数控机床控制技术课程教学内容构建与实践

宋 强

南京信息职业技术学院机电学院 江苏南京 210023

数控机床控制技术是一门专业性很强的课程，涉及了计算机、微电子、自动检测、电力电子、气液压、电机与拖动、自动控制以及机械制造等多学科领域知识[1]。传统的教学模式以课堂讲授为主，安排定性的实验，加上实验设备的缺乏，使得学生的学习积极性和主动性不高，很难取得理想的学习效果。

针对课程学习中主要存在的问题，整合和构建课程教学内容体系，重组优化教学内容，增设以职业实践项目为背景的教学内容[2]，丰富课程教学活动的设计过程，积极采用现代信息化教育手段，运用各种计算机仿真软件和数控机床实验台，注重学生的实践参与，调动学生学习热情。

1 课程培养目标

数控机床控制技术是数控技术专业的一门核心课程。其培养目标包括以下几方面。

(1)知识目标为培养学生具有对典型生产机械的电气控制线路进行基本环节初步设计、分析与故障排除的专业能力，具有对数控装置的工作原理及伺服系统的工作过程进行分析的能力，具有对常用检测装置的结构和工作原理分析的能力，具有对PLC控制系统进行I/O分配与系统程序设计的分析能力。

(2)技能目标为能识读数控机床硬件连接图和电气连接控制图，能正确分析数控机床中各组成部分的运动控制原理，能熟练查阅数控机床、伺服放大器、变频器等说明书具有一定的资料收集整理能力。

(3)职业目标为培养学生具有良好的职业素养和团结协作、随机应变的团队能力。以实现“必需”和“够用”的教学目标[3]。

2 课程内容体系

内容的组织基本以自编教材《数控机床控制技术》为主，内容体系以数控机床的基本组成为主线，按照机床控制线路环节、数控装置、运动控制、检测装置及PLC在数控机床中的应用等章节的顺序组织内容。增加了数控应用技术内容，注重实践教学环节，让学生自主动手，对课程教学内容的整合、重难点知识的组织及教学方法等方面进行了有效的尝试。图1为该门课程知识的结构图。

图1　数控机床控制技术课程知识结构图

3 各部分内容教学思路

针对该课程和学生的特点，根据不同知识内容制定各种教学手段，突出“以应用为主线、教师为主导、学生为主体”的教学模式。即学生在学习的过程中，通过自主学习，其应用能力和创新能力得以培养。教师则是起到监督的作用，针对学生存在的问题，给予一定程度的引导和解决。课程中安排的实验主要是验证性实验以加深学生对课堂讲授知识的理解程度。

(1)《机床控制线路环节》内容主要包括常用的低压控制电器的结构、工作原理及三相异步电动机的起动、运行和制动控制线路。对于典型的电气控制线路，运用斯沃电气仿真软件进行模拟验证，该部分采用翻转课堂教学法，教师可以将较为简单的点动、长动的电气控制线路的连接方法及各电气元件的接口符号做成视频放在教学平台上，通过课前任务单的形式发放给学生，让每个学生在上课之前进行预习观看，重点识读电气原理图及接线步骤，然后在课堂上根据教学内容布置较为复杂的降压起动、制动电气线路的连接任务，通过动态的仿真效果，充分调动了学生的学习兴趣，也有助于掌握复杂电气控制线路的工作原理。课堂评价除了对每位学生登记仿真实验成绩外，还包括以小组为单位讨论和讲解整个电气控制线路的工作过程，进一步强化知识点。

(2)《数控装置》内容主要包括CNC装置的构成与原理、CNC插补、CNC装置译码及通讯。该部分内容的重难点是插补和译码，对于CNC装置的构成部分，采用演示教学法，运用创壹虚拟数控机床培训系统，重点针对西门子系统，通过仿真软件让每个同学在计算机上熟悉和掌握数控机床控制面板各按键的功能、各接口电路的含义及数控系统与各控制部分之间的连接关系。对于插补和译码部分，由于内容抽象，采用启发教学法，引导学生自主运用C语言编写能实现数控系统中常见的直线、圆弧插补功能的插补器及译码的标准程序段的数据结构，启发学生输入对应的线型和数据，通过计算机的运算结果直观地帮助学生理解数控装置中插补和译码过程，取得了非常好的效果。

(3)《PLC指令设计及应用》内容主要包括基本指令、功能指令及典型案例。该部分内容采用任务驱动教学法，任务选择与数控机床控制运动相关的内容，如“三相异步电动机正反转控制实验”“三相异步电动机自动往返控制实验”“三相异步电动机单方向运行控制实验”等，在计算机使用S7-200仿真器进行仿真教学，可以真实地模拟控制要求，使一些在普通条件下无法观测到的过程直观地显示出来。除了仿真练习以外，还安排学生在PLC实验室进行实物练习，让学生按照控制要求自行完成程序设计，通过仿真操作和实物操作，激发学生学习兴趣，加深学生印象。

