成果導向BOPPPS教學模式的應用研究
——以數(shù)控技術(shù)課程為例

李耀輝， 師路歡

(許昌學院 電氣與機械工程學院，河南 許昌 461000)

隨著計算機信息技術(shù)和制造自動化技術(shù)結(jié)合得越來越緊密，作為自動化柔性生產(chǎn)重要基礎的數(shù)控機床在生產(chǎn)機床中所占比例越來越大.而數(shù)控技術(shù)課程以智能控制與制造技術(shù)為導向，使學生具備數(shù)控技術(shù)方面的專業(yè)知識、較強的分析與解決問題能力和較高的專業(yè)素養(yǎng)[1-2].該課程的知識面廣、理論性強、內(nèi)容比較抽象和枯燥[3].教學過程中，存在以教師講學生聽為主，線上資源利用不足，學生在學習過程中積極性不高，教師也不能及時了解學生的動態(tài)等問題.這種教學模式不利于學生自主學習能力的培養(yǎng)和綜合素質(zhì)的提高[4].基于此，提出了一種基于成果導向虛實結(jié)合的BOPPPS教學模式，使學生重拾學習的信心，增加對課程的關(guān)注度，真正落實學生為中心、教師為引導的理念，進而培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識，落實學生的創(chuàng)新行為，最終實現(xiàn)學生綜合素質(zhì)的提高[5-6].

該教學模式將教學內(nèi)容模塊化，以典型工作任務的需求確定教學目標，以編程軟件、仿真軟件和數(shù)控機床為依托，驅(qū)動學生達到預定的教學效果，體現(xiàn)教學過程中學生真學真做，然后以成果為導向，引導學生自學自悟，真正“悟”出課程中所蘊含的道理和意義，利用超星網(wǎng)絡教學平臺和中國大學MOOC等優(yōu)秀的線上教學資源，結(jié)合線下，加入質(zhì)疑問難式、啟發(fā)討論式、自讀自悟式教學模式，將其融入課前、課中和課后三個階段，真正落實以學生中心的理念，從而培養(yǎng)學生創(chuàng)新意識，最終落實學生創(chuàng)新行為的培養(yǎng).

1 教學內(nèi)容模塊化

傳統(tǒng)的教學內(nèi)容章節(jié)之間聯(lián)系不是很緊密，模塊化后把各個章節(jié)內(nèi)容有機的、系統(tǒng)的結(jié)合在一起，消除了章節(jié)內(nèi)容聯(lián)系不緊密的弊端，使學生真正地理解教學內(nèi)容之間的聯(lián)系，“數(shù)控技術(shù)”模塊化示意圖如圖1所示.將“數(shù)控技術(shù)”內(nèi)容分成數(shù)控加工程序輸入及預處理、輪廓插補原理、進給與主軸運動控制、數(shù)控加工程序編制4個模塊.在教學過程中通過下發(fā)任務進行教學，將教學任務細分成四個子任務層：掌握加工程序的輸入和預處理、掌握輪廓插補原理、熟悉進給與主軸運動控制和誤差計算、掌握數(shù)控加工程序編制并能夠進行常見零件輪廓的代碼編寫.基于子任務層，形成每個任務的知識點層和問題層.

2 BOPPPS融入過程——以“插補算法”為例

針對課程實施過程中 “插補算法”子任務，以“一點兩線三圍繞”為切入點，通過BOPPPS模塊輔助教

圖1 “數(shù)控技術(shù)”教學內(nèi)容模塊化

學[7-8]，并根據(jù)知識特點將導入、教學目標、前測、參與式學習、后測和總結(jié)六個環(huán)節(jié)分別融入課前、課中和課后三個階段進行具體的實施.

2.1 導入

為了將學生的注意力引入到插補運算中，教師播放學習通中推送的東芝事件中數(shù)控加工案例視頻，按照螺旋槳噪聲減少→高精度數(shù)控機床→提高加工精度→進行插補運算這個過程，讓學生猜想如何才能減小螺旋槳噪聲，選擇高精度數(shù)控機床如何提高加工精度，通過一問一答的形式逐步引出“插補運算”.用真實的案例體現(xiàn)插補算法的價值和意義，同時加強學生對插補理論的感官認識，從而在插補理論與實踐應用之間架起溝通的橋梁.

