面向智能制造企業需求的數控技術及應用課程教學探索

【Abstract]Guided bythe talentrequirementsofenterprisesandadheringtotheOBEconcept，thisstudyconductsaeform of theCNC TechnologyandApplications course formechanical manufacturing majors.Thereform includes1）curriculum reconstruction，includingredefining teachingobjectives tocultivatestudents’abilitiesinCNC processdesignandCNC equipmentdesignandupdatingandrestructuringteachingcontent，2）teaching methodology innovation，justlikedesigning anadaptivecontrolmodelforinstructionalsesions，introducingan\"interest-driven，project-based\"teachingapproach，and adjustingteachingcontentandformatstoefectivelybridgetheoreticalandpracticalinstruction，and3）learingassssent enhancement，suchasenrichingteachingresources，developingastatedetectortoevaluatestudents'higher-orderabilitiesin solvingcomplexproblems.Throughexploratoryteachingpractices，students'profesionalcompetencieshavesignificantlyimproved.The research outcomes provide valuable references for the reform of other courses.

【Keywords】intelligent manufacturing; CNCtechnology;teachingreform;teachingprojectdriven;learning efectdetector

[中圖分類號］G642 [文獻標識碼]A

[文章編號]1674-3229（2025）02-0115-07

0 引言

智能制造技術是信息技術、先進制造技術以及人工智能的深度融合，在工業界引發了重大變革，企業正在向數字化、網絡化、智能化方向轉型[。伴隨著智能制造技術的興起，新技術、新業態、新生產方式涌現。數控技術作為智能制造領域的關鍵技術之一，企業設置的相關技術崗位也發生著轉變，崗位需求能力也產生了新的要求[2]。在新工科機械類專業人才培養方案中，“數控技術及應用”是一門重要的專業課程，是專業知識體系中的關鍵之一。傳統教學方法簡單，模式比較單一，授課內容基本是按照教材章節講授數控機床結構、數控工藝設計、編程代碼指令等，學生聽起來感到枯燥且實踐能力很難得到鍛煉。而今智能制造領域的數控技術發展迅速，若繼續沿用傳統的教學內容、教學模式、教學方法、教學評價體系將難以適應社會發展需求，因此教學改革勢在必行。

智能制造技術的進步助推著工科院?！皵悼丶夹g及應用\"課程教學改革的步代[3]。目前，國內外針對“數控技術及應用”課程改革的嘗試有過很多成功的案例。國內有學校結合課程教學內容，設計了基于校企融合的“工作坊\"實訓體系[4]，也有些學校建立了以學生自主學習為核心、教師引導支持為支撐的新型課程教學模式，設置混合式教學、虛實結合綜合實驗環節[5]。國外還有很多院?；趯W習模型推動數控技術類課程教學改革[，或者依據CDIO理念設置項目制實踐教學體系[]。本研究基于智能制造企業對數控人才的新要求以及OBE的教學理念，以企業實際崗位需求為出發點，探究基于學生能力輸出培養的新型“數控技術及應用”課程教學模式，通過實施課程教學改革策略，以期提升學生的綜合素質與教學效果，培養高素質的數控技術人才滿足社會需求。

1智能制造企業需求

智能制造技術的發展催生企業產生很多新的崗位。在智能工廠領域需要數控系統開發工程師、功能及邏輯架構師、柔性制造系統集成工程師、智能產線調試工程師等新型崗位；在工業數字化領域，高端數控機床結構數字化設計師、數控多軸加工工程師也成為用人單位青睞的對象；在設備服務領域，數控加工管理工程師、智能生產線運行工程師等都是目前企業急需的人才。制造行業智能化升級推動著與數控技術相關的傳統工作崗位轉型，與人才崗位需求相對應的學生業務能力需求也隨之發生著變化。企業對學生的能力需求逐步演進為數控裝備建模能力、數控裝備應用能力以及數控系統應用能力等方面。其中，數控裝備建模能力要求從業人員能夠進行數控機床典型結構部件設計、計算機輔助設計軟件應用、數控系統軟件與硬件系統設計；數控裝備應用能力要求從業人員能夠進行數控多軸編程、設計數控工藝、計算機輔助制造軟件應用；數控系統應用能力包括數控機床孿生系統搭建、數據管理與挖掘等。以智能制造企業需求為導向，以學生能力輸出為牽引，以知識點重構為基本手段，將“數控技術及應用\"課程承載的能力任務分解為數控工藝設計能力和數控裝備設計能力[8]，其中每個能力范疇又細化為不同的末端，學生能力拓撲如圖1所示。

