李鐵鋼

(沈陽(yáng)工程學(xué)院 機(jī)械工程系，沈陽(yáng) 110136)

一、研究背景

應(yīng)用型本科院校機(jī)械專業(yè)的人才培養(yǎng)特色是“工程教育，職業(yè)取向”，所培養(yǎng)的學(xué)生即不同于普通高等教育的研究型人才，也不同于高職高專院校的技能操作型人才，而是培養(yǎng)具有夠用的機(jī)械專業(yè)理論知識(shí)，一定的人文、科技和藝術(shù)素質(zhì)，具有較強(qiáng)創(chuàng)新精神的高等應(yīng)用型機(jī)械工程領(lǐng)域的復(fù)合性人才。

數(shù)控加工工藝與編程課程是應(yīng)用型本科機(jī)械專業(yè)的主干課程，安排在大學(xué)第4 學(xué)年的上學(xué)期，課程所涉及的技術(shù)領(lǐng)域位于制造活動(dòng)的最終階段，是將產(chǎn)品由“圖紙的理想”轉(zhuǎn)變?yōu)椤艾F(xiàn)實(shí)的零件”的最終方法，是學(xué)生對(duì)所有學(xué)過(guò)的專業(yè)知識(shí)的總結(jié)、應(yīng)用和升華。課程重點(diǎn)講授的是數(shù)控車、數(shù)控銑、數(shù)控線切割的數(shù)控加工工藝、數(shù)控加工工藝裝備和數(shù)控加工程序的編制，理論課程結(jié)束后將安排有2 周的課程設(shè)計(jì)。但通過(guò)往屆的教學(xué)反饋來(lái)看，學(xué)生并沒(méi)有很好地掌握集成的數(shù)控加工工藝與編程理論知識(shí)和應(yīng)用。

此外，盡管學(xué)生在學(xué)習(xí)完其他機(jī)械類課程和數(shù)控加工工藝與編程理論課程之后，已經(jīng)基本掌握了工程制圖、工程材料、機(jī)械制造工藝、機(jī)床、刀具、夾具等理論知識(shí);進(jìn)行了金工實(shí)習(xí)和對(duì)應(yīng)的課程設(shè)計(jì)，初步掌握了一定的制造工程實(shí)踐技能;已經(jīng)基本掌握了二維平面圖軟件AUTOCAD、三維設(shè)計(jì)軟件UG 和PRO/E、數(shù)控輔助編程軟件PRO/E 或UG 的CAM 模塊。但由于先前其他階段的實(shí)訓(xùn)和課程設(shè)計(jì)只是完成對(duì)應(yīng)課程內(nèi)任務(wù)，學(xué)習(xí)和鞏固了知識(shí)點(diǎn)，而沒(méi)有進(jìn)行交叉綜合訓(xùn)練，學(xué)生綜合應(yīng)用知識(shí)的能力沒(méi)有得到很好的培養(yǎng)，學(xué)生缺乏解決問(wèn)題的能力。再者，由于設(shè)計(jì)實(shí)例取自教材或其他教輔書，例子過(guò)于簡(jiǎn)單且陳舊，與企業(yè)的實(shí)際零件相差較多，不能代表企業(yè)的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀。

綜上所述，有必要探索數(shù)控加工工藝與編程的課程設(shè)計(jì)新方法，進(jìn)而綜合鍛煉學(xué)生機(jī)械產(chǎn)品的制造能力，培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)字化設(shè)計(jì)和制造的工程能力。

二、內(nèi)容規(guī)劃

課程設(shè)計(jì)總體采用基于項(xiàng)目的方法展開，首先改革課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容，將理論與實(shí)踐相結(jié)合，設(shè)計(jì)過(guò)程包括理論設(shè)計(jì)、仿真加工和實(shí)際加工三大部分。

課程設(shè)計(jì)應(yīng)體現(xiàn)綜合性、探索性，根據(jù)培養(yǎng)方案和課程體系統(tǒng)一規(guī)劃內(nèi)容設(shè)計(jì)，將數(shù)控加工工藝與編程課程中的提高部分、實(shí)踐性比較強(qiáng)部分、理論深?yuàn)W難于理解需要配合實(shí)踐才能掌握的部分放到課程設(shè)計(jì)中學(xué)習(xí)。課程設(shè)計(jì)要體現(xiàn)先進(jìn)性，探索使用數(shù)控加工領(lǐng)域的新技術(shù)、新工藝，緊跟企業(yè)先進(jìn)的工程應(yīng)用技術(shù)，掌握數(shù)控加工與編程的發(fā)展方向。

按照典型企業(yè)典型零件的實(shí)際制造程序規(guī)劃課程設(shè)計(jì)流程，課程設(shè)計(jì)分為零件設(shè)計(jì)與建模、夾具設(shè)計(jì)、數(shù)控加工工藝設(shè)計(jì)、數(shù)控編程、數(shù)控加工仿真、零件加工等階段環(huán)節(jié)。

采用基于項(xiàng)目的方法開展設(shè)計(jì)，通過(guò)查閱數(shù)字化制造的資料，提出數(shù)字化綜合制造的課程設(shè)計(jì)項(xiàng)目方案，利用三維設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)數(shù)控加工零件，制定詳細(xì)的工藝規(guī)程，設(shè)計(jì)工藝裝備，進(jìn)行工藝裝備制造、結(jié)構(gòu)零件數(shù)控加工程序編制、零件試切加工和現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題處理、零件的檢驗(yàn)、數(shù)控工藝和數(shù)控程序修改完善。

