信息化教学在数控加工及CAM技术课程中的应用

曹 侃，李鹏志，李建明

(1.石家庄职业技术学院 机电工程系，河北 石家庄 050081;2.衡水学院 学报编辑部，河北 衡水 053000)

数控加工及CAM技术是机械制造与自动化专业的核心课程，主要教授CAM软件操作和加工中心操作方面的内容.无论是采用理实交替式还是理实叠加式教学，都存在资源利用率低，无法满足学生个性化与碎片化学习需求[1]等问题.信息化教学可将信息化技术与传统教学相结合，通过信息化技术化解教学的重点、难点，解决传统教学中存在的一些问题，增强学生的学习主动性，提高学习资源的利用率和教学效果.本文将通过探讨蓝墨云班课、CNC助手、仿真加工软件等信息化手段在数控加工及CAM技术课程中的应用，来分析信息化手段对教学的作用和效果.

1 传统教学存在的问题

(1)课程内容安排不太合理

数控加工及CAM技术课程内容分为三部分，分别为CAM自动编程、加工中心操作和零件数控铣削加工，具体内容如图1所示.

图1 数控加工及CAM技术课程内容

按图1划分教学内容是为了让学生能集中时间学习某项知识或技能，以便夯实基础，为数控加工打好基础.但是在实际教学过程中发现，这样安排教学内容的教学效果并不理想，突出表现在CAM软件的学习与零件数控铣削加工学习的间隔时间较长，学生在进行数控铣削加工学习时，对CAM软件的使用已经生疏，影响教学的进度和效果.

(2)CAD/CAM实训室和车间的教学难以同时兼顾

受班级人数和加工中心数量限制，进行与加工中心相关的实训时，需要将学生分为两部分，一部分在CAD/CAM实训室内学习CAM软件的使用方法；另一部分在车间进行数控加工.实训室和车间分别为两个不同的学习场所，二者之间有一定的距离，教师很难同时兼顾这两个场所的学生.在加工中心操作和零件数控加工的教学过程中，教师需要一直在车间带领学生学习加工中心操作并随时监管，以免发生危险.此时，实训室内学生的学习情况则难以兼顾，学生在学习中遇到问题也难以得到教师的及时指导.

(3)学习场所和时间受限

CAM软件需要大量的练习才能熟练掌握，而课堂时间有限.部分学生虽然购置了电脑，希望在课下能继续学习CAM软件，但缺乏相应的软件操作视频，而购买参考书，不但加重学生的经济负担，其内容也不一定与教学内容相符.

机床操作主要在课上完成，但仅由教师演示操作一遍，学生很难完全掌握.学生进行操作时，往往会再向教师请教，教师也不得不对每组重复演示.因采用分组教学模式，一组学生的两次实训常常会间隔两到三次课，学生对于机床操作的掌握比较慢，在这个过程中需要教师反复讲解和演示，既耗费教师精力，教学效果也不理想，而教学时间却是固定的，实训室也不可能全天对学生开放，因此学生的学习场所和时间均受限制.

(4)加工中心操作考核受限

本课程一直受到设备少、学生多的困扰，对加工中心操作的考核难以覆盖全部学生.传统教学为分组教学，对学生机床操作的考核往往依据该组加工成绩及平时表现进行打分，因此难以考察每个学生对相关操作的掌握情况，该部分成绩也就在一定程度上有失公允.

2 数控加工及CAM技术课程教学改革

在数控加工及CAM技术课程教学中，笔者采用工作过程系统化的课程设计理念，将数控加工工件按由简单到复杂将教学过程分为4个学习情境，且每个情境都包含完整的数控加工过程.同时，引入信息化教学平台及相关教学资源来解决课程的重难点问题，完成课程教学目标.

(1)合理安排教学内容

将数控加工及CAM技术课程分为4个学习情境，见图2.在前三个学习情境中，学生每完成一个学习情境的学习，就会完成一个学习载体的CAM自动编程、加工中心操作和进行零件加工.例如，图3a为学习情境1的学习载体，图3b为该学习情境中学习CAM平面加工的例题——泵盖模型.学生先在教师的带领下学习泵盖的平面加工过程，掌握CAM软件的平面加工功能，然后由学生独立完成学习载体的建模、平面铣削自动编程及加工.学生在此过程中，学习完整的数控加工过程及相关知识和技能，即加工工艺分析、CAM软件数控编程、夹具安装与找正、加工中心操作及加工等.学习情境4为夹具零件加工，需要与机械零件制造工艺与夹具设计、现代制造技术等课程合作完成.由于每年学生设计的夹具均不相同，因此没有设置固定的学习载体.

图2 改革后的课程教学内容安排

a 学习载体

b 泵盖模型

(2)引入蓝墨云班课

蓝墨云班课是一款强大的手机互动教学工具，教师可以使用它轻松、方便地完成点名、签到，向学生推送学习资料，开展头脑风暴、调查问卷、答疑讨论等活动[2].

