基于OBE理念的数控铣削实训教学设计

陈 博，田 斐，张立昌，杨 根

(1. 西安工程大学 工程训练中心，陕西 西安 710048;2. 西安思源学院 教育学院，陕西 西安 710038)

0 引 言

高等工程教育是高等教育的重要组成部分。随着“中国制造2025”“互联网+”“创新驱动发展”等国家重大战略的相继实施，我国正在从制造业大国向制造业强国转变，这对工程技术人员的工程实践能力和创新思维提出了更高要求，迫切需要对现有工程教育体系进行改革与创新。工程教育专业认证围绕“以学生为中心、以成果为导向、持续改进3个理念”制定专业认证标准，是我国工程技术人才培养体系实现与国际接轨、互认中的关键性举措，也是推进我国高等工程教育改革和发展的重要途径[1]。

成果导向教育(OBE)是国际工程教育认证协会所遵从的基本理念，最早由美国教育学家Spady提出，强调教学活动的设计与实施要以实现学生的预期学习成果为目标，代表着当前工程教育改革和发展的最新方向[2-3]。OBE依据培养目标反向设计课程内容、课程实施与课程评价，将工程技术人员应具备的核心素养培养贯穿于工程教育的始终[4]。数控机床作为未来装备制造业的关键性设备，其相关技术是支撑我国高科技产业健康发展，实现装备制造技术现代化的重要保障[5-6]。因此，在工程教育专业认证背景下，以OBE理念为指导设计数控铣削实训教学，对于提升我国数控类工程技术人才培养质量，促进高等院校工程训练教学改革，具有积极的推动作用。

1 当前数控铣削实训教学存在的不足

1.1 教学目标不明确，教学内容单一

数控铣削实训是高校工程训练(机械)课程的重要组成部分，但是很多高校在制定数控铣削实训教学大纲时，却笼统地将教学目标概括为“使学生具备一定的机械制图、工艺分析、程序编制、机床操作等方面的能力”，并没有按照企业对数控类工程技术人才的实际需求，因人而异、分类培养[7]。此外，当前的数控铣削实训教学内容比较单一，存在着典型零件案例少、对学生的吸引力不足，与理论课程脱节、难以提升学生的综合素质，自由发挥空间小、缺乏对学生个性化和创新能力的培养等问题。

1.2 教学方法不科学，没有以学生为中心

目前的数控铣削实训教学大多没有按照工程教育专业认证要求，以学生为中心，按照不同层次、专业制定科学的教学方法。仍然是老师先讲授设备的加工原理、编程方法、操作步骤等，学生再“依葫芦画瓢”式地重复练习。整个过程枯燥、乏味，导致学生在实训结束后仅仅是单方面地完成了老师所布置的实训学习任务，既不能充分激发学生的学习积极性，又无法帮助学生引申、拓展，形成自己的知识体系。

1.3 评价方法不合理，缺少对学生创新思维、综合能力的考核

现行的数控铣削实训教学成绩，主要由任课教师对学生的考核件完成质量、实训报告、日常考勤、理论考试等方面的表现进行分项打分后再求和得出，缺少对高素质工程技术人才应具备的创新思维、综合能力、团队协作精神等方面的综合性评价。学生往往只关心老师给自己打了多少分，而不在意自己是否达到了教学大纲所设定的预期学习目标，不利于复合型工程技术人才的培养。

2 数控铣削实训教学设计

2.1 设计方法

项目教学法是一种理论与实践相结合，以师生共同完成某个项目而开展的教育、教学活动[8]。本研究以镂空六面体零件为项目载体，将零件设计、程序编制、机床操作等知识融入到教学过程当中，在OBE理念的指导下，采用项目教学法设计教学目标、充实教学内容、优化教学方法、完善考评体系。通过对典型零件的设计与加工，将企业实际加工过程中的人员、物料、设备、操作、产品、检验等要素贯穿于教学始终，把理论知识、实践操作、团队协作、自主创新四者结合起来，持续培养大学生的工程实践能力、团队协作精神以及创新思维能力。

2.2 实施条件

为保证教学项目的顺利实施，如表1所示将整个教学过程划分为项目引入、教学演示、项目实施、考核评价4个节点。按照课程内容设定，结合我校数控实训车间实际情况，设计、编程软件选择NX9.0；加工仿真软件选择斯沃数控仿真软件；加工设备选用大连机床厂生产的XD-40A型3轴数控铣床；加工刀具选用排屑顺畅，加工表面粗糙度较好的D6单刃螺旋立铣刀；夹具选用精密机用平口钳；毛坯选择边长为55 mm的正六面体亚克力块，量具为游标卡尺。

表1 项目教学实施方案

考虑到数控铣削加工特点、加工时长、工序编排等因素，学生每2～3人自由组合为一个小组完成教学项目，并指派管理和动手能力较强的学生担任组长。待任务下达后，由组长组织本组成员对项目任务进行讨论、分析，通过合理的组员分工有效确保教学计划的顺利实施。