2基于企業需求的“數控技術及應用\"課程教學改革策略

2.1“數控技術及應用\"課程教學目標更新設計

數控技術是傳統的機械制造技術與微電子、計算機、信息處理、控制理論、檢測技術等多學科融合?！皵悼丶夹g及應用\"課程的任務是培養學生掌握數控技術方面的基本理論和基礎知識。

原有教學目標：通過學習數控技術基本理論和基礎知識，掌握數控機床結構及數控系統的基本組成；學習數控車床和數控銑床及加工中心編程步驟，理解數控機床的基本工作原理。在原有教學目標基礎上，以學生最終獲得的能力作為導向，圍繞畢業要求進一步對教學目標進行以下更新：通過學習數控技術基本理論和基礎知識，理解數控機床及數控系統基本組成，列舉典型數控系統所具備的功能，能夠對數控機床的典型機械結構進行建模，分析數控機床的機械結構；通過數控車床和數控銑床及加工中心編程部分內容的學習，能夠分析零件圖樣，制定工藝路線，編制零件加工程序并進行仿真；理解數控系統的組成與基本工作原理，能夠對數控系統插補算法進行改進設計，具備對檢測元件進行維護和維修的能力。

更新課程目標旨在培養學生具備數控機床機械結構分析初步能力，具備分析零件圖樣、選擇數控機床、制定工藝路線、選擇刀具和夾具、編制零件加工程序并進行加工仿真等工作的能力，培養學生分析問題與解決問題能力、良好的工程意識、科學認真的工作態度。除此以外，進一步凝練能力目標，學生還應具備良好的表達能力、團結合作能力，需要具備創新意識、節約意識、職業素養以及責任擔當，并充滿自信地投入學習，成為具備持續創造力的高素質工程技術人才。

2.2“數控技術與應用\"課程內容更新與重構

2.2.1課程內容更新

伴隨著智能制造技術的發展，逐步在教學中引入智能機床相關內容。圍繞數控系統和數控機床的智能化，基于智能制造關鍵梳理技術脈絡，補充數控系統、數控機床等方面的智能應用技術。具體更新內容包括：智能數控系統概況與體系結構、智能數控機床功能、智能數控機床信息物理系統模型特征與結構配置、數控機床面向智能化的高性能技術、數控加工工藝及其智能化措施、智能數控機床加工程序編制等內容，充分讓學生了解最新的智能制造發展動態以及智能數控機床關鍵技術。

2.2.2課程內容重構

以往的“數控技術及應用”課程安排都是按照選定教材講解各個章節，學生的理論學習與實踐環節存在一定的時間跨度。在教學改革中，將傳統的教學內容體系進行解構與重構，如表1所示。按照培養能力的要求，基于高階性、創新性與挑戰度特征將課程內容調整為不同的模塊，各個模塊承擔的學生拓展能力循序漸進。

重構之前的“數控機床加工與編程\"教學單元主要講授數控加工的工藝特點、數控機床刀具與夾具、編程基礎指令、數控車床與鏜銑床程序編制。重構該部分內容時以解決“典型零件數控工藝問題\"為牽引，設置軸類零件數控工藝、盤類零件數控工藝、平面類零件數控工藝、曲面類零件數控工藝、復雜零件數控工藝等幾個教學項目，引導學生在學習編程時直接將基礎知識應用到具體的項目中，不僅培養學生基本的讀圖、識別材料、編制數控工藝等能力，而且鍛煉學生通過學習基礎知識解決圖紙零件的制造問題，提升學生處理復雜工程問題的高階思維能力以及學習興趣。在典型的平面類零件數控工藝與設計項目環節，各個小組分到的圖紙不同，工藝方案各異，組內成員必須經過討論確定合適的工藝方案，體現了創新性的要求。通過課堂項目指導，學生需要在掌握課堂講授算法基礎上通過自學C語言對不同象限插補算法進行改進設計，為今后從事新型數控系統開發儲備必要技能。