2.2 教學目標

依據(jù)學校文件“畢業(yè)要求1工程知識”中的“掌握機械設計制造領(lǐng)域的專業(yè)知識，使學生了解其他插補方法”；“畢業(yè)要求3設計/開發(fā)解決方案”中的“能夠綜合運用專業(yè)知識對機械設計制造領(lǐng)域復雜工程問題的設計方案進行優(yōu)化”，利用逐點比較法、數(shù)字積分法、數(shù)據(jù)采樣插補方法提高零件輪廓加工精度；“畢業(yè)要求5 使用現(xiàn)代工具”中的“具有合理選擇與使用機械工程實踐中所需的現(xiàn)代工程技術(shù)、方法和工具的能力”，利用插補算法制造更為復雜且精密的零部件，將該知識點的主要內(nèi)容劃分為逐點比較法算法原理與計算方法、數(shù)字積分插補算法原理與計算方法、數(shù)據(jù)采樣插補算法原理與計算方法、其他插補方法的原理和計算方法.基于此，要求學生對“常用插補方法的原理與計算”這一重點內(nèi)容做到靈活運用，對難點內(nèi)容“其他插補方法的原理與計算”做到清楚明了，從而確定該子任務的知識目標、能力目標和育人目標.

知識目標：了解輪廓插補的基本概念、基本理論和基本計算方法，掌握逐點比較法直線和圓弧插補、數(shù)字積分法直線和圓弧插補、數(shù)據(jù)采樣法直線與圓弧插補的具體實現(xiàn)過程.

能力目標：根據(jù)插補方法提高學生的認知能力和實際應用能力，并能夠根據(jù)插補流程完成Matlab程序的編制.

育人目標：激發(fā)學生的愛國情懷和民族自豪感，激勵學生不忘初心，樹立堅定的信念和正確的價值導向，使學生具備精益求精、盡善盡美的制造精神.作為當代一名機械專業(yè)本科生，關(guān)注國家制造業(yè)的發(fā)展，從而為畢業(yè)后從事機械制造業(yè)做鋪墊，為國家未來的工業(yè)機械制造業(yè)貢獻自己的力量.

2.3 前測

首先帶領(lǐng)學生回憶像素成像的基本原理和計算過程；接著，將像素成像原理與輪廓插補原理進行對比、分析，判斷它們是否相同；進一步，讓學生判斷東芝事件所反映出的零件輪廓插補是否對設備精度存在一定的重要性.將以上調(diào)查結(jié)果投影到大屏幕上，大家集體討論、觀察規(guī)律、得出結(jié)論.該過程能夠幫助同學們快速回憶插補算法中的相關(guān)知識點，讓學生明白輪廓插補是該知識點的重點前測內(nèi)容.最后，通過學生分組討論和結(jié)果展示，不僅讓教師能夠了解學生對插補知識的儲備并且及時對課程內(nèi)容進行調(diào)整，還可以讓不同層次的學生對自己知識掌握度有一個正確的認知，為后續(xù)的學習做準備.

2.4 參與式學習

2.4.1 教師根據(jù)零件輪廓尺寸，結(jié)合精度和工藝等方面的要求，展示在已知刀具中心軌跡轉(zhuǎn)接點之間插入若干個中間點的過程，用Matlab編程實現(xiàn)逐點比較法插補實例，如圖2所示，計算出每一段零件輪廓起點與終點之間所有插入點的坐標值，并控制刀具依據(jù)這些坐標值從起點運動到終點，引導學生猜想插補的原理和計算方法.學生觀察圖2中逐點比較法的插補過程，從理論上理解逐點比較插補，進而猜想逐點比較插補的分類以及不同插補原理之間的區(qū)別.

