基于四维模式的数控加工技术课程实验教学改革

张丽娟 李宝栋 岳佳欣

（1.兰州工业学院 机电工程学院，兰州 730050；2.兰州理工大学 生命科学与工程学院，兰州 730050）

为实现从制造大国向制造强国的转变，我国根据现实国情提出了《中国制造2025》[1]。制造业的发展离不开数控技术的护航。数控加工技术课程作为机械制造专业的必修基础课程之一，旨在培养具有数控加工能力的工程实践应用人才。此课程中的数控加工实验具有举足轻重的作用[2-3]。在新工科背景下，重新审视实验教学过程发现，教学效果常常受到实验内容、实验时间、实验仪器数量的影响，而且实验脱离企业实际生产，无法满足工程人才的培养需求，迫切需要加快实验教学模式改革。

结合本课程特点，以复合型应用人才为核心培养目标，构建理论-实践、线上-线下、个人-小组、学校-企业的四维实验教学模式，实现多元化的实验教学，推动实验教学内容改革，促进教学质量提升。理论与实践循环学习，相互促进吸收；结合线上与线下，改变传统实验教学输入模式；从个人到小组，学生共同成长，激发学习动机和兴趣；借助校外企业，实现产教融合。通过实验教学模式改革，不仅能提升教学质量，满足学生的工程能力培养需求，而且能推动整体课程建设。

1 实验教学设计

本课程实验采用理论与实践相统一、线上与线下相结合的教学模式，融合学生个人设计和小组讨论分析成果，选取企业真实零件案例作为加工任务，依托学校金属切削加工实验室，通过对企业非保密轴类零件的数控车削加工，完成教学项目的逐级递进实施，如图1 所示。

图1 四维模式混合教学设计

1.1 理论与实践相融合的教学方法

数控加工技术课程理论内容较多，理论学时多于实验学时，往往按照先学习课程专业知识再进行相应实践的顺序进行教学，这样不利于培养应用型人才，无法做到理论知识与工程能力并重[4]。在设计实验教学内容时，不仅要注重对学生操作能力的培养，也要注意教、学、做的互助过程，以理论知识支撑实践能力，以实践引发理论教学的相关内容，形成整个教学内容的循环。

通常，学生理论学习完毕后，进入实验室进行实践操作训练。在实验过程中，学生不仅能将理论知识应用到实践，也能结合其他相关的基础课程建立知识体系，培训识图、分析、设计、动手加工的能力[5-6]。教学改革后，在实践加工情景中，以任务为驱动，以实验场景为起点，运用基于问题教学的方式，在学生遇到具体问题时，切入理论教学。心理学家亚伯拉罕· 马斯洛认为，一个健康的人在满足基本需要后，就会出现另一个更高的需要。让学生带着疑问大胆猜测、怀疑、思考，激发其从已知内容中找到未知答案的积极性，使他们主动学习、扩充知识，以此培养学生的探究能力。通过采用理论-实践-理论的循环教学方法，不仅培养了学生的实践能力，也培养了学生探索更深层问题的能力。

1.2 线上线下混合的教学过程

数控加工技术实验需借助数控加工机床进行实践操作，操作过程复杂，受时间和空间的限制，无法保证学生实验的完整度和效率，操作不当易造成安全事故。在实验教学中，引入线上和线下相结合的新教学过程，提升实验教学质量，保障实验过程安全、有效。

借助超星学习平台发布实验任务，让学生预习实验内容，查阅相关资料，提前自学实验指导书，以缩短进入实验室后的教学导入时间。学生结合实验中实际用到的原理来设计实验方案，通过虚拟仿真软件体验加工情景，预先进行模拟加工，掌握实验任务的设置目标，提前了解机床实践操作存在的安全风险，学会解决危险和隐患，为后期线下真实的实验过程的安全性提供保障[7-9]。在线下实验过程中，及时弥补线上预习内容缺陷，纠正预习中的错误。实体加工操作时，学生通过线上学习和虚拟加工，已经熟悉实验内容和操作步骤，可以高效生成正确的实验结果。改革后，通过线上线下混合教学以及学习平台和虚拟软件的有效辅助，解决了实践问题，提升了实验的完整性、安全性。

1.3 个人到小组的学习模式

传统的实验教学过程往往以教师为主导，由教师介绍实验目的和内容，讲授实验原理，协助学生完成实验步骤，达成实验结果。学生按部就班地跟随教师进行实验，缺乏探究精神和主动思考的能力。而实验教学改革主张以学生为主体，采用个人学习到小组讨论的学习模式。以个体学习的知识作为基础，开展小组讨论交流，使学生深入思考，增加讨论深度。小组合作研讨能解决个体无法理解的问题，弥补个体知识缺陷，实现优势互补，调动每个学生的积极性和参与性[10]。

学生提前自主学习、查漏补缺，解决自身现有问题，线上提交预习的实验内容及仿真实验结果，以此培养学生独立思考问题的能力。学生分组共同讨论实验内容，同组成员之间相互学习，取长补短，通过分享个人的经验和知识，修正学习结果，相互促进，建立荣辱与共的团队精神，通力合作，达成实验目标。各小组之间存在竞争关系，能充分调动学生的学习积极性，促进他们共同进步，最终实现共赢。以团队成绩作为实验考核的评价标准，能改善小组学习的效果。

