基于工作過程導(dǎo)向的多軸加工專業(yè)數(shù)字化資源開發(fā)路徑研究

馬長春 鹿曉寧 程華

摘 要：本文根據(jù)北京汽車技師學(xué)院多軸加工專業(yè)數(shù)字化資源的開發(fā)案例，提出將“資訊—計劃—決策—實施—評估—反饋”的工作過程理論引入資源開發(fā)過程，總結(jié)出“解析人才模型—確定學(xué)習(xí)場景—選定實驗DEMO—制作交互式資源”的四步驟開發(fā)路徑。聚焦學(xué)習(xí)場景設(shè)計難題，創(chuàng)新性地提出“確定學(xué)習(xí)路徑—設(shè)計學(xué)習(xí)場景—設(shè)計交互行為—素材收集”的四步驟開發(fā)策略，為同類型數(shù)字化資源的開發(fā)提供了可參考的路徑。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化資源 多軸加工 開發(fā)路徑 工作過程

隨著供給側(cè)改革的深入和產(chǎn)品的不斷升級，多軸加工技術(shù)和設(shè)備以加工精度及加工效率較高的優(yōu)點廣泛應(yīng)用于航空航天、交通運輸、設(shè)備制造等高端制造業(yè)。由此，社會對多軸加工技能人才的需求也隨之增大，對人才培養(yǎng)的數(shù)量和質(zhì)量都提出了更高的要求。但由于多軸機床設(shè)備昂貴、實訓(xùn)成本居高不下等原因，多軸加工專業(yè)的實訓(xùn)學(xué)時始終難以增加。

在國家“互聯(lián)網(wǎng)+”行動計劃的大背景下，北京汽車技師學(xué)院以構(gòu)建多軸加工專業(yè)學(xué)習(xí)資源為導(dǎo)向，嘗試將“資訊—計劃—決策—實施—評估—反饋”的工作過程理論融入開發(fā)過程，形成了學(xué)做一體的學(xué)習(xí)資源，為提升多軸加工技能人才的培養(yǎng)質(zhì)量奠定了基礎(chǔ)。

一、多軸加工技能人才培養(yǎng)的現(xiàn)狀和困境

北京汽車技師學(xué)院于2017年開設(shè)多軸加工專業(yè)，涵蓋中級工、高級工、預(yù)備技師三個層級，為現(xiàn)代制造企業(yè)培養(yǎng)多軸加工技能人才。多軸加工專業(yè)開設(shè)了文化課程、數(shù)控類專業(yè)基礎(chǔ)課程及面向多軸加工的專業(yè)核心課程。其中，多軸編程與加工技術(shù)課程是多軸加工專業(yè)的核心課程，旨在培養(yǎng)該專業(yè)學(xué)生五軸數(shù)控機床操作及加工等多方面的綜合能力。

為保障多軸加工專業(yè)的教學(xué)質(zhì)量，北京汽車技師學(xué)院先后斥資千萬余元購進了十余臺DMU50等型號的五軸數(shù)控機床用于多軸加工專業(yè)教學(xué)。采取“做中學(xué)、學(xué)中做”的理實一體化教學(xué)模式，學(xué)生可在工作頁的引導(dǎo)及教師的指導(dǎo)下完成技能的學(xué)習(xí)與訓(xùn)練，實現(xiàn)了師生間的合作化學(xué)習(xí)，有效提高了學(xué)生的專業(yè)能力。

但受高端機床設(shè)備購置價格高昂等因素困擾，多軸加工專業(yè)教學(xué)依舊存在學(xué)生人數(shù)與設(shè)備工位數(shù)不匹配、學(xué)生有效訓(xùn)練學(xué)時偏少等問題，教學(xué)效果不理想。

同時，學(xué)生在進行五軸數(shù)控機床入門操作學(xué)習(xí)時，由于缺乏經(jīng)驗、操作不熟練等多方面原因，常常出現(xiàn)設(shè)備損壞、危險操作等問題，從而導(dǎo)致培訓(xùn)成本大幅提升，使訓(xùn)練工位不足等問題更加突出。

因此，如何在入門階段利用數(shù)字化的手段改進學(xué)習(xí)方式、提高訓(xùn)練效率，成為多軸加工專業(yè)發(fā)展亟須解決的問題。

從多軸加工專業(yè)現(xiàn)有的學(xué)習(xí)資源來看，主要以書籍等參考資料為主，涉及的內(nèi)容主要是針對五軸數(shù)控機床的操作和CNC編程軟件的功能指令的學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)內(nèi)容碎片化，不利于學(xué)生形成系統(tǒng)性的邏輯思維。

