學習路徑與任務，促使學生進行自主探究與合作學習。比如在項目教學時，教師提出了數(shù)控多軸加工實踐項目，由學生分組獨立查閱材料并擬定加工方案、開展編程與操作，教師在學生有困難的時候予以引導與扶持。這一學生主體教學理念全面調動學生學習的積極性與主動性，發(fā)展學生自主學習能力與創(chuàng)新思維。（3）深度整合課程資源。深度學習視域中的教學資源已不囿于教材與課堂講授，而覆蓋線上與線下各種形式。線上資源有大量教學視頻、虛擬仿真軟件、線上測試題庫、互動論壇，讓學生隨時隨地學習交流。線下資源又包含實訓設備、企業(yè)實際案例、專家講座，給學生提供實踐操作及與行業(yè)專家溝通的機會。這幾種資源互為補充，深度整合，對學生深度學習起到全方位支撐作用。比如學生學習數(shù)控編程，首先可通過線上教學視頻學習編程基本原理與方法，再借助虛擬仿真軟件實踐，最后通過實訓車間中對機床的實際操作對其編程成果進行驗證，從而形成了學習閉環(huán)。

3 混合式教學模式的實施方法

3.1 創(chuàng)設身臨其境的學習氛圍

“CVS驅動高階能力建構”作為深度學習視域中混合式教學模式得以推行的依據(jù)，其目的在于給學生創(chuàng)設高度沉浸和真實感的學習環(huán)境[2]。從硬件設施上看，學校要裝備先進的數(shù)控多軸加工設備，數(shù)控設備要覆蓋普通三軸、四軸、五軸機床，并具有高精度運動控制與加工能力。利用傳感器來實時收集機床的各種運行數(shù)據(jù)，例如主軸的轉速、進給的速度和刀具的位置等，并把這些信息傳送到虛擬仿真平臺上。虛擬仿真平臺中，學生可實時觀察機床運行狀態(tài)、仿真不同加工場景、規(guī)劃刀具路徑、調試數(shù)控程序。如在對某復雜葉輪零件進行加工時，學生可在虛擬環(huán)境下基于葉輪三維模型進行刀具路徑設計和加工參數(shù)設定，再傳送數(shù)控程序至實際機床加工。加工過程中，學生可通過監(jiān)控界面對機床運行狀態(tài)進行實時觀測，并將虛擬仿真結果和實際加工效果進行比較，適時對加工參數(shù)進行調整，達到虛實結合深度學習。同時，為了增強學習的沉浸感，還可以利用虛擬現(xiàn)實（VR）和增強現(xiàn)實（AR）技術。通過VR技術使學生能夠沉浸在虛擬數(shù)控加工車間內，對機床結構、操作流程等進行近距離觀測，并在加工時感受切削聲音、振動。AR技術能夠把虛構的數(shù)據(jù)疊加到真實的機床設備上，為學生提供即時的操作建議和方向。比如學生正在操作機床，AR眼鏡就能顯示當前操作步驟提示、注意事項和錯誤糾正方法等信息，有利于學生更精準地完成作業(yè)，增強學習效果。

3.2 線上與線下的整合——課程資源的優(yōu)化配置

線上與線下的整合是深度學習中至關重要的一環(huán)，它通過課程資源的合理配置來適應學生多樣化學習需求[3]。在線上資源建設上，要發(fā)展豐富的數(shù)字化教學資源，錄制優(yōu)質教學視頻覆蓋數(shù)控多軸加工技術各知識點，內容涉及數(shù)控編程基礎、多軸加工工藝和機床操作及維修。教學視頻要運用講解、展示、案例分析等多樣化教學方法來適應不同學生的學習風格。同時構建了虛擬仿真實驗平臺，使學生能夠在虛擬環(huán)境下完成數(shù)控加工仿真操作。虛擬仿真實驗平臺應該具有交互性好，操作方便，功能齊全，能模擬多種復雜加工場景及故障，有助于學生操作技能及故障排除能力的提升。另外，還應該建立一個在線學習社區(qū)來便于同學間的溝通與互動。學生可通過社區(qū)交流學習心得，探討問題，交作業(yè)及作品等，教師還能通過社區(qū)進行及時的引導與反饋。

線下教學中應發(fā)揮實訓教學優(yōu)勢。合理地安排實訓課程，給學生充分的實際操作練習時間。實訓教學要運用項目教學法，把實際加工項目分解成若干子任務，使學生在任務完成過程中循序漸進地掌握數(shù)控多軸加工技術。以某箱體零件加工實訓為例，要求學生完成零件圖紙分析，工藝規(guī)劃，編程，對刀和加工等系列工作，學生通過實際操作可以把在線所學理論知識和實際技能有機結合起來，增強綜合能力。同時請企業(yè)專家進教室進行演講及現(xiàn)場指導。企業(yè)專家實踐經(jīng)驗豐富，能給學生帶去業(yè)內最新動向及在實踐中解決問題的辦法，開闊學生的眼界。

3.3 任務驅動設計——與深度學習的目標相吻合

任務驅動設計作為深度學習視域中教學模式的一種重要實現(xiàn)手段，它通過設計富有挑戰(zhàn)性且有現(xiàn)實意義的任務來引領學生積極主動地進行學習與探索。

