基于翻转课堂的数车实训课堂教学模式改革探索

卢 燕

贵州理工学院工程训练中心 贵州贵阳 550007

随着网络信息技术的迅速发展，新的教育理念层出不穷，为教育变革提供了无尽的想象空间和探索空间[1]。在当前的互联网时代，传统课堂教学模式受到极大挑战，学生对课堂的需求越来越多样化，如何以多种方式满足多样化需求，并应用现代信息网络技术丰富教学形式、提高教学效果，是亟待解决的问题。翻转课堂具有主题突出、可重复、短小精悍、交互性好、应用面广、方便快捷的特点[1]，能够满足个性化学习、移动学习及线上线下混合教学需求，因而成为近年来教育领域里的新兴教学模式。

数控机床的应用越来越广泛，对其保护也不容忽视，特别是高校里的数控设备，都是提供给学生这样的初学者使用，更要注重对设备的维护和保养。在数控车削实训实践教学中，经常会由于学生的错误操作导致撞刀，所谓撞刀，指的是刀具与工件或机床上的部件相撞。撞刀轻则损坏刀杆或刀片，重则影响机床的加工精度，甚至造成人身事故[2,3]。

基于上述背景，将对数车实训中撞刀现象进行总结，并分析造成上述现象的实质原因，然后提出基于翻转课堂的数车实训课堂教学模式改革探索方案，并对方案的可行性进行分析，以期有效避免数车实训中的撞刀现象，提高教学质量，调动学生积极性。尽管翻转课堂在培养学生自主学习意识和提升学习效率方面，有着非常大的优势，但考虑到学生对新事物的接受还有一个过程，因此针对基础知识仍采用传统教学模式，针对数车实训中的重点和难点则采用翻转课堂教学。

1 撞刀原因分析

从长期的实践教学中得出，学生发生撞刀现象的原因多种多样[4,5]，主要分为以下几类：第一，程序错误。例如在加工过程中，错误使用G00和G01指令，导致切断时本该用G01慢慢切断，学生错误使用G00后会造成切断刀进给速度过快导致刀片折断，刀具与工件相撞；有时由于走刀轨迹的坐标值输入错误或者循环指令起止号错误都会造成刀具与工件相撞。第二，手动移动刀架过快撞刀。作为初学者的学生刚开始操作数控车床，有的还分不清坐标的正负就开始用方向键快速移动刀架，导致刀具与机床尾座、三抓卡盘、工件等相撞。第三，对刀过程中撞刀。由于对刀过程烦琐，学生短时间内不能快速消化，操作时会因为退刀方向错误导致对刀数据错误，直接启动运行程序就很容易撞刀；对刀时刀架移动过快或是几个学生一起操作机床也很容易发生撞刀现象。第四，换刀时撞刀。换刀位置必须是安全位置，所谓安全位置是保证刀具不能和工件或机床部件相撞，学生操作时考虑不全，或是程序中换刀坐标位置不对时就很容易撞刀。第五，其他错误。例如切退刀槽，切完后应先沿X轴正方向退出来再沿Z轴正方向退刀，学生操作时直接从退刀槽根部退到X=100，Z=100的位置必然会撞刀；运行程序前未复位，未正确回参考点，应先回X轴再回Z轴，避免刀架与尾座相撞。

上述撞刀现象本质原因还是学生操作前对知识点掌握不透，特别是对走刀轨迹理解错误、不理解对刀操作及原理和对面板不熟悉，由于整个数控车床加工过程操作步骤很烦琐，不理解就直接凭感觉操作，或是死记硬背，操作过程很容易出错，而且加工过程中发生什么意外事故时不能及时解决。因此，必须对走刀轨迹、对刀原理及面板使用有深刻的理解，否则稀里糊涂地就开始操作将会埋下撞刀的巨大隐患。

2 基于翻转课堂的数车实训课堂教学模式改革探索方案

在数车实训教学中，发现学生很难理解走刀轨迹、对刀原理，且操作中由于步骤较多容易混淆很多操作，例如对刀数据输入时忘记在对应的坐标值前加上X或Z；输入Z0后应按“测量”键，学生会错按面板上的“Insert”键；移动方向键前工作方式不是手动导致方向键不能移动。因此，如何在今后的课堂教学改革中让学生在有限的学时内理解走刀轨迹、对刀操作及原理和对操作步骤进行界限分明的划分(特别是面板的使用)将是重点研究工作。

目前我校金工实习是模块化教学，集中一个时间段进行实训，数车实训是其中一个大项目，具体实习子项目由各学院根据培养方案进行个性化选择，根据所选子项目的总学时计算，数车实训通常占9～24学时。基于这样的现状，数车实训实践教学能够充分利用翻转课堂，将课堂的重点和难点做成微视频，供学生课前学习，课堂上进行师生交互沟通，把课堂搬到车间，提高学生学习效率及实际动手能力。

