问题导向型数控车虚实结合教学实践与探索

王建武, 金仁东, 王 超, 邹 静, 黄书江, 张金海

(北京科技大学 a. 高等工程师学院金工实习基地； b. 资产管理处， 北京 100083)

0 引 言

现代社会科技发展更新迭代速度迅速，行业、国家间的竞争也越趋于激烈。技术的竞争，最终归结于具有扎实基本理论和娴熟实践经验的工程技术人才的竞争[1-2]。为适应新形势，我国高校建立了很多工程训练中心，涵盖铸造、焊接、普通车床加工、数控车床加工等教学项目，对工科类学生进行工程训练[3-4]。数控车削技术是学习机械加工的基础工艺[5-6]，传统数控车教学中存在教学模式单一、学生车床操作效率低，程序运行错误较多等诸多问题[7]，亟需对数控车床教学模拟及方法进行改进。问题导向型教学方法是一种将实际情景问题以导向的形式呈现，引导学生思考问题产生的原因，分析解决办法的教学方法。国内有许多学者[8-9]对该方法进行了研究，并应用到相关教学中。但问题导向型教学方法在数控车实习教学过程中引入较少，现结合北京科技大学教学实际，对问题导向型数控车虚实结合实践教学进行了研究和探索，并着重介绍了该项目的教学目标、教学模式和取得的相关成效。

1 教学目标

基于问题导向型数控车虚实结合的教学目标是：以培养学生发现问题—分析问题—模拟仿真—实践操作—解决问题的综合素质培养为导向，以解决实际工程问题为目标，构建“工程问题导向剖析—柔性需求性学习—虚拟实践结合—工程精细管理为一体的新型数控车虚实结合”教学模式。采用数控车床虚实结合的教学方法，激发学生探索意识和动手能力；结合问题导向型教学理念，增加学生学习兴趣；解决工程实际问题，增强学生成就感，为培养具有卓越工程实践能力的高级工程技术人才[10-12]的工程训练实践教学模式提供参考。

2 教学模式

问题导向型数控车虚实结合实践教学课程设计如图1所示，教学内容主要分为设备故障查找、虚拟仿真教学和实际数控车加工操作三部分，三部分联系紧密，关联性强，循序渐进，建立发现问题→寻找答案→仿真模拟→实践操作→解决问题的工程导向思维。

图1 课程设计图

2.1 “导向剖析”—建立解决工程问题思维

数控车实习应以问题为导向型，鼓励学生加工制作实际的机械零件产品。而传统数控车教学中，指导教师提供统一图纸，并进行相关操作演示，学生根据图纸进行相关程序设置并进行加工。问题导向型数控车实习教学聚焦实际工程问题(老旧淘汰普通车床存在的故障)，建立学生解决工程问题导向思维，激发主动学习内在动力。以某组学生解决车床变速箱故障为例，解决问题路线图如图2所示。

图2 解决实际工程问题流程图

2.2 “柔性需求学习”—激发学习主动性

问题导向型数控车虚实结合实践教学内容根据零件加工制作要求需要进行“柔性需求学习”[13-14]，即针对不同生产要求，制定不同的学习计划，从而有针对性解决问题。以生产出变速箱损坏零件为例，需进行零件图纸设计、材料选择，编制工艺，编制程序、数控车模拟机学习和数控车实践操作等内容，并对每个学习内容进行详细设计，见表1所示。并根据每项实习教学内容，制作了开放的学习资源，包括教学MOOC资源、教学视频、集中教学和分散教学时间等内容，以满足学生对实习教学内容自主学习的要求。

2.3 “虚拟实践结合”—提高加工成熟度和设备使用率[15-16]

数控车虚实结合教学中关键是将数控车教学操作中的不可见及易出问题点以可视化的方法呈现出来，例如可清晰看到刀具按照设定好的数控加工程序执行切削的轨迹全过程；模拟进/退刀刀具路径的规划、加工过程中潜在的碰撞干涉等数控加工程序的正确性；预测零件的加工质量等。根据以上模拟运行过程，对数控加工程序进行优化。实现了真实实训不具备或难以完成的教学功能，对实体实践形成有效补充，扩展了实践内容(见图3)。

由于学生在真实开动数控设备之前已进行了程序正确性检验和数控模拟加工全过程，所以学生在进行实际加工制作时可避免撞刀或大吃刀等误操作后对机床精度，主轴，导轨，电机产生损坏，不会产生机器伤人、人伤机器等问题，极大减少了废品率的产生，能有效避免实践教学过程中可能出现的各种危险因素，杜绝事故发生和节省维修成本，同时提高了加工成熟度和设备使用率。

2.4 “工程精细管理”—培养工匠精神

问题导向型数控车虚实结合教学实习不仅注重学习内容，更加注重产品质量，注重培养学生“迎难而上、精益求精”的工匠精神。学生在数控车操作过程中会遇到各种问题，例如零件设计尺寸精度问题、模拟加工过程报错问题、数控车加工碰刀和零件装配过程匹配度不合等问题，培养学生遇到问题-寻找方法-动手操作的解决问题工作态度，为新工科背景下卓越工程师计划培养合格的人才。

3 教学成效

学校实施基于培养学生解决工程实际问题能力的“问题导向型”数控车虚实结合教学项目，构建了老旧淘汰设备再利用与虚拟仿真，现代制造技术相融合的实践教学环境；集中优势资源，细化、规范实践教学环节，实践过程体现了学生的自主性和探究性；教学模式实现了从体验式到探究式的转变，有效培养学生创新思维和解决工程实际问题的能力。教改项目实施后对学生成绩、工程训练中心数控车间管理和学生参赛成绩都起到了极大促进作用。

3.1 学生成绩

由图4可知，2020年学生成绩较2019、2018年有明显提高，其中良好及优秀比例达到90%以上，不合格率明显降低。

图4 教学改革后学生成绩

3.2 学生参赛成果

教学改革后，学生参加了全国大学生机器人大赛、北京市大学生工程训练综合能力竞赛等更多的相关竞赛项目，获得了较好成绩，极大鼓舞了学生的参赛热情，并为今后学生参与问题导向型数控车虚实结合教改项目提供了参考依据，见表2。

表2 教改后学生参赛获奖汇总

3.3 工程训练中心数控车间管理更科学规范

“问题导向型”数控车虚实结合教学改革实施后，学生通过数控车床模拟训练后，对数控车床的熟练度大大增加，减少了原材料的损耗量和设备维修次数，提升了设备运转效率，提高了零件的加工精度,如表3所示。与2019年相比，2020年至今教改后学生操作数控车床加工零件时间与2019年相比减少了50%，设备运转效率提高了50%，原材料损耗降低了50%以上，至今未曾发生实习安全和设备使用人为故障。

表3 工程训练中心维修经费

4 结 语

在新工科和“双一流”建设背景下，针对国家、产业及社会对高素质人才培养的发展需求，学校开设了以培养学生解决实际工程问题能力的实践教学项目，构建了新式工程训练实践教学环境，实现了工程训练实践教学体系在教学内容上注重探索性。在教学过程中，将品格、知识、能力和素质教育融入整个实践全过程，在培养具有“工匠精神、创新思维、探究精神和解决工程实际问题能力”的多元化、创新型工程科技人才方面取得了初步成效，产生了明显的示范辐射作用，并进一步促进了工程训练中心的实践教学体系的不断完善和拓展，助力人才培养。