問題導(dǎo)向型數(shù)控車虛實結(jié)合教學(xué)實踐與探索

王建武, 金仁東, 王 超, 鄒 靜, 黃書江, 張金海

(北京科技大學(xué) a. 高等工程師學(xué)院金工實習(xí)基地； b. 資產(chǎn)管理處， 北京 100083)

0 引 言

現(xiàn)代社會科技發(fā)展更新迭代速度迅速，行業(yè)、國家間的競爭也越趨于激烈。技術(shù)的競爭，最終歸結(jié)于具有扎實基本理論和嫻熟實踐經(jīng)驗的工程技術(shù)人才的競爭[1-2]。為適應(yīng)新形勢，我國高校建立了很多工程訓(xùn)練中心，涵蓋鑄造、焊接、普通車床加工、數(shù)控車床加工等教學(xué)項目，對工科類學(xué)生進(jìn)行工程訓(xùn)練[3-4]。數(shù)控車削技術(shù)是學(xué)習(xí)機(jī)械加工的基礎(chǔ)工藝[5-6]，傳統(tǒng)數(shù)控車教學(xué)中存在教學(xué)模式單一、學(xué)生車床操作效率低，程序運行錯誤較多等諸多問題[7]，亟需對數(shù)控車床教學(xué)模擬及方法進(jìn)行改進(jìn)。問題導(dǎo)向型教學(xué)方法是一種將實際情景問題以導(dǎo)向的形式呈現(xiàn)，引導(dǎo)學(xué)生思考問題產(chǎn)生的原因，分析解決辦法的教學(xué)方法。國內(nèi)有許多學(xué)者[8-9]對該方法進(jìn)行了研究，并應(yīng)用到相關(guān)教學(xué)中。但問題導(dǎo)向型教學(xué)方法在數(shù)控車實習(xí)教學(xué)過程中引入較少，現(xiàn)結(jié)合北京科技大學(xué)教學(xué)實際，對問題導(dǎo)向型數(shù)控車虛實結(jié)合實踐教學(xué)進(jìn)行了研究和探索，并著重介紹了該項目的教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)模式和取得的相關(guān)成效。

1 教學(xué)目標(biāo)

基于問題導(dǎo)向型數(shù)控車虛實結(jié)合的教學(xué)目標(biāo)是：以培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題—分析問題—模擬仿真—實踐操作—解決問題的綜合素質(zhì)培養(yǎng)為導(dǎo)向，以解決實際工程問題為目標(biāo)，構(gòu)建“工程問題導(dǎo)向剖析—柔性需求性學(xué)習(xí)—虛擬實踐結(jié)合—工程精細(xì)管理為一體的新型數(shù)控車虛實結(jié)合”教學(xué)模式。采用數(shù)控車床虛實結(jié)合的教學(xué)方法，激發(fā)學(xué)生探索意識和動手能力；結(jié)合問題導(dǎo)向型教學(xué)理念，增加學(xué)生學(xué)習(xí)興趣；解決工程實際問題，增強(qiáng)學(xué)生成就感，為培養(yǎng)具有卓越工程實踐能力的高級工程技術(shù)人才[10-12]的工程訓(xùn)練實踐教學(xué)模式提供參考。

2 教學(xué)模式

問題導(dǎo)向型數(shù)控車虛實結(jié)合實踐教學(xué)課程設(shè)計如圖1所示，教學(xué)內(nèi)容主要分為設(shè)備故障查找、虛擬仿真教學(xué)和實際數(shù)控車加工操作三部分，三部分聯(lián)系緊密，關(guān)聯(lián)性強(qiáng)，循序漸進(jìn)，建立發(fā)現(xiàn)問題→尋找答案→仿真模擬→實踐操作→解決問題的工程導(dǎo)向思維。