2.3 教学项目引入

数控铣削加工被广泛应用于机械设备制造、模具加工、航空航天等领域，不但可以对零件进行平面轮廓铣削、曲面轮廓铣削，还可以进行钻、扩、绞、镗、锪以及螺纹加工等处理。在正式引入教学项目之前，教师先通过播放图片、视频等方式向学生介绍数控加工技术在促进我国装备制造技术进步、国民经济发展以及国防装备现代化等方面的关键作用，在弘扬“工匠精神”“劳动精神”的同时，不断激发学生对数控铣削实训的学习热情。

图1为镂空六面体的设计图纸，零件为正六面体，型腔由4个直径不相等的同心圆通过深度差切割而成。以镂空六面体零件的数控铣削加工为载体引入实训教学项目，整个过程以学生为中心，紧紧围绕项目的完成而进行。教师在向学生讲解镂空六面体零件的结构特征、设计思路、工艺要点以及数控铣床的安全操作规程之后向学生下达学习任务，并引导学生以师生交流、小组讨论等形式对教学项目的实施节点与小组成员的责任分工作出合理安排。学生则以小组为单位查阅相关资料，自主学习NX9.0软件、编程指令、加工工艺、机床操作等方面的专业知识。

图1 镂空六面体设计图纸

2.4 教学项目演示

在引入教学项目之后，教师先向学生现场演示NX9.0软件以及数控铣床的基本操作，再引导学生将这些实践知识与之前查阅、学习相关资料所积累的理论知识进行交互融合，初步形成学生自己的知识体系。学生在学习数控铣床加工原理以及安全操作规程的基础上，要掌握常用编程代码，熟悉机床操作面板，练习对刀操作方法，并能够使用NX9.0软件设计出合格的镂空六面体零件三维模型。

2.5 教学项目实施

教学项目的实施是数控铣削实训教学设计的关键内容。本阶段要求学生以加工出合格的镂空六面体零件为目标，自主完成零件的设计、编程、加工任务。为了弥补数控实训设备的不足，减少加工材料的消耗，学生需先在计算机上借助斯沃数控仿真软件练习数控铣床的基本操作以及加工程序的录入等内容。这样不但能够使学生在短时间内快速熟悉数控铣床的操作面板，还能利用斯沃软件的刀路仿真功能校验所编程序的准确性，进而达到提升数控铣削实训教学质量，预防安全事故发生的目的。教师在引导学生做好加工前各项准备工作的同时，还要向学生介绍车间6S管理要求，以培养学生的安全文明生产精神。

在数控铣床的实操环节，学生要以小组为单位轮流上机操作。每个小组需要完成数控铣床的开关机、毛坯装夹、程序录入、对刀操作、程序运行、零件检验、设备维保等工作。考虑到时间因素，各组的上机加工时间应控制在30 min左右。此外，在实际上机加工前，教师还应告知学生如何及时、准确处理突发情况，以确保人员和设备安全。待所有小组完成镂空六面体零件的设计、加工任务后，教师开始引导学生利用所积累的知识与经验每组独立完成1～2件中国象棋、硬币雕刻、孔明锁等拓展实训项目的设计与加工。

2.6 考核评价标准

根据学生的学习成果制定科学、合理的考核评价标准，既是数控铣削实训教学内容的延续，又是OBE工程教育模式不可或缺的重要环节。在以OBE工程教育理念为指导制定数控铣削实训教学考核评价标准时，除了要对学生考核件的设计与编程、数控铣床的操作与维护、实训报告和理论成绩、考勤以及日常表现等传统考核项目进行评价外，还要对学生所达成的阶段性成果，如加工方案制定、项目实施规划、加工难点总结以及所提出的应对策略等进行考核。此外，各个小组成员的团队协作精神、创新思维以及对于知识的综合运用能力也应该纳入到考核评价标准之中。

3 数控铣削实训成果

在完成镂空六面体零件的数控铣削加工项目之后，学生可以综合数控车床、电工电子、3D打印、激光加工等其他实训学习成果，充分发挥想象力和创新思维对实训项目作品进行持续性改进。图2为加工完成后的镂空六面体零件，图3为学生在镂空六面体零件的基础上改进而成的创意台灯。图4为项目拓展阶段，学生自主设计、加工完成的中国象棋、硬币雕刻、孔明锁的实物作品。

图2 镂空六面体

图3 创意台灯

(a) 中国象棋

4 结 论

在工程教育专业认证背景下，基于OBE理念，以学生为中心，成果为导向，采用项目教学法设计的数控铣削加工实训教学，符合高校工程训练(机械)课程目标要求，能够有效引导和帮助学生积极发挥主观能动性，自主学习与零件设计、编程、加工相关的数控专业基础知识，使学生在完成教学项目与拓展项目的同时获得一定的成就感和满足感，进而促进预期学习成果的达成。教学实践表明：基于OBE理念设计的数控铣削实训教学，能够有效提升大学生的工程实践能力、创新思维、团队协作精神以及对知识的综合运用能力，同时对于数控铣削实训教学的持续性改进具有一定参考。