(4)《运动控制》内容主要包括数控机床进给驱动系统和主轴驱动系统。该部分内容采用现场教学法，其中步进电动机部分，给学生提供步进电动机的接线图及接口说明书，指导学生连接步进电动机、步进驱动器、直流稳压电源，完成步进驱动系统的接线与调试，再结合之前学习过的PLC知识，让学生自行设计PLC程序完成步进驱动系统的自动控制，这样既复习了之前学习过的知识，又巩固了新的知识内容。交流伺服系统和主轴驱动系统部分，在光机实验台上，完成伺服驱动器、变频器及电动机的硬件实物连接，让学生根据说明书完成相关参数的设置，并实现电动机的运动控制，加强学生感性认识。

(5)《位置检测装置》内容主要包括脉冲编码器、光栅、感应同步器。该部分采用实验法，由于内容比较抽象，脱离控制部分单独去做实验还是非常困难的，因此选择以数控机床实验台为平台，重点开设光栅检测原理实验和脉冲编码器安装调试实验，让学生按照实验指导书自主动手调节参数，掌握典型检测装置的主要作用及工作原理。

(6)《PLC在数控机床中的应用》内容主要包括电动刀架控制程序的程序设计、进给轴控制程序的设计方法和主轴控制程序的设计。该部分内容在讲解过程中运用多媒体技术，使用摄像头将数控机床实验台中PLC程序投射到投影仪幕布上，解决了学生挤在比较小的数控装置屏幕前无法观察机床的输入、输出运行状态的困难，采用理实一体的教学方式，一边讲解，一边为学生演示，让学生体会和掌握具体的调试过程和技巧，取得了良好的效果。

4 教学资源及教学手段

数控机床控制技术教学内容包括理论教学体系和实践教学体系，为保证上述教学手段及教学内容的实施，学院提供了数控机床控制理实一体化实验室和数控机床仿真操作机房，里面配备了数控机床光机、数控机床综合实验台及50台计算机，可方便学生进行数控机床典型电气部件实物接线练习、参数调试及仿真演练。当然也存在实验设备的数量不足的情况，主要采用分组教学，达到每个学生都有锻炼的目的。

课程教材主要选用普通高等教育规划教材，补充内容以电子档的形式发放给学生，编写了与实验设备相配套的实验指导书和技术文档，目前课程团队正在整理和编写项目式校本教材。根据课程特点建立了以PPT、图片、动画、录像资料为主的素材库，对于抽象不易理解的内容，尽量采用动画演示的方法讲解，例如三相异步电动机正反转原理、插补原理、脉冲编码器的工作原理、步进电动机工作原理、变频器的调试过程等。除了这些素材之外，还包括电子教材、电子教案、习题库、样卷等都放在学院的在线教育学习平台上，学生可以下载APP在手机上随时随地进行在线学习。

借助现代职业教育信息技术的发展，合理利用计算机仿真技术和实验室实操演练的现代教学模式，改变了以课堂为中心的、单一的传统教学模式，注重学生在做中学、学中做，“教学做合一”，更多地采用启发教学法、演示教学法、任务驱动教学法、实验法、现场教学法、分组讨论法等多种方式方法，让学生能够更积极主动地投入教学内容的学习中，灵活多样地适应高等教育的培养目标。

5 考核标准

除了对课程的基本理论和基础知识采用闭卷考核之外，注重学生过程考核，避免学生“一考定成绩”的弊端，最终课程成绩分为考勤及课后作业20%、课堂表现20%、实验成绩20%、期末成绩40%，整个过程性评价比例占到60%。学生的课堂及课后的积极表现，实验过程中是否采用了合理、有效的分析及操作方式，自主创造能力以及学习任务的完成情况[4]，都作为学生最终成绩的组成部分。后期对于期末卷面题目，我们计划让学生自主命题，将课程标准发放给学生，按照重点和主次以小组为单位出具一份试卷，并拟定30%的考题来源于学生们的自主命题，希望能反映出学生对该课程的认知和理解程度，调动学生的学习积极性。

评价内容的多维化，从学生学业的知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观三个维度进行综合评价，建立评价主体的多元化，教师、学生评价相结合。我们按照职业道德素质、核心能力、专业知识技能目标制定了课程考核考评表，按照章节分阶段进行考核，极大地调动了学生的学习热情，树立了在整个学习过程中以学生为主体的思想。

6 结语

数控机床数控技术课程的教学研究需要不断摸索，我们希望在有限的教学时间内让学生掌握更多的知识和技能，结合该课程的教学思路，构建更完善的课程体系，开发创新性和综合性的实验[5]，采用更丰富的教学手段和方法，建立网络化教学资源，优化课程考核评价措施，从各个方面调动学生独立思考的积极性，提高教学质量。