北京汽車技師學(xué)院嘗試采用超星、暢課等網(wǎng)絡(luò)平臺，以及虛擬仿真技術(shù)、VR/AR、微課、視頻及圖片、Flash動畫、網(wǎng)絡(luò)視頻資源等多種教學(xué)手段輔助多軸加工專業(yè)教學(xué)。這些信息化教學(xué)手段雖然在一定程度上促進了多軸加工專業(yè)的教學(xué)質(zhì)量提升，但與多軸加工專業(yè)教學(xué)過程的結(jié)合度較低，且不能實現(xiàn)良好的教學(xué)互動。

二、基于工作過程導(dǎo)向的數(shù)字化資源開發(fā)路徑構(gòu)想與設(shè)計

基于上述原因，北京汽車技師學(xué)院擬開發(fā)面向多軸加工專業(yè)的數(shù)字化資源，使學(xué)生在進行實際機床操作之前就熟悉并掌握五軸數(shù)控機床的主要知識和技能，為實際上機操作打下基礎(chǔ)，有效加快了學(xué)習(xí)進程、提高了學(xué)習(xí)效率，最終形成了“模擬練習(xí)+上機實操+頂崗實習(xí)”相結(jié)合的三位一體的多軸加工專業(yè)人才培養(yǎng)模式。

結(jié)合北京汽車技師學(xué)院課程改革成果，筆者依據(jù)“資訊—計劃—決策—實施—評估—反饋”的工作過程理論，結(jié)合多軸加工技能人才職業(yè)能力要求，構(gòu)想并設(shè)計了“解析人才模型—確定學(xué)習(xí)場景—選定實驗DEMO—制作交互式資源”四步開發(fā)路徑，具體如下。

（一）解析多軸加工技能人才模型，識別人才成長路徑

通過對多個數(shù)控加工企業(yè)進行充分調(diào)研，筆者發(fā)現(xiàn)企業(yè)對多軸加工技能人才的崗位需求主要集中于機床操作、CNC編程、工藝編制、產(chǎn)品質(zhì)量檢驗及技術(shù)支持等幾個方面。通過崗位調(diào)研及對多軸加工崗位工作過程的分析，筆者確定多軸加工各崗位所需要掌握的主要技能。

從崗位發(fā)展曲線看，多軸加工專業(yè)畢業(yè)生所從事的崗位工作涉及初級、進階和高級三個階段。

初級階段主要涉及機床操作類工作，需要掌握識讀圖紙、選配刀具、多軸數(shù)控機床基本操作等職業(yè)能力，其中基本操作涵蓋機床開關(guān)機、坐標(biāo)軸移動、工件找正、對刀操作、3D Quickset、校準(zhǔn)回轉(zhuǎn)軸等。

進階階段主要涉及數(shù)控編程和加工崗位，需要掌握閱讀圖紙，使用Mastercam等軟件編制加工程序、操作多軸機床進行零件加工等職業(yè)能力。

高級階段則需要掌握加工工藝制定、工裝夾具設(shè)計、加工質(zhì)量管理、技術(shù)支持等職業(yè)能力。

崗位發(fā)展的三個階段是逐步遞進、終身發(fā)展的過程。其中，初級階段主要是進行多軸加工基礎(chǔ)操作技能的學(xué)習(xí)。該階段是多軸加工技能人才成長路徑的基礎(chǔ)期和塑造期，是技能型人才知識和技能的積累階段，在整個技能人才成長過程中發(fā)揮著重要的作用。

（二）確定多軸加工學(xué)習(xí)場景，構(gòu)建數(shù)字化資源框架

圍繞多軸加工技能人才成長過程中初級階段的培養(yǎng)目標(biāo)，以多軸加工專業(yè)的崗位能力需求為依據(jù)，以“資訊—計劃—決策—實施—評估—反饋”的完整工作過程理論為出發(fā)點，結(jié)合多軸加工專業(yè)的人才培養(yǎng)方案及課程標(biāo)準(zhǔn)，建立了數(shù)字化資源場景框架，將多軸加工技能人才入門學(xué)習(xí)內(nèi)容聚焦在設(shè)備識別和開關(guān)機、坐標(biāo)系建立、軸移動操作、刀具識別、精度標(biāo)定、工件找正6個關(guān)鍵模塊，每個關(guān)鍵模塊根據(jù)崗位能力要求細(xì)分為20個子模塊。