圖1 課程設(shè)計圖

2.1 “導(dǎo)向剖析”—建立解決工程問題思維

數(shù)控車實習(xí)應(yīng)以問題為導(dǎo)向型，鼓勵學(xué)生加工制作實際的機(jī)械零件產(chǎn)品。而傳統(tǒng)數(shù)控車教學(xué)中，指導(dǎo)教師提供統(tǒng)一圖紙，并進(jìn)行相關(guān)操作演示，學(xué)生根據(jù)圖紙進(jìn)行相關(guān)程序設(shè)置并進(jìn)行加工。問題導(dǎo)向型數(shù)控車實習(xí)教學(xué)聚焦實際工程問題(老舊淘汰普通車床存在的故障)，建立學(xué)生解決工程問題導(dǎo)向思維，激發(fā)主動學(xué)習(xí)內(nèi)在動力。以某組學(xué)生解決車床變速箱故障為例，解決問題路線圖如圖2所示。

圖2 解決實際工程問題流程圖

2.2 “柔性需求學(xué)習(xí)”—激發(fā)學(xué)習(xí)主動性

問題導(dǎo)向型數(shù)控車虛實結(jié)合實踐教學(xué)內(nèi)容根據(jù)零件加工制作要求需要進(jìn)行“柔性需求學(xué)習(xí)”[13-14]，即針對不同生產(chǎn)要求，制定不同的學(xué)習(xí)計劃，從而有針對性解決問題。以生產(chǎn)出變速箱損壞零件為例，需進(jìn)行零件圖紙設(shè)計、材料選擇，編制工藝，編制程序、數(shù)控車模擬機(jī)學(xué)習(xí)和數(shù)控車實踐操作等內(nèi)容，并對每個學(xué)習(xí)內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計，見表1所示。并根據(jù)每項實習(xí)教學(xué)內(nèi)容，制作了開放的學(xué)習(xí)資源，包括教學(xué)MOOC資源、教學(xué)視頻、集中教學(xué)和分散教學(xué)時間等內(nèi)容，以滿足學(xué)生對實習(xí)教學(xué)內(nèi)容自主學(xué)習(xí)的要求。

2.3 “虛擬實踐結(jié)合”—提高加工成熟度和設(shè)備使用率[15-16]

數(shù)控車虛實結(jié)合教學(xué)中關(guān)鍵是將數(shù)控車教學(xué)操作中的不可見及易出問題點以可視化的方法呈現(xiàn)出來，例如可清晰看到刀具按照設(shè)定好的數(shù)控加工程序執(zhí)行切削的軌跡全過程；模擬進(jìn)/退刀刀具路徑的規(guī)劃、加工過程中潛在的碰撞干涉等數(shù)控加工程序的正確性；預(yù)測零件的加工質(zhì)量等。根據(jù)以上模擬運行過程，對數(shù)控加工程序進(jìn)行優(yōu)化。實現(xiàn)了真實實訓(xùn)不具備或難以完成的教學(xué)功能，對實體實踐形成有效補(bǔ)充，擴(kuò)展了實踐內(nèi)容(見圖3)。

由于學(xué)生在真實開動數(shù)控設(shè)備之前已進(jìn)行了程序正確性檢驗和數(shù)控模擬加工全過程，所以學(xué)生在進(jìn)行實際加工制作時可避免撞刀或大吃刀等誤操作后對機(jī)床精度，主軸，導(dǎo)軌，電機(jī)產(chǎn)生損壞，不會產(chǎn)生機(jī)器傷人、人傷機(jī)器等問題，極大減少了廢品率的產(chǎn)生，能有效避免實踐教學(xué)過程中可能出現(xiàn)的各種危險因素，杜絕事故發(fā)生和節(jié)省維修成本，同時提高了加工成熟度和設(shè)備使用率。