翻转课堂教学的精髓在于线上线下混合教学，以数车实训中学生经常出现撞刀现象为契机，提出基于翻转课堂的数车实训课堂教学模式改革探索方案，具体实施方案如下。

首先，确定将走刀轨迹、对刀操作及原理、面板介绍作为整个课堂的重难点，分别制作对应内容的微视频。例如，可在走刀轨迹微视频中顺便介绍机床坐标系和工件坐标系，利用动画区别G00和G01两个指令的区别，给出几个坐标点动态地讲解走刀轨迹是点(也就是刀尖)的位移，按照预期路线移动。对刀操作则强调目的是为了找到编程坐标原点，切端面是为了找到Z=0的端面，因此是对Z轴；而切外圆是为了找到径向上X轴的旋转中心，机床可以根据外径值自动反推旋转中心位置，所切外圆的圆心必然在一条线上，该线与端面有且仅有一个交点，该交点便是工件坐标系上的坐标原点，因此这是对X轴。而且同时强调，对刀时机床能跟踪的是当前刀尖所处位置，切端面时刀尖在端面上Z轴才为0，因此对Z轴时，设置参数前不能让刀尖在Z轴方向上移动，只能沿X轴正向退刀，同理，对X轴时只能在Z轴正向上退刀。可将上述内容做成微视频，动态讲解切削过程、退刀方向及对刀操作步骤。面板介绍方面，注意区分系统面板和控制面板，可将不同工作方式下能实现的不同功能做成微视频，着重强调工作方式、手摇、方向键、程序运行；将程序的录入做成一个小视频，着重介绍系统面板上编辑程序时常用的取消键、删除键、替换键、插入键、分号键。

其次，将微视频作为课前预习提前发给学生，在对应的微视频最后都有对应内容的习题，学生看完视频后需要做完习题才算结束，习题可设为随机的，从给定题库中选取；当学生看不懂或有疑问时还可在看完视频后给教师留言；另外，学生在课前还要提前组成3～5个人的小组，推选出“小老师”。

然后，在课堂中让推选出的“小老师”任意挑一个内容(走刀轨迹、对刀、面板使用三选一)讲解，同伴可以提出不同意见和看法供大家讨论，这期间教师可以在“小老师”讲解后进一步抛出问题供学生思考。

最后，教师针对以上内容做总结，查缺补漏，并对学生留言的问题进行答疑，老师在必要时可以实际操作机床进行讲解和答疑。为了鼓励学生积极主动学习，可以评选出“最佳小老师”“最佳实验王”“最佳小组”和“最佳预习王”等，评上的学生将进行加分。

目前，我校与教育部在线教育研究中心和学堂在线合作，利用慕课、“雨课堂”创新性地将技术、理念与实际相结合，积极推进课堂教学改革。“雨课堂”作为智慧教学工具在我校已经得到大范围的使用，“雨课堂”注册用户数已达20 360人次，班级数3 095，总授课数666，教学活动数1 445。学校校园网络开放，凭学号密码都能登录。这些都为微视频搭建了较好的网络平台，提供了强有力的支撑。工程训练中心能够提供车间和仿真实训室，保证每一名学生都能在PC机上进行数车仿真操作、每3～5名学生共同操作一台数控车床。因此，本文基于翻转课堂的数车实训课堂教学模式改革探索方案可借助我校“雨课堂”平台实现。

但仅仅依靠翻转课堂不足以完全避免撞刀现象，除了改变课堂教学方式、方法外，还应该在每组设立安全员，要求细心、动手能力强，安全员要验证同组人员对刀是否正确、手动切削时进给量是否合理、程序是否错误、加工前是否复位等；加工前一定要请指导教师检查对刀数据和程序，然后才能自动运行加工；各组的程序必须是经过讨论统一认可，并经过仿真加工验证过的。

3 结语

以数控车削实训中学生经常出现的撞刀现象为切入点，详细总结了撞刀原因并分析了这些原因的本质，得出学生操作中由于对知识点理解不透彻给撞刀留下了巨大隐患，主要体现在不理解走刀轨迹、不理解对刀操作及原理和对操作面板不熟悉三大方面。然后提出基于翻转课堂的数车实训课堂教学模式改革探索方案，将上述三大方面作为重点和难点做成微视频，结合线上线下混合教学进行课堂教学模式的变革，还对该方案可实施性进行分析。最后还补充了除了改变课堂教学模式外的其他3种方法避免数车实训课堂中的撞刀现象。