将数控加工及CAM技术课程的教学课件、课程教学实施计划、考核方案以及教学视频、补充学习资料均发布到蓝墨云班课中，方便学生随时查看、学习，这可在一定程度上解决学生学习场所和时间受限的问题.课上将头脑风暴、测试等活动加入到教学过程中，在方便学生讨论的同时，有利于教师了解学生对知识的理解程度和技能的掌握情况，并对课堂表现较好的学生增加经验值以示鼓励.课程结束后，对本门课的学习情况进行了问卷调查，了解了学生对授课的感受及对知识、技能的掌握程度.

(3)引入CNC助手

CNC助手为微信小程序，分为“学习”和“小工具”两个板块，界面截图如图4所示.“学习”板块存储有G代码、常用加工程序等学习资料，学生能随时查阅；“小工具”板块则有十余个计算和查询工具，供学生在编程及操作机床时使用，如“四面分中”计算、“三点定圆心”计算等.

图4 CNC助手小程序界面截图

(4)引入斯沃数控仿真软件

由于CAM软件的仿真加工主要用于检查刀具轨迹的合理性，而无法实现对数控机床的仿真操作.因此，在课程教学中引入斯沃数控仿真软件，界面截图如图5所示.该软件具有多种数控系统和操作面板，能够模拟加工中心的大部分操作，方便学生在虚拟环境中学习加工中心的操作方法.

图5 斯沃数控仿真软件界面截图

3 教学实施过程

3.1 CAM软件教学

本文以学习情境1的学习单元1.2中泵盖平面铣轮廓粗加工为例，介绍使用CAM软件的教学过程.

泵盖零件的CAM自动编程及仿真加工共分4步工序：粗加工、顶面精加工、侧壁精加工和孔加工，分别对应CAM软件的平面铣、曲面铣、平面轮廓铣、孔加工等4种加工功能.因此，每步工序都安排两课时的教学时间.

3.1.1 课前预习

教师提前将CAM软件操作微课、加工参数等相关学习资料上传至蓝墨云班课，发布课前预习资料，通过测试题来检查学生的预习效果，其中平面铣工序的课前测试情况截图如图6所示.由图6可知，错误率最高的题目为第三题，说明学生在预习过程中对“毛坯边界材料侧”的概念容易混淆.

图6 平面铣工序课前测试题情况

3.1.2 课堂教学

第一步，由教师展示泵盖零件，讲解加工工艺，然后向学生展示用平面铣功能粗加工轮廓并仿真加工的操作过程，讲解主要参数的含义，着重讲解预习中学生不易理解的内容，如“毛坯边界材料侧”的含义.

第二步，安排学生进行上机练习，使学生掌握操作过程和参数设置方法.学生根据教师的讲解，结合蓝墨云班课中的微课，独立生成泵盖的平面铣粗加工刀具轨迹并进行仿真加工，以检验该轨迹的合理性.同时，教师发起头脑风暴，让学生就某些易错参数进行讨论，加深印象.

第三步，发布练习题，通过练习培养学生熟练使用平面铣进行粗加工的能力，借助CAM软件的仿真加工功能，检查学生生成的刀具轨迹是否合理，并指导其进行修改.

第四步，成果展示，即通过蓝墨云班课的选人功能选出学生进行演示操作，教师进行总结和点评.

3.1.3 课后练习

完成学习任务后，在蓝墨云班课上发布课后习题，使学生巩固所学知识，掌握相关技能.

泵盖仿真加工是在教师指导下进行的，学习载体的加工程序则由学生独立完成.学生可借助CNC助手中的轴孔公差表、牙底孔径对照表等设置相关参数，完成仿真加工并生成程序，经教师检查后，将程序用于实际加工中.

3.2 加工中心操作教学

3.2.1 课前预习

在蓝墨云班课上发布微课、测试题供学生学习.

3.2.2 课堂教学

受限于班级人数和设备数量，无法做到人手一台设备进行学习，因此采用分组形式，将学生分为6组.

前三组在数控加工车间跟随教师学习加工中心操作和进行零件加工.第一步，由教师示范操作过程，讲解注意事项.第二步，由学生自行练习，完成刀具安装、对刀等操作.学生在练习过程中可借助蓝墨云班课中的微课反复观摩学习.在进行对刀操作时，可利用CNC助手中的“四面分中”等计算工具确定相关数据，利用“G代码帮助”查询相关代码含义和使用方法，如换刀指令M6.第三步，教师检查各组加工前的准备情况.第四步，上传加工程序，加工工件.第五步，检查加工结果，即检查工件尺寸、公差等.由于笔者所在单位在进行实训室设计时，将CAD/CAM实训室外设计为数控加工车间，因此在加工过程中程序出现问题时，学生能迅速回到实训室检查并重新生成加工程序.教师也方便往来于实训室和数控加工车间，同时监督两个教学场所学生的学习情况.