2.3改進\"數控技術及應用\"課程教學方法

2.3.1構建教學過程動態控制系統模型

在“數控技術及應用\"教學過程中，將教學環節作為一個系統的運行過程，通過建立自適應控制模型動態調整授課內容。所搭建的教學環節自適應控制系統模型如圖2所示。圖2中，任課教師首先需要了解學情，從而適應該專業、該年級學生的學習需求。內環是由調節器和授課班級學生組成的普通反饋回路，而調節器的輸出則以任課教師為主體，通過帶自適應功能的外環來調整。參考系統的輸出 y_?m 是基于教學大綱、應用教學資源 y_r 得出的學生理想能力輸出響應。在教學活動進行過程中，系統的實際輸出響應 y_p 與參考模型的輸出響應 y_?m 產生偏差 ρ_e 。任課教師需要捕捉到這些偏差，驅動自身從各個方面去調整，即通過改進教學方法、補充教學資源，產生調節動作去改變授課輸入 u ，使得學生的學習效果真實輸出 y_p 與 y_?m 接近，最終使得偏差 e 達到合理的預期范圍。

2.3.2引入項目制教學法

通過在教學環節引入“興趣牽引，項目驅動”的方法，實現理論教學與實踐教學有效銜接，督促學生挑戰復雜工程技術問題。教學組織模式：1名主講教師 +1 名企業導師合作授課 + 學生教學助手（組長），帶動1個班級完成工作任務?；谂d趣牽引的項目制教學法在實施中教學效果良好。首先，項目制教學鍛煉了學生分析問題與解決問題的能力、認真專注的工作態度、開拓創新的品質。數控加工所面臨的問題很多，例如：難加工材料、形狀復雜的工件、高精度的尺寸要求、熱處理要求等。項目要求學生認真對待每個尺寸要求，以此鍛煉學生專注的工作態度與創新設計工藝的意識。此外，項目制教學使得學生團隊意識逐步增強。通過預留項目作業，分小組開展匯報與考核，培育學生的創新意識，提高課程教學的時效性。學生在完成項目作業的過程中，任務分配的各個點之間產生有效銜接，大大提高了學生團隊合作的品質。

2.4補充“數控技術與應用\"課程教學資源

利用學習通、精品課資源、實驗室、生活環境等線上線下教學平臺和資源，構建多角度立體教學空間[。為了促進課程教學模式改革的實施，在原有教學資源基礎上進行了補充。首先，教學中充分采用學習通平臺進行任務發布、習題解答、考試、成績匯總、問卷調查等，學生依據學習通發布任務進行預習，充分利用線上資源了解相關技術知識。其次，給學生提供國內其他院校的精品課鏈接，督促學生從線上共享課程資源汲取知識；建設智能制造工程實驗室，開發與本課程相關的實驗項目，包括多軸數控加工、數控系統接線、數控系統硬件系統與軟件系統故障排查、數控系統參數識別、主軸變頻調速等項目提供實踐教學平臺。最后，引進和開發與數控技術相關的教學案例、教材、參考書、教學視頻等，并與數控機床制造企業合作，搭建數控實踐教學資源平臺，確保學生接觸到行業內先進數控機床與系統。

2.5教學評價過程創新舉措

通過創新設計學生學習效果的狀態檢測器，將知識、能力、素質考核進行有機融合，檢測學生解決復雜問題的高階能力。依據課程培養目標與能力要求，確立6個檢測點，每個點設置權重，最后綜合評價學生獲取能力情況。學習效果運行路線如圖3所示。培養學生能力遵循由易到難、逐步實施的原則。學生的學習狀態存在著迭代關系，將學生學習狀態定義為以下模型：

