数控机床和金属切削原理与刀具课程内容整合与教学改革*

关芳芳 汪木兰 袁 勤

南京工程学院 江苏南京 211167

数控机床和金属切削原理与刀具课程内容整合与教学改革*

关芳芳 汪木兰 袁 勤

南京工程学院 江苏南京 211167

根据应用型本科院校机械设计制造及其自动化专业的培养目标和要求，深入剖析了数控机床和金属切削原理与刀具两门课程教学过程中存在的主要问题。在此基础上，以大工程教育理念为指导，将原来两门课程的教学内容进行整合和优化，调整为数控机床及刀具系统，增加了实践教学内容，减少了总课时，并将先进的教育教学理念和教学方法引入到各个教学环节。最后，对整合后的课程教学和可能碰到的问题进行了探讨。

数控机床；金属切削原理与刀具；数控机床及刀具系统；大工程观；教学改革

“大工程观”教育思想是在20世纪90年代美国工程教育界掀起的“回归工程”浪潮中提出的。1994年，麻省理工学院(MIT)工学院院长乔尔•莫西斯提出的工程教育改革方向是要使建立在学科基础上的工程教育更加重视工程实际以及工程本身的系统性和完整性。它主要是针对传统工程教育过分强调专业化、科学化，从而割裂了工程本身这种现象提出的。所谓“大工程观”的“大”指课程体系的综合性和系统性，即把学生今后工程活动所需的各种知识、技术、能力和方法等课程整合到一起；大工程观课程体系的“工程”是指实践性和创新性教学环节，如实验、实习和毕业设计等课程。而高等工程教育的本质特征则是综合性、系统性、实践性和创新性的结合。

数控机床是机械设计制造及其自动化专业的一门主干专业课程,主要介绍数控机床机械结构,包括主传动系统及其结构、机床进给传动系统及其结构、机床导轨与支承、机床辅助装置及其结构、机床精度及检验等内容。金属切削原理与刀具课程教学目的是使学生了解金属切削的基本原理和各类常用标准刀具的组成、结构和选用。通过这两门课程的教学,为学习后继相关课程和新的专业知识以及学生在今后工作中解决数控机床机械结构及刀具技术问题打下良好基础。

一、现状分析

数控机床是实施金属切削加工的设备，而刀具是实施金属切削加工过程必不可少的工具，两者联系密切，从课程体系的设置来看，后者是学习前者必修的基本课程之一。根据多年来对这两门课程的教学实践，从大工程观的整体性和系统性角度重新审视数控机床和金属切削原理与刀具课程体系，不难发现，还存在一些问题需要引起足够的关注：

1.课程缺乏整体性和系统性

两门课程内容相对自成体系，相互之间缺少必要的衔接和过渡。

2.课程内容比较陈旧

例如普通机床分类、型号和传动链等内容相对数控机床显得有些陈旧，需要及时更新。课程部分内容与培养目标关联性不太大，应予删除。

3.实践教学环节不足

数控机床课程中，总共48学时，全部是理论教学，没有开设课内实验，特别是缺少学生主动实践的环节。

上述课程体系难以满足对学生工程意识和实践能力培养的需要，因此，针对这两门课程的教学改革，特别是课程内容的改革，势在必行。

二、优化知识结构，整合教学内容

1.课程之间的相互关系

数控机床和金属切削原理与刀具都是机械设计制造及其自动化专业的主干专业课程,该知识模块所涉及的主要课程及教学环节之间的相互关系如图1所示。

图1 课程知识模块之间相互关系

2.整合课程教学内容

从有利于培养学生大工程意识的需要出发，重新审视数控机床和金属切削原理与刀具的课程教学大纲，对教材中各部分内容进行研究，优化原有知识结构，将两门课程整合成一门，课程名称调整为数控机床及刀具系统，形成以数控机床机械结构为主包括金属切削原理和数控机床刀具系统的一门新的综合性课程。