后三组学生在CAD/CAM实训室内学习.教师可安排其学习CAM软件，生成后续加工零件刀具轨迹和加工程序；或安排学生利用斯沃数控仿真软件反复练习加工中心操作，在实操前熟练掌握其操作方法，了解操作过程.由于教师已经将CAM软件操作微课、加工中心操作微课、《机械加工工艺手册》等学习资料上传至蓝墨云班课供学生参考，因此，在一定程度上解决了教师在数控加工车间时教室内的学生得不到及时指导的问题.

3.3 考核

课程采用过程考核，平时成绩占30%，CAM软件学习成绩占40%，加工中心操作成绩占40%.

平时成绩主要包括蓝墨云班课成绩和实训报告成绩.CAM软件学习成绩主要依据CAM软件生成的刀具轨迹和仿真加工结果进行打分.加工中心操作考核采用上机实操和斯沃数控仿真软件操作相结合的方式.受限于时间，实操考核难以让每个学生都参加，因此每组选出1～2名学生进行实操考核，这些学生可以自愿报名或由教师指定，其余学生则利用斯沃数控仿真软件完成加工中心操作考核，考核内容除刀具安装外，与实操考核一致.由于实操考核是考查学生真实的操作过程，因此在评定成绩时，可适当向参加实操考核的学生倾斜.这样，所有的学生相当于均参加了操作考核，而不仅是以组为单位的考核.

4 教学效果

(1)提高了学生的学习主动性

学生上课前自学蓝墨云班课推送的学习资料和CAM软件、加工中心的操作视频，为学生自学提供了条件.而学生在参加蓝墨云班课的学习活动中，提高了学习的主动性.

(2)师生、生生互动性增强

传统课堂一般通过举手回答问题，参与师生互动的学生是少数，而在蓝墨云班课的头脑风暴、答疑讨论等活动中，大多数学生都能参与其中，教师能通过软件了解大部分学生的学习状况.蓝墨云班课的教学活动既有激励作用，也有强制性，因为它要求所有的学生参加讨论，这对于鼓励学生积极回答问题，参加教学活动有一定的推动作用.

(3)打破时间、空间对学习活动的限制

蓝墨云班课的教学资源可供学生课上和课下学习，因此即使课下没有教师的直接指导，也能巩固和提高CAM软件的操作技能.蓝墨云班课将学习活动有效地扩展到了课堂以外，进而打破了时间、空间对学习活动的限制.

(4)方便兼顾CAD/CAM实训室和数控加工车间教学

开展与加工中心相关的教学时，会有一部分学生留在实训室学习CAM软件操作，完成教师布置的CAM自动编程任务，他们可以利用蓝墨云班课、CNC助手的教学资源反复学习软件操作方法，节省教师指导CAM软件学习的时间.对于加工中心操作，学生可以反复观看操作视频，从而避免因遗忘导致的生疏，有利于提高机床操作水平.

教师向学生提供蓝墨云班课的教学资源，能在一定程度上避免同一个问题针对不同学生讲解多次的情况，有利于提高教学效率；而通过头脑风暴、测试等活动，有利于了解学生学习中的疑难问题，从而使指导更有针对性.

(5)通过仿真软件、CNC助手提高学习效率

斯沃数控仿真软件能使学生在实际操作机床前熟悉操作方法和流程，避免因操作不熟练而发生事故,也能使学生在整个课程中反复练习机床操作，提高熟练程度.CNC助手简单、易用，学生使用该小程序辅助加工中心操作或CAM仿真加工时，能够方便、快捷地计算相关数据，从而节约时间，而且该应用为微信小程序，无需安装额外APP即可使用.

(6)加工中心操作考核能覆盖所有学生

斯沃数控仿真软件的使用，使得教师能够组织覆盖所有学生的加工中心操作考核.通过这种考核，能了解每个学生的学习情况，考核也更加科学、合理.

5 结语

蓝墨云班课便于学生随时随地学习，突破了教学时间和场所对学习的限制，学习资料可以反复观看、学习，极大地减轻了教师的授课压力，也使得教师能够在讲授加工中心操作时，兼顾实训室内自学的学生.CAM仿真加工和斯沃数控仿真软件既能够提高实际加工操作的安全性和教学效果，也使得考核更加合理.CNC小程序提供了诸多数控加工需要的资料和计算工具，使用方便.这种教学设计使学生能够完整地进行4次数控加工过程的学习，既有利于掌握CAM自动编程和加工中心操作的方法，又有利于提高学生综合运用课程知识的能力.将信息化手段应用于教学中，能充分提高学生的积极性，使手机从娱乐工具、通讯工具转变成为有利于提高学习效果的学习工具.