其中， x_k 為學生在整個課程學習中不同時期的學習狀態，各個階段的狀態是個不斷迭代進階的過程。隨著學生對新知識的理解和應用，其專業認知能力也在逐步提升?？臻g模型中 u_k 為教師授課輸入，包括針對學生給定的課內項目； y_k 為不同時期效果評估結果，最后按權重求出最終評價結果。

3“數控技術及應用\"教學改革策略實際應用

以重點章節“數控機床加工與編程”為例簡要敘述以上改革策略在實際教學中的應用情況，如圖4所示。此章節主要包括數控銑削零件的特征、工藝安排基本原則與路線制定步驟、數控銑削零件加工程序編制等內容。本節的主要教學目的是讓學生了解數控銑削零件特征、編制數控工藝策略、數控銑削零件程序編制步驟和注意事項。課前，對于數控銑削零件的特征、工藝安排基本原則等內容提前在學習通平臺發布課件、視頻供學生自學，并且發布本階段數控銑削零件工藝設計項目任務，即按照不同組別要求給定學生圖紙任務，學生需要按照給定圖紙要求繪制立體模型、編制數控工藝、編制數控程序并在軟件進行仿真測試，而后進行實踐鍛煉。課中，教師講授數控銑削工藝路線以及代碼使用注意事項，通過課堂提問形式，依據回答問題情況給出學生得分。課后，學生通過分析、小組討論、任務分配而后展開項目設計：建模畫出工程圖、確定工藝路線、編制數控加工程序、仿真。每個環節均給出相應的得分，最后通過項目答辯結束本項目，將學生分階段得分匯總可得最終分數。整個環節中教師充分依據學生對新知識理解、新技能掌握的認知特點，按照“項目認知（理解原理）一仿真測試（軟件訓練）一真實機床（掌握技能）\"的模式組織教學，充分激發學生的學習興趣并鍛煉學生團結合作的能力[10]。

4“數控技術及應用\"教學改革實施效果

通過進行教學改革，教師變為主導，學生轉變為主體。按照項目任務要求，教師給學生零件圖紙或者參考插補程序，布置項目任務，學生進行工藝分析、算法改進設計、數控工藝設計與編程加工。依據教學大綱制定評價標準。教師通過項目指導學生獨立進行畫圖、編程、仿真、數控機床加工等過程，讓學生在做中學、學中做。在教學項目實施環節中，學生項目成果包括圖紙、編程、軟件仿真，如圖5所示。實踐環節鍛煉了學生機床應用能力，加工的工件如圖6所示。

選取2017-2020級的樣本教學班，每年抽取1個教學班統計各個課程目標的達成情況，教學班1的課程目標達成度分別為0.818、0.767、0.830；教學班2的課程目標達成度分別為0.811、0.753、0.776；教學班3的課程目標達成度分別為0.825、0.776、0.785；教學班4的課程目標達成度分別為0.850、0.811、0.785，達成度分布情況如圖7所示。從圖中可以看出，課程目標達成度逐年提升。此外，與改革之前對比，學生的專業認知、學習習慣、專業實踐能力等方面都有了顯著提升，具體情況如表2所示。

5結語

本文基于OBE教學理念，從企業所需學生就業能力出發，針對“數控技術及應用\"課程傳統教學中存在問題展開研究并進行實踐檢驗。教學改革以智能制造技術發展為背景，以培養具備創新設計能力和工程應用能力的高質量工程技術人才為目標；通過調整課程培養目標，引入“興趣牽引，項自驅動\"教學模式，有效提升了學生的“數控工藝設計能力”和“數控裝備設計能力”；通過創新設計授課過程環節的自適應控制器，持續跟蹤教學效果并可及時調整授課內容與授課形式；通過設計學生學習效果檢測器，提出了檢測學生處理復雜問題學習效果評價方法。改革效果顯示學生的專業能力、團結合作、創新能力得到顯著提升。課程改革取得了良好的效果，對其他專業課具有一定的參考價值。

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責任編輯 曹秀利