2.4 “工程精細(xì)管理”—培養(yǎng)工匠精神

問題導(dǎo)向型數(shù)控車虛實結(jié)合教學(xué)實習(xí)不僅注重學(xué)習(xí)內(nèi)容，更加注重產(chǎn)品質(zhì)量，注重培養(yǎng)學(xué)生“迎難而上、精益求精”的工匠精神。學(xué)生在數(shù)控車操作過程中會遇到各種問題，例如零件設(shè)計尺寸精度問題、模擬加工過程報錯問題、數(shù)控車加工碰刀和零件裝配過程匹配度不合等問題，培養(yǎng)學(xué)生遇到問題-尋找方法-動手操作的解決問題工作態(tài)度，為新工科背景下卓越工程師計劃培養(yǎng)合格的人才。

3 教學(xué)成效

學(xué)校實施基于培養(yǎng)學(xué)生解決工程實際問題能力的“問題導(dǎo)向型”數(shù)控車虛實結(jié)合教學(xué)項目，構(gòu)建了老舊淘汰設(shè)備再利用與虛擬仿真，現(xiàn)代制造技術(shù)相融合的實踐教學(xué)環(huán)境；集中優(yōu)勢資源，細(xì)化、規(guī)范實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，實踐過程體現(xiàn)了學(xué)生的自主性和探究性；教學(xué)模式實現(xiàn)了從體驗式到探究式的轉(zhuǎn)變，有效培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維和解決工程實際問題的能力。教改項目實施后對學(xué)生成績、工程訓(xùn)練中心數(shù)控車間管理和學(xué)生參賽成績都起到了極大促進(jìn)作用。

3.1 學(xué)生成績

由圖4可知，2020年學(xué)生成績較2019、2018年有明顯提高，其中良好及優(yōu)秀比例達(dá)到90%以上，不合格率明顯降低。

圖4 教學(xué)改革后學(xué)生成績

3.2 學(xué)生參賽成果

教學(xué)改革后，學(xué)生參加了全國大學(xué)生機(jī)器人大賽、北京市大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽等更多的相關(guān)競賽項目，獲得了較好成績，極大鼓舞了學(xué)生的參賽熱情，并為今后學(xué)生參與問題導(dǎo)向型數(shù)控車虛實結(jié)合教改項目提供了參考依據(jù)，見表2。

表2 教改后學(xué)生參賽獲獎匯總

3.3 工程訓(xùn)練中心數(shù)控車間管理更科學(xué)規(guī)范

“問題導(dǎo)向型”數(shù)控車虛實結(jié)合教學(xué)改革實施后，學(xué)生通過數(shù)控車床模擬訓(xùn)練后，對數(shù)控車床的熟練度大大增加，減少了原材料的損耗量和設(shè)備維修次數(shù)，提升了設(shè)備運轉(zhuǎn)效率，提高了零件的加工精度,如表3所示。與2019年相比，2020年至今教改后學(xué)生操作數(shù)控車床加工零件時間與2019年相比減少了50%，設(shè)備運轉(zhuǎn)效率提高了50%，原材料損耗降低了50%以上，至今未曾發(fā)生實習(xí)安全和設(shè)備使用人為故障。

表3 工程訓(xùn)練中心維修經(jīng)費

4 結(jié) 語

在新工科和“雙一流”建設(shè)背景下，針對國家、產(chǎn)業(yè)及社會對高素質(zhì)人才培養(yǎng)的發(fā)展需求，學(xué)校開設(shè)了以培養(yǎng)學(xué)生解決實際工程問題能力的實踐教學(xué)項目，構(gòu)建了新式工程訓(xùn)練實踐教學(xué)環(huán)境，實現(xiàn)了工程訓(xùn)練實踐教學(xué)體系在教學(xué)內(nèi)容上注重探索性。在教學(xué)過程中，將品格、知識、能力和素質(zhì)教育融入整個實踐全過程，在培養(yǎng)具有“工匠精神、創(chuàng)新思維、探究精神和解決工程實際問題能力”的多元化、創(chuàng)新型工程科技人才方面取得了初步成效，產(chǎn)生了明顯的示范輻射作用，并進(jìn)一步促進(jìn)了工程訓(xùn)練中心的實踐教學(xué)體系的不斷完善和拓展，助力人才培養(yǎng)。