任务驱动下的信息化教学案例设计——以轴类零件车削实训为例

胡晓军，徐云杰，管 珣，蔡嘉宾

(湖州师范学院 工学院，浙江 湖州 313000)

0 引 言

自引入数控技术以来，中国的制造业得到了快速发展，产品的质量和复杂度不断提升.为加快推进中国制造2025的实施，各大高校都在向应用型本科转型，特别是工科专业尤为重视理论与实践相结合的培养模式.数控车实训是高等院校机械类专业一门重要的实践性必修课程，是培养应用型人才的必要手段[1].随着信息技术在教学领域的发展，学习者有了更多的学习途径和机会，可以随时随地进行学习与交流[2-4].本文借助信息化手段，以任务引领形式建立实训前、中、后期的闭环监测教学模式，使知识点更加立体、形象，以激发学生的学习积极性，为学生带来更多的学习成就感.

1 传统数控车实训存在的问题

1.1 教学场地和教学设备受限

高校工程训练中心设备的种类、数量较多，很难在单独区域安装投影设备，且在教师演示操作时，因设备操作屏幕较小，学生听不清教师的讲解内容和看不清教师的演示流程；数控车床属大型贵重专用设备，高校工程训练中心的配备数量较少，实训过程不能保证3～4名学生同时操作机床，且课时量有限，每位学生的训练要求得不到满足.

1.2 教学模式受限

传统的数控车实训教学一般是教师讲解实训原理和操作方法，学生再按照实训要求和教师给定的实训程序进行验证性加工，在此过程中学生较少有深入的思考；实训课程缺乏学生的个性展示平台，学生平时接触数控机床和数控编程较少，很难在较短时间内掌握教师所讲的内容，若直接上机操作，则无法熟练地完成实训任务.

2 基于任务驱动的信息化数控车实训教学模式

兴趣是获取知识的最好动力.传统的数控车教学模式很难在教学的初始阶段激发学生的学习兴趣.任务驱动教学模式是以实际热点工程案例激发学生的学习兴趣，以解决实际工程问题为驱动，采用“线上自学”+“线下反转”+“模拟/实操”+“线上反馈”的教学模式，并以知识点在实际中的理解、运用，以及以工程案例解决程度为考点，侧重学生真实工程表达能力的考核[5].具体实施方式如图1所示.课前教师通过微信、雨课堂等工具发布相关的课程资料(视频、文档等)，以所学知识在工程实践中的热点应用实例，引出本节课程的知识点，布置实训任务，学生通过线上自学完成对课程的认知，从而获取知识；课中教师依据学生的自学情况，有针对性地讲解知识点和操作要点，学生可预约时间上机操作进行模拟训练；课后教师针对学生上传的文档进行在线批改与反馈，并布置练习题，让学生针对自己和他人在实操中存在的问题进行强化训练.

图1 教学模式架构Fig.1 Teaching mode structure

3 轴类零件加工教学实施案例

本文以轴类零件加工实训项目为例，介绍教师借助信息化平台，课前向学生推送碎片化资源，以提高学生自主学习的积极性[6]；课中充分利用学习平台了解学生在实训过程中对知识点和操作技能的掌握情况；课后实时评价和反馈教学模式的实施情况.

3.1 课前

3.1.1 引入工程案例

轴类零件主要用于承载部件和传递动力，在工业产品设计中运用广泛.如在新冠疫情影响中，各类型的口罩制造机械已成为2020年上半年最受关注的机械产品，机器通过不同结构类型的轴类零件完成口罩制作，如图2所示.在轴类零件加工教学中，教师通过发布某型号口罩机的模型图片、现场生产视频，以及在视频中嵌入实训教师对口罩机生产流程和各功能模块结构的分析，使学生了解口罩机的工作原理和轴类零件在口罩生产过程中的作用；通过对实际工程案例的讲解，使学生对轴类零件的类型、功能有初步的概念，由此引出课程内容——轴类零件加工.

图2 某型号口罩生产线模型Fig.2 A certain model of mask production line

3.1.2 轴类零件加工教学流程的安排

依据教学大纲对学生知识点的掌握要求，教师将板书、PPT、上机模拟、现场实操等录制成学习视频.其内容如下：

视频一理论讲解：轴类零件的特征、使用的指令和刀具.

教师以口罩机为例，引入常用轴类零件结构(光轴、阶梯轴、异形轴等[7])；通过对各种轴类零件轮廓特征的分析，总结常用轴类零件特征的组成(外圆、槽、圆弧、螺纹等)；确定轴类零件加工常用的数控指令和刀具.教师通过理论讲解使学生掌握轴类零件加工所用到的指令和刀具.

视频二理论讲解：轴类零件加工编程.

数控车编程分为手工编程和计算机编程，形状简单的轴类零件通常采用手工编程.教师首先针对图3所示零件，讲解为什么在同一段圆弧，以中心线为分界时，按照上半部分编程需使用逆时针指令，而按照下半部分编程需使用顺时针指令，编程时以哪个为准，以此引出轴类零件手工编程时的工件坐标系和各坐标轴正向的定义，以及如何通过所定义的坐标系来判断圆弧编程使用的插补指令；然后介绍数控车编程格式和注意事项.