整合后的课程体系包括三大部分：数控机床机械结构部分、金属切削原理部分和数控机床刀具系统部分。第一部分内容整合后包括数控机床概论、数控车床结构、数控铣床结构、数控加工中心结构(含车削中心、加工中心等)、数控特种加工机床结构和数控机床精度检验等内容，删除原来内容关联性不大的普通机床结构和较难的机床设计部分内容，同时适当增加目前较为先进的内容，例如电主轴和直线电机等，增加综合应用性较强的内容，例如数控机床精度检验与试机等。第二部分教学内容删减了切削过程基本理论中较难理解或机理尚不明确的部分，突出基本概念和实际应用的内容。第三部分教学内容删除了刀具角度换算及非标准刀具设计部分，增加先进刀具选用和应用实例方面的内容以及数控机床刀具系统部分的内容(包括数控车床刀具系统和数控镗铣床刀具系统)。

3.实践教学环节安排

在实践教学环节，数控机床机械结构部分在课程之前安排了为期一周的数控机床测绘实习，通过对特定数控机床的认识和测绘，学生对数控机床主要机械结构部件已经具有一定的感性认识。课程之后安排了机械装配实习，它是本专业学生惟一在企业参与生产的重要的实践性教学活动。通过在企业一周的实习和生活，了解数控机床机械部分从铸造到装配的全部生产流程，亲自操作学习数控机床机械装配，包括刮削、配孔、安装轴承和滚珠丝杠、调校并测量精度等，可使学生对数控机床主要部件机械结构及精度检验验收有更为深入的认识，也可掌握一定的装配技能，为毕业后从事数控加工和维修工作打下坚实的基础。

另外，安排两个课内实验，一个是机床精度校正实验，在实习车间，学生可任意选择一台数控机床，利用激光干涉仪检测机床精度，并进行分析；另一个是刀具几何角度实验，用测角仪对常用刀具的几何角度进行测量，对数控机床上常用的刀具有直观的认识。通过这两个实验，可以提高学生动手能力，培养其解决分析问题的能力。

4.总体解决方案

通过上述调整以后，顺应了一般的教学规律，有利于学生的理解和学习，同时加强了实践性内容。在课时安排上，由于删减了大量关联性不大和理论较深难懂的章节，整合后总的理论课时量大为减少，原来两门课共96学时，整合后为48学时，进一步缓解了理论教学内容多而课时少的矛盾。整合后的课程知识结构如图2所示。

图2 数控机床及刀具系统课程知识结构

三、采用现代教学手段，提高教学质量

课程教学改革还要关注教学方法和教学手段的改革。采用现代教学手段是提高课程教学质量的必要保证。改革要有利于加强学生自学能力、分析问题和解决问题能力的培养，有利于学生创新思维和创新能力的培养。教学有法，但无定法，不断探索有利于提高教学效果与质量的教学方法也是课程改革的主要内容之一。

1.采用多媒体教学

在课程教学中，采用多媒体教学手段，充分利用模型、实物、幻灯、录像、多媒体等教学手段，将教学内容中的一些抽象概念形象化、生动化，解决了文字和语言均难以直观阐述的教学内容。例如，在讲授刀具几何角度概念时，由于比较抽象，学生普遍反映比较难理解，可以通过按比例放大的木质模型，对照讲解每个名词术语和概念。也可以运用Pro/E三维软件绘制刀具三维图形，从而多方位展示刀具结构，通过剖面图直观准确地显示出了刀具各个几何角度的标注。在讲授各种多齿刀具(如钻头、铣刀)等较复杂的刀具结构时，运用平时拍摄的实物照片和加工录像以及用三维软件设计的刀具立体图形来辅助教学，大大提高了学生的学习兴趣，也使得较为复杂的内容变得直观简单，学生很容易接受，教学效果明显提高。