任務設計要緊緊圍繞課程目標與實際生產(chǎn)需求進行。《數(shù)控多軸加工技術》這門課的任務可劃分為3個等級：基礎任務，綜合任務，創(chuàng)新任務。基礎任務以培養(yǎng)個別知識點或者技能點為主，比如簡單零件數(shù)控編程，機床基本操作等，有利于學生對基礎知識與技能的掌握。綜合任務要求學生將所學的知識和技能綜合運用，以完成一個相對復雜的加工任務，例如一個中等復雜度的模具加工。綜合任務完成過程中學生需經(jīng)過零件圖紙分析，工藝規(guī)劃，編程及加工調試等系列操作，以培養(yǎng)其綜合應用能力及解決問題的能力。創(chuàng)新任務的目的是激發(fā)學生的創(chuàng)新思維，對當前的加工技術進行優(yōu)化或尋找新的加工方式。比如讓學生試著用人工智能算法來優(yōu)化數(shù)控加工過程，以提高加工的效率與質量。

任務設計應該要有一個清晰的目標與要求，每項任務要對工作背景、工作目標、完成標準、時間限制等有明確的規(guī)定。如某綜合任務，讓學生用2周時間完成汽車發(fā)動機缸體多軸加工。任務的背景設定是為某汽車生產(chǎn)公司提供發(fā)動機缸體的一系列加工服務，其主要目標是根據(jù)公司的設計圖紙和質量要求來完成缸體的制造工作，完成標準包括零件尺寸精度，表面粗糙度和形位公差，以2周為限。明確目標與要求可以使學生對所需完成的任務有一個清晰的認識，并對工作成果進行評估，從而提高學習效率與質量。教師要發(fā)揮引導者與支持者的作用來完成任務，教師在教學中應指導學生進行任務分析并制定解決方法，鼓勵學生自主探究與嘗試。在學生有困難的時候，教師應該及時進行引導與幫助，但是不能直接告訴學生答案，而應該引導學生自己去思考、去解決問題。比如在編程過程中學生出現(xiàn)錯誤，教師可指導學生對程序代碼進行核對，并對錯誤產(chǎn)生的原因進行分析，從而使學生能夠自主地尋找問題的解決途徑。

3.4 小組協(xié)作機制——加強團隊實踐能力的培養(yǎng)

小組協(xié)作機制作為發(fā)展學生團隊實踐能力與溝通協(xié)作的重要途徑，對深度學習視域內混合式教學模式有著重要影響。

合理分組為小組協(xié)作提供了依據(jù)。教師在教學中要依據(jù)學生的學習能力，性格特點以及興趣愛好來對其進行劃分，以保證每一個組員都有不一樣的優(yōu)點與特色，可以互相取長補短，互相學習。各組學生數(shù)量一般為4-6人較為合適，數(shù)量過多會造成一些學生參與度較低，數(shù)量過少會使小組協(xié)作優(yōu)勢發(fā)揮不出來。如在一個組內，可由編程能力強的同學負責編制數(shù)控程序，由工藝分析能力強的同學承擔加工工藝的制定，一些操作技能嫻熟的同學負責機床運行，一些溝通能力強的同學負責小組和教師及企業(yè)的溝通協(xié)調工作。在開展小組協(xié)作時，明確各成員之間的分工協(xié)作與責任。接受任務時，組員要一起商量，并按自己的長處、專長分工合作。每一位成員在明確自身任務與職責的前提下，應該對其他成員的內容有一定的理解，這樣才能更好地配合。比如在執(zhí)行復雜零件多軸加工工程中，承擔編程任務的同學應和承擔工藝分析任務的同學緊密配合，按照工藝要求，編制出合理的數(shù)控程序；負責運算的同學應按編程及工藝要求精確運算以指導機床處理。以分工為基礎，各組之間應建立一套行之有效的溝通機制，并定期舉行小組會議交流進展情況、探討所碰到的問題及解決方法。

教師在小組協(xié)作的過程中，應該加以監(jiān)控與引導。小組協(xié)作時，教師應該密切注意各小組的工作進度，發(fā)現(xiàn)問題及時引導。在組內存在分工不合理，交流不順暢的情況下，教師應該及時指導組內進行調整與完善。同時教師在教學中應鼓勵組間交流與競爭，在組間組織成果展示與經(jīng)驗分享等活動，以調動學生學習積極性與增強團隊合作。如定期舉辦組間項目匯報會，各組展示各自加工成果及項目執(zhí)行過程，其他各組提出問題并加以評估等，教師進行總結評論，以此帶動組內互相學習、共同進步。

4 結語

深度學習視閾下CVS驅動的高職《數(shù)控多軸加工技術》課程混合式教學模式的探索為促進教學質量和學生能力的提高開辟了一條新途徑。實踐表明，這一模式有效地調動了學生學習的主動性，加強了理論聯(lián)系實際的力度。今后，需要不斷優(yōu)化教學細節(jié)、跟隨技術發(fā)展不斷更新教學內容、強化師資培訓等，使這種創(chuàng)新的教學模式能夠對高素質數(shù)控人才的培養(yǎng)起到更大的作用。

基金項目：湖南省職業(yè)院校教育教學改革研究項目：深度學習視閾下“CVS驅動高階能力建構”的高職混合式教學模式研究與實踐——以數(shù)控多軸加工技術課程為例（編號：ZJGB2022783）。

參考文獻：

[1]李華.高職院校數(shù)控技術課程實踐教學改革探討[J].職業(yè)教育研究，2023（5）：34-37.

[2]張偉.校企合作模式在數(shù)控技術教學中的應用研究[J].現(xiàn)代職業(yè)教育，2022（9）：22-25.

[3]王強.基于項目驅動的數(shù)控技術教學改革實踐[J].中國職業(yè)技術教育，2023（12）：18-21.