其中，設(shè)備識別和開關(guān)機模塊細(xì)分為五軸加工中心概述、設(shè)備開關(guān)機、MDI操作等子模塊;坐標(biāo)系建立模塊細(xì)分為笛卡爾坐標(biāo)系認(rèn)知、測頭手動建立工件坐標(biāo)系、Z軸及正反方向識別等子模塊;軸移動操作細(xì)分為軸X、Y、Z向移動及a、c軸回轉(zhuǎn)運動等子模塊;刀具識別模塊細(xì)分為刀具識別、刀具表建立、刀庫裝刀等子模塊;精度標(biāo)定模塊細(xì)分為測頭標(biāo)定、主軸端面Z向精度標(biāo)定等子模塊;工件找正模塊細(xì)分為工件平行、垂直及圓柱找正等子模塊。

（三）選定實驗DEMO，設(shè)計多軸加工學(xué)習(xí)場景

在以上20個子模塊中，測頭手動建立工件坐標(biāo)系子模塊是數(shù)控加工中一個相對獨立且完整的工作環(huán)節(jié)，同時也是使用機床進行加工的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。工件坐標(biāo)系的建立方法是現(xiàn)代制造產(chǎn)業(yè)工人，尤其是五軸數(shù)控機床操作人員必須掌握的關(guān)鍵技能。因此，北京汽車技師學(xué)院將測頭手動建立工作坐標(biāo)系子模塊選為資源開發(fā)實驗性樣本。

北京汽車技師學(xué)院在測頭手動建立工件坐標(biāo)系子模塊資源開發(fā)的過程中，在德馬吉和西門子多位數(shù)控專家的協(xié)助下，結(jié)合多軸加工專業(yè)的教學(xué)現(xiàn)狀將該工作場景轉(zhuǎn)化為學(xué)習(xí)任務(wù)“利用DMU50多軸機床對指定零件手動建立工件坐標(biāo)系”，并依據(jù)完整工作過程和學(xué)生學(xué)習(xí)過程對該任務(wù)的學(xué)習(xí)路徑進行設(shè)計。

筆者針對學(xué)習(xí)任務(wù)制定了“確定學(xué)習(xí)路徑—設(shè)計學(xué)習(xí)場景—設(shè)計交互行為—素材收集”的四步驟開發(fā)策略。

首先，依據(jù)“資訊—計劃—決策—實施—評估—反饋”的完整工作過程，以學(xué)生為主體分析開展此項工作的詳細(xì)內(nèi)容。讓學(xué)生從了解任務(wù)說明入手，進而掌握手動建立坐標(biāo)系的思路、理解坐標(biāo)系建立流程，并開展相應(yīng)的建立坐標(biāo)系作業(yè)，確立詳細(xì)的工作步驟和具體內(nèi)容，明確每個步驟的技能要點。

其次，基于學(xué)生學(xué)習(xí)視角，針對每個工作步驟的內(nèi)容和要點設(shè)計相應(yīng)學(xué)習(xí)場景。每個場景以沉浸式學(xué)習(xí)為導(dǎo)向，通過語音、畫面等形式引導(dǎo)學(xué)生進入模擬的工作場景進行學(xué)習(xí)。

再次，對每個學(xué)習(xí)場景中的操作過程進行分析，對于關(guān)鍵點的操作創(chuàng)設(shè)選擇彈出框、警示音、操作提示等交互要素并創(chuàng)設(shè)交互行為，要求學(xué)生對當(dāng)前情況給出判斷并及時反饋判斷信息，瞬時強化關(guān)鍵技能點的學(xué)習(xí)。為了鞏固學(xué)習(xí)效果，筆者特意設(shè)計了練習(xí)場景，學(xué)生可以對學(xué)習(xí)場景中的關(guān)鍵技能點進行復(fù)習(xí)，強化了學(xué)習(xí)效果。

最后，針對場景和交互設(shè)計整理和設(shè)計相應(yīng)的圖片、文字、影像素材，這對學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)起到了良好的輔助作用，確保了資源開發(fā)的可行性。

學(xué)習(xí)任務(wù)“利用DMU50多軸機床對指定零件手動建立工件坐標(biāo)系”依據(jù)上述四步驟開發(fā)策略進行數(shù)字化資源的腳本設(shè)計開發(fā)，為后期工作提供依據(jù)和基礎(chǔ)。

（四）制作交互式數(shù)字化資源

聘請專業(yè)的拍攝團隊進行數(shù)字化資源前期視頻拍攝，并以腳本為依據(jù)將游戲、三維、動畫、交互等元素融入資源制作，開發(fā)測頭手動建立工作坐標(biāo)系子模塊的數(shù)字化資源。

該子模塊資源依據(jù)完整工作過程，將操作進程分解為“作業(yè)準(zhǔn)備—激活坐標(biāo)系—調(diào)測頭—找正工件—建立工件坐標(biāo)系—坐標(biāo)系驗證—還測頭”7個關(guān)鍵工作步驟。學(xué)習(xí)者需按照這7個環(huán)節(jié)依次進行學(xué)習(xí)，每個環(huán)節(jié)需完成“學(xué)習(xí)—練習(xí)—測試”3個模塊的學(xué)習(xí)。測試模塊通過后，學(xué)習(xí)者方可進入下一環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)。