2.采用虚拟现实技术辅助教学

最近20年迅速发展起来的虚拟现实技术(Virtual Reality Technology，VRT)是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机系统。这里的虚拟世界又被称为虚拟环境，是指具有真实感的立体图形，它可以是某种特定现实世界的真实再现，也可以是纯粹构想的世界。操作者借助一些特定的设备可以通过视觉、听觉和触觉等与之自然交互，从而产生身临其境的感觉。

数控机床机械结构教学中理论学习较多，实际操作机会较少；有机会看到的数控机床机械结构复杂，体积庞大，又无法观察到产品的细节和内部构造，也给其内容的理解带来一定的困难，教学效果不明显。

为此，充分利用实验室安装的创壹软件构造虚拟现实环境来辅助教学，系统地建立逼真的三维互动机床模型，并通过计算机模拟出各个角度看到的机床的视觉效果(包括内部结构原理展示)。例如，对数控机床的每一个部件及组装过程都作动态展示，让学生能够熟练了解机床内部构造并能熟练地完成设备拆装；全真模拟数控机床工作运转时的动态过程，并进行操作演示，学生想观察机床的哪个部位就可以清楚地看到哪个部位，在第一时间内了解机床的工作原理。学生有了这样的切身体验，就使得复杂抽象的数控机床结构变得直观易懂，教学效果明显提高。创壹虚拟机床操作界面如图3所示。

图3 创壹虚拟机床操作界面

3.通过建立教学网站辅助教学

课堂教学时间毕竟有限，为了让学生有更多的学习机会，可以建立教学网站，让学生课后可以上网自学。教师也可以把课程的教学大纲、课件和相关辅助资料等教学资源都放在学校课程教学网页上，学生可以随时下载观看，并建立论坛，教师及时解答学生的提问，从而形成良性的互动局面。

四、结束语

通过数控机床和金属切削原理与刀具课程内容的优化整合，理顺了课程内容之间的关系，提高了教学效率。采用先进的教学手段，增强了学生对数控机床知识模块的学习兴趣，大大提高了教学质量。在实施过程中也碰到了一些具体问题，例如整合后课时量减少，但必需的教学内容不能删减，教学要求不能降低，这就需要教师能够合理制定教学计划，在规定的时间内有效完成教学任务。其次，教学实验条件必须跟上，这是学好本门课程的基本保证，如果数控机床实验设备不足，将导致学生在教学实践环节不能达到预期的效果。

[1]汪木兰，朱晓春，刘坤，等.案例教学培养自动化专业学生大工程意识[J].中国现代教育装备，2008，12：165～167

[2]王雪峰，曹荣.大工程观与高等工程教育改革[J].高等工程教育研究，2006，4：19～22

[3]张俊生．金属切削机床与数控机床[M].北京：机械工业出版社，1996

[4]陆剑中，孙家宁.金属切削原理与刀具(第四版)[M].北京：机械工业出版社，2005

Integrating and teaching reform of numerical control machine tool and metal cutting principles & cutting tool

Guan Fangfang, Wang Mulan, Yuan Qin
Nanjing institute of technology，Nanjing，211167，China

According to the training goal and demands of mechanical design manufacturing and automation of the application–oriented institution，the main problems in teaching numerical control machine tool and metal cutting principles & cutting tool are analyzed profoundly．Guiding by integrated engineering consciousness，the course contents of the two courses are integratived and optimized，and are adjusted a new course which is CNC machine tool and cutter system．At the same time，the courses of practice teaching are added，and the total teaching time are shortened．The advanced teaching thoughts and methods are used in all of the teachings．Finally，the teaching and problems about the new course are discussed.

CNC machine tool；metal cutting principles & cutting tool；CNC machine tool and cutter system；integrated engineering consciousness；teaching reform

book=15,ebook=190

2010-05-15

关芳芳，硕士，讲师。汪木兰，硕士，教授。袁勤，本科，讲师。

*本文系江苏省教育科学“十一五”规划重点资助课题(B-a/2008/01/008)；“十一五”国家课题“我国高校应用型人才培养模式研究”子课题(FIB070335-A7-02)。