1.4 校企融合的教学目标

许多学生毕业后进入工作岗位，动手能力较弱，与企业实际生产脱节，无法很快适应职场。他们经验不足，知识多停留在理论层面，加工的产品不能满足市场要求，需要企业专门对其进行培训。学校应顺应改革方向，追赶产业发展趋势，发力于校企融合，以校企合作为抓手，培养出满足企业需求的应用型人才。

加强学校与企业的交流，利用相关资源，将学校实验教学与企业实际生产贯通，校企共同培养人才[11-12]。在实验中融入企业真实案例，加工产品要以企业合格产品为目标，使学生在学校就能感受企业氛围，毕业后能较快适应工作岗位，完成企业的加工生产任务。实验过程中可邀请企业技术人员作为兼职教师，走入实验课堂，就企业文化、企业加工生产要求等和学生进行面对面交流，提高其实际操作水平，培养他们的工程师素养。

2 教学实施

采用企业真实零件加工作为案例任务，以工程项目为导向，进行数控车削加工实验。阀杆零件图如图2 所示。

图2 阀杆零件图

2.1 布置实验任务

首先，教师通过网上教学平台发布实验任务和实验指导书，并将线下实验中用到的加工机床的特点、设备型号、操作注意事项提前发布至线上。实验任务是企业阀杆零件的加工目标，实验指导书能有针对性地引导学生自主学习。其次，学生分析图纸的加工工艺要求，借助教材、网络查阅资料来确定数控车削工艺，在工艺卡片上填写加工工步刀具、夹具以及主轴转速、进给速度、进给量、背吃刀量等参数，并编制数控加工程序。再次，通过在虚拟仿真软件中输入编制好的车削加工程序，选择对应的数控加工机床，再现实际加工场景，模拟加工过程。最后，修改、整理工艺卡片和加工程序，并通过教学平台提交。

2.2 分析工艺，确定程序

线下实验课中，学生根据课前领取的加工零件图纸分组讨论，教师分组点评指导，最后选择最优加工工艺参数和加工程序，指派一名学生汇报讲解，根据其他小组的建议，修改和完善数控程序。

第一，加工工艺卡片设计。根据工件要求，包括工件材料、毛坯尺寸，确定加工工艺，填写各工序内容。对于粗车、精车不同工序，结合企业加工要求填写工艺参数。教师针对设计中零件基准面、工件夹紧、重点加工面的技术要求进行详细讲解。

第二，车削加工程序编制。选择工件坐标原点，确定编程时的具体加工数据。工件坐标原点的设立决定了车刀的起刀点和编程中的坐标值。结合机床坐标系和工件坐标系的区别，讲解同一零件车削加工程序中数值差异的原因，强调圆弧加工程序编写的关键点。程序编制质量直接决定了加工效率，这就要求学生将程序与加工工艺相结合，提高生产效益。

第三，循环指令使用。从基本指令编程到运用循环指令，着重设计加工余量较大的表面的程序。选择单个G 代码替代多个程序段的编程方法，能减少程序段，缩短实验中上机编写程序的时间。

2.3 零件加工

上机加工时，要求每组有一人负责将编好的程序输入机床系统，一人负责检查校核程序，一人负责加工操作，一人负责预先检验成品。

首先，强调安全操作规程。教师要强调安全生产要求，使学生养成正确的操作习惯，具备将生命安全和国家财产安全放在第一位的工业生产意识。

其次，输入程序。正确装夹刀具和工件后，通过数控系统键盘输入程序，利用机床软件模拟加工刀路轨迹。轨迹正确后开始加工，若有错误，及时修改。

再次，利用试切法对刀。在手动模式下进行试切对刀操作，按照机床指示顺序，分别进行Z轴、X轴的对刀操作。教师结合对刀操作原理，讲解对刀的作用、对工件尺寸的影响、尺寸误差补偿方法等内容，将实际操作中的问题反馈给学生。

最后，单段加工与自动加工。出于对安全加工的考虑，要求学生先进行单段加工，检查刀具位置、坐标值和程序段，观察加工过程是否正确、设置参数是否合理。若有问题，应及时停止并咨询教师，确认加工过程、参数全部正确后，再开始自动加工。

2.4 加工成品检测

学生之间互相检验加工成品，并进行初评。各小组对照零件图纸，测量加工尺寸、检测表面粗糙度，为其他小组的加工成品打分。企业导师对学生的加工产品进行最终检验，根据加工工艺参数设置是否合理、零件加工是否合格、设计过程是否符合企业需求进行打分，并做出点评。最后汇总计算各组的平均分值。

3 效果与评价

通过理论与实践相融合的循环教学过程，以理论为支撑起点，使学生利用线上教学平台、虚拟软件、线下实验加工过程进行自我建构，在发现问题、寻求答案的过程中吸收理论知识[13]。以个人为基本单位，同时汇集小组能量，在教师和企业导师的共同促进下，提高学生的团队协作能力，提升其对企业生产的认知，培养他们精益求精的工作精神。

4 结语

数控加工技术课程实验教学改革，符合新工科背景下的人才培养目标。实验以工程任务为背景，设计、加工、检验过程不仅增强了学生理论与实际结合的能力，而且激发了其自主思考和设计的兴趣。通过协同合作提高了整体加工效能，实现学校与企业的连接，为复合型应用人才的培养提供助力。