數(shù)字化資源的設(shè)計借鑒了游戲的“闖關(guān)”模式，符合職業(yè)院校學(xué)生及企業(yè)培訓(xùn)員工的個性特點。同時在學(xué)習(xí)者“闖關(guān)”的過程中，加入了“聲效”等游戲元素，有效吸引了學(xué)生的注意力，有利于提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性。

（五）實驗驗證學(xué)習(xí)效果

北京汽車技師學(xué)院多軸加工專業(yè)高級工一年級的學(xué)生尚沒有對五軸數(shù)控機床操作知識進行系統(tǒng)學(xué)習(xí)，僅能夠操作三軸數(shù)控機床進行簡單零件的加工。故將手動建立工作坐標(biāo)系子模塊的數(shù)字化資源學(xué)習(xí)圍繞該層級學(xué)生進行實驗。經(jīng)過綜合考慮，選取2018級13班和14班為實驗對象。這兩個班的學(xué)生基礎(chǔ)水平相近，有利于對最終結(jié)果進行綜合評估。

2018級13班21名學(xué)生在教師的引導(dǎo)下，在數(shù)字化資源環(huán)境中進行自主學(xué)習(xí)，獨立完成該子模塊的測評工作頁。2018級14班20名學(xué)生則是在教師講授、演示的基礎(chǔ)上，獨立完成測評工作頁。工作頁圍繞手動建立工作坐標(biāo)系子模塊應(yīng)掌握的關(guān)鍵知識點和技能點共設(shè)置了9個引導(dǎo)性問題。

統(tǒng)計兩班學(xué)生工作頁的最終成績，2018級13班學(xué)生的綜合得分率為85.33%，2018級14班學(xué)生的綜合得分率為75.11%。實驗數(shù)據(jù)表明，在數(shù)字化資源指導(dǎo)下的學(xué)習(xí)效果明顯優(yōu)于目前常規(guī)的教學(xué)方法。

根據(jù)學(xué)生具體學(xué)情將2018級13班學(xué)生分為3個小組，通過分析，各小組的平均得分率分別為87.56%、82.89%和85.22%，實驗數(shù)據(jù)說明，數(shù)字化資源對于不同類型學(xué)生的學(xué)習(xí)效果非常明顯，資源的適應(yīng)性較好，適用于不同學(xué)習(xí)能力的人群，能夠覆蓋全體學(xué)習(xí)者。

后期通過教學(xué)數(shù)據(jù)的實時反饋不斷完善數(shù)字化資源，最終形成適合北京汽車技師學(xué)院多軸加工專業(yè)教學(xué)成熟的教學(xué)資源，并以此為范本，進行其他模塊的數(shù)字化資源開發(fā)。

三、工作過程導(dǎo)向開發(fā)路徑的評估和反思

通過收集數(shù)字化資源在多軸加工專業(yè)教學(xué)中應(yīng)用的意見反饋，數(shù)字化資源使用滿意率達到90%。學(xué)生能夠利用數(shù)字化資源積極主動進行學(xué)習(xí)，有效提高了學(xué)習(xí)效率和質(zhì)量，說明筆者提出的將“資訊—計劃—決策—實施—評估—反饋”工作過程理論應(yīng)用于數(shù)字化資源開發(fā)是行之有效的。

資源應(yīng)用效果也進一步驗證了“解析人才模型—確定學(xué)習(xí)場景—選定實驗DEMO—制作交互式資源”四步開發(fā)路徑和“確定學(xué)習(xí)路徑—設(shè)計學(xué)習(xí)場景—設(shè)計交互行為—素材收集”的四步驟開發(fā)策略的有效性，為職業(yè)教育領(lǐng)域數(shù)字化資源開發(fā)提供了可參考的開發(fā)路徑與方法，對混合式學(xué)習(xí)模式下學(xué)習(xí)資源開發(fā)和人才培養(yǎng)形成了有效助力。

數(shù)字化資源的開發(fā)不是一蹴而就的，需要根據(jù)時代特征及學(xué)情，針對教學(xué)中不斷出現(xiàn)的新問題，與時俱進、不斷完善，形成適應(yīng)專業(yè)教學(xué)需要的教學(xué)資源，對教學(xué)工作形成有效助力。

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（作者單位：馬長春、鹿曉寧，北京汽車技師學(xué)院;程華，北京華夏捷瑞教育科技有限公司）