图3 圆弧方向确定Fig.1 Judgment of arc direction

视频三实验展示：运用仿真软件验证程序的正确性.

以图3所示零件为例，编制加工程序，并进行仿真实验.教师首先讲解如何使用数控仿真软件建立对应型号的数控车床和如何建立毛坯和刀具；然后详细讲解对刀具的操作方法和工件坐标系的设定；最后讲解如何将程序输入虚拟机床并进行仿真验证.教师通过讲解使学生掌握模拟加工的基本流程和程序正确性的判定方法.

视频四实操展示：利用数控车床加工真实零件.

教师首先将图3所示零件的程序输入机床，并在机床上安装毛坯和刀具；然后现场演示对刀流程、程序加工和程序暂停功能的使用，以及遇到突发情况如何处理等内容，让学生掌握实操基本流程和应急处理方式.

3.1.3 布置练习任务

课前一周，教师通过微信、雨课堂等软件布置预习任务[8]：

(1) 引入案例预习，并找出1～2个包含轴类零件的机械产品.

(2) 完成教学视频学习，讨论轴类加工的一般流程.

(3) 完成教师布置的零件编程和仿真，并上传仿真结果和报告.

(4) 查阅资料，完成并提交轴类零件实操加工流程说明的文档.

3.1.4 了解预习状况

学生收到任务通知后，依据自身情况合理安排时间完成预习任务；教师通过后台查看学生的预习情况和预习过程中反馈的问题，并在课前1～2天提醒未完成预习的学生完成预习任务；依据学生完成预习任务的情况和反馈问题，实时调整课程安排和重点讲解内容.

3.2 课中

3.2.1 对预习任务进行点评

教师将任务预习情况推送至大屏幕或学生手机端，对预习效果较好、模拟正确率较高的学生加以肯定，对未完成预习任务的学生进行引导教育，以提升学生学习的主动性.

3.2.2 问题分析及内容串讲

针对学生预习过程中存在的共性和个性问题(表1)，教师讲解引起各类问题的错误原因和在实操加工过程中可能引起的后果，以及数控车轴类零件加工编程的流程和编程格式，并给学生预留一定的时间修改自己的程序；教师完整展示编程代码，学生自行对照纠错.教师通过课程讲解和代码展示，使学生更深刻地认识到自己在编程及模拟过程中存在的问题，充分激发学生的学习兴趣.

表1 问题分析

3.2.3 疑问解答

学有余力且善于思考的学生完成基本任务后，通常还会进行更深入的思考和学习.例如，有学生提问：程序编写时，一般是否要指定相同的刀具号和刀补号(如T0101、T0202)，能否指定不同的刀具号和刀补号(如T0105)，如果可以，在加工时需要注意什么？对此类疑问，教师在讲解完课程的基本内容后，应将所有疑问列出并逐一作出详细解答，以便学生对数控编程和机床操作有更深入的理解.

3.2.4 现场编程和模拟

教师现场布置实训任务，并预留一定的时间让学生完成程序编写.为解决实训设备不足的问题，教师可将学生分成10人一组，每组分别将程序输入机床并模拟，教师依据学生模拟完成的先后顺序和模拟的正确性记录学生的平时成绩.

3.2.5 上机实操

因实训设备有限，不能有效满足所有学生的实操训练，学生可根据自身情况，通过微信平台向实训教师预约实操训练时间.在预约时间内，学生从领取毛坯、刀具和量具开始，再到零件加工，最后到打卡和上交工件完成实操训练.此种实训模式可缓解实训设备不足带来的压力，也能促使学生更充分地利用碎片化时间进行练习.

3.3 课后

教师依据学生提交的工件、程序清单、工艺卡片、课堂表现等对每位学生的实训情况进行综合评价，并将评价结果和练习中存在的问题通过微信、雨课堂等反馈给每位学生，让学生在课后根据自己对知识的掌握情况复习教师发布的学习资源，运用仿真软件进行模拟练习，以查漏补缺，也可在线给教师留言进行互动学习.

4 成效分析

本研究选取湖州师范学院2017、2018级机械设计制造与自动化(师范)专业学生共59人为调查对象，通过问卷方式反馈教学效果，结果见表2.

表2 教学效果反馈

调查结果显示：93.2%的学生较认可新型的教学模式；95%的学生对数控技术学习表现出较高的兴趣；91.5%的学生认为新型的教学模式可以提高实操技术和自主学习能力；61%的学生认为课前教师布置的任务量适中.

5 结 论

在信息平台辅助下实施任务驱动的数控车实训教学模式，不仅可以使学生确立明确的学习目标，提升学生的实操技能，实现师生实时互动，还可以激发学生的学习主动性，使学生对数控车技术有更深层次的探究.但该模式中的课前资源学习时间，以及学生的学习态度和方法还有待进一步探究，从而更有效地提高课程教学质量，提高学生对知识的掌握程度.