2.4.2 教師給出在刀具按要求軌跡運動加工零件輪廓的過程中，不斷比較刀具與被加工零件輪廓之間的相對位置，并根據(jù)比較結(jié)果決定下一步的進給方向，使刀具向減小誤差的方向進給，并提出可以選用哪些方法進行插補；在進行插補時，需要注意哪些關(guān)鍵因素；如何具體實現(xiàn)各種插補等問題.學生通過小組討論，進而總結(jié)出：逐點比較法是偏差判別、坐標進給、偏差計算和終點判別；數(shù)字積分法是實現(xiàn)多軸聯(lián)動，可進行空間直線和曲面的插補；數(shù)據(jù)采樣法是使用一系列首尾相接的微小直線段逼近給定輪廓.讓學生從自身的角度解決插補難題，以此來獲得深層次理解.

圖2 Matlab編程實現(xiàn)的逐點比較法插補的實例

2.4.3 教師根據(jù)各組的討論結(jié)果，分別用不同的插補方法演示插補的過程，引導學生理解逐點插補在不同象限的直線和圓弧插補算法的不同，以及不同插補方法之間的聯(lián)系和區(qū)別.學生根據(jù)教師提出的問題，回想不同插補方法的演示過程，將不同的插補方法放在一起討論分析，得出不同插補方法的原理、計算方法和應用環(huán)境.

2.4.4 學生根據(jù)教師不同插補方法的演示過程、小組討論結(jié)果和教師進行角色互換，對本知識點的重要內(nèi)容進行總結(jié)，并分析這些插補方法之間的聯(lián)系和區(qū)別.為此，讓學生從自身的角度去解決插補難題，來獲得對插補算法深層次的理解.

2.5 后測

根據(jù)課堂任務，使學生能夠掌握數(shù)控插補的概念、任務、原理和過程.通過基礎測試題目：數(shù)控插補的任務是在輪廓起點和終點之間插入若干個中間點，這若干個中間點的特點是什么以及當偏差函數(shù)取不同值的時候都會向X或Y軸進給“一步”，其中“一步”的含義是什么，以此來檢測學生對基礎知識的掌握程度；通過綜合測試題目：試用逐點比較法對這段圓弧進行插補，寫出每一步偏差計算過程，檢測學生的邏輯思維和對本節(jié)新知識的理解和應用能力，以此來加深學生對知識點的理解和掌握，拓寬知識體系，加強插補知識的邏輯性和系統(tǒng)性.在這個過程中教師觀察每個學生在測試過程中的表現(xiàn)，并進行反思.

2.6 總結(jié)

經(jīng)過多次循環(huán)之后，根據(jù)知識點掌握的情況查漏補缺，通過課堂測試進行反思.從插補任務復雜度、插補概念混淆度、心理原因等因素讓學生自我分析這些錯誤，形成總結(jié)報告，最后教師根據(jù)綜合性測試題目，要求學生編寫實現(xiàn)圓形插補的Matlab程序，并布置下次課的任務，以實現(xiàn)新舊內(nèi)容的銜接.

圖3 課程目標達成情況統(tǒng)計

3 BOPPPS教學模式的成效

完成課程所有任務后(含期末考試)，學生要對整個課程的教學目標和效果進行滿意度評價，對2018級學生的學習情況進行達成度計算，結(jié)果如圖3所示.各個課程目標均在0.6以上，課程目標1已經(jīng)超過了0.7，說明改革后的教學模式使學生能夠更好地掌握課程基礎理論和基本方法，深入影響了學生對課程價值的態(tài)度；課程目標3接近0.9，說明采用改變后的教學模式，在教學過程中將思政元素和專業(yè)知識有機的融合，提高了課程的趣味性，調(diào)動了學生的積極性，激發(fā)了學生對課程的熱愛和興趣.

4 結(jié)語

在整個教學過程，教師能實時掌握學生動態(tài)，根據(jù)學生的表現(xiàn)及時調(diào)整授課的側(cè)重點，通過在線答疑、詞云互動等測評活動，及時掌握學生出現(xiàn)的問題，進而改變布置的任務，使學生能夠更好地完成學習任務并進行反饋，從學生的學習動力、自信心、理解能力、重視程度、新舊知識交替是否到位等問題，找出更加適合數(shù)控技術(shù)課程的教學方式.