數(shù)控加工的硬件設(shè)備是數(shù)控加工工藝與編程課程設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)支撐，所使用的主要儀器設(shè)備為:

(1)數(shù)控車床4 臺(tái)，用于零件數(shù)控車削加工，機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)為FANUC 0i、華中數(shù)控HNC－21T、SIEMENS 802s;

(2)數(shù)控銑床3 臺(tái)，用于零件數(shù)控銑削加工，機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)為FANUC 15、華中數(shù)控HNC－21M、SIEMENS 840D;

(3)數(shù)控線切割機(jī)床1 臺(tái)，用于精密外形、異型孔、窄縫和槽的加工;

(4)數(shù)控電火花加工機(jī)床1 臺(tái)，用于精密孔和型面的加工;

(5)電鋸1 臺(tái)，用于零件毛坯的下料加工;

(6)數(shù)控三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)1 臺(tái)，用于零件的數(shù)字化測(cè)量;

(7)CAD/CAM 綜合實(shí)訓(xùn)室1 個(gè)，配備微機(jī)70 臺(tái)，用于零件數(shù)字化設(shè)計(jì)造型、零件夾具設(shè)計(jì)、數(shù)控加工工藝規(guī)程設(shè)計(jì)、數(shù)控加工程序編制、數(shù)控加工程序仿真、數(shù)控程序DNC 傳輸、數(shù)控CMM 測(cè)量機(jī)測(cè)量數(shù)據(jù)處理;

(8)鋁合金棒料、鋁合金板材、塑料棒、塑料板若干，用于零件的試切加工和正式加工;

(9)游標(biāo)卡尺、千分尺、高度尺、角度尺、螺紋量規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)量塊、標(biāo)準(zhǔn)塞規(guī)、表面粗糙度樣塊和表面粗糙度儀，用于零件的規(guī)范尺寸檢測(cè)。

工程軟件在數(shù)控加工制造過(guò)程中發(fā)揮著重要作用，是數(shù)控加工和編程技術(shù)的工具，工作人員對(duì)軟件的應(yīng)用能力在一定程度上反映了數(shù)控加工工藝與編程應(yīng)用的技術(shù)水平。通過(guò)對(duì)近幾年學(xué)生的就業(yè)企業(yè)和欲培植的產(chǎn)業(yè)企業(yè)就業(yè)客戶群進(jìn)行調(diào)研，從而掌握了典型企業(yè)所使用的數(shù)控加工工程軟件情況，形成了基于企業(yè)實(shí)踐的工程軟件培養(yǎng)方案，以企業(yè)的工程實(shí)踐環(huán)境為綜合課程體系的支撐，構(gòu)建了集成數(shù)控加工制造系統(tǒng)，具體使用的軟件以及應(yīng)用如表1 所示。

三、項(xiàng)目實(shí)施

1.過(guò)程組織

CDIO(C:Conceive，構(gòu)思;D:Design，設(shè)計(jì);I:Implement，實(shí)施;O:Operate，運(yùn)行)是由美國(guó)麻省理工學(xué)院、瑞典皇家技術(shù)學(xué)院、瑞典查爾姆斯技術(shù)學(xué)院、瑞典林克平大學(xué)四所工程大學(xué)合作開發(fā)的工程教育新模式。具體項(xiàng)目課程設(shè)計(jì)的實(shí)施流程如圖1 所示。

表1 綜合課程設(shè)計(jì)軟件及應(yīng)用

圖1 設(shè)計(jì)項(xiàng)目流程

選定企業(yè)的實(shí)際零件作為項(xiàng)目，所選項(xiàng)目應(yīng)難度適中，盡量選擇多工藝、多編程考核點(diǎn)的項(xiàng)目，以利于綜合能力的培養(yǎng)，項(xiàng)目應(yīng)注重多學(xué)科知識(shí)點(diǎn)的融合。

在項(xiàng)目構(gòu)思階段，將學(xué)生分成若干項(xiàng)目組。分組首先采用學(xué)生自我組合方式，而后教師根據(jù)學(xué)生情況進(jìn)行微調(diào)，組內(nèi)學(xué)員的分配按照近似的課程學(xué)習(xí)排名合理搭配，善于動(dòng)手和善于思考的學(xué)生合理搭配，使每個(gè)組內(nèi)的人員盡量平衡。每個(gè)項(xiàng)目組分為4 個(gè)小組，各組由3 ～4 人組成，分別為數(shù)控加工零件和夾具設(shè)計(jì)、數(shù)控加工工藝設(shè)計(jì)、數(shù)控程序編制、零件制造和檢驗(yàn)。這4 個(gè)小組類似于制造型企業(yè)的工程設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、數(shù)控編程、制造和檢驗(yàn)部門。每個(gè)小組設(shè)組長(zhǎng)1名，由組內(nèi)人員民主產(chǎn)生，負(fù)責(zé)組內(nèi)的項(xiàng)目任務(wù)安排及組間協(xié)調(diào)。

在項(xiàng)目開始階段，教師首先要布置任務(wù)，講述課程設(shè)計(jì)的目的、內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)分組、總體時(shí)間安排、現(xiàn)有資源設(shè)備情況以及成績(jī)考核方法，而后分組進(jìn)行設(shè)計(jì)。在課程設(shè)計(jì)時(shí)間安排上采用2 周集中設(shè)計(jì)，在形式上采用教室理論設(shè)計(jì)、CAD/CAM 機(jī)房和實(shí)驗(yàn)室開放使用相結(jié)合的方式。每天實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，組長(zhǎng)總結(jié)上一天的成績(jī)和不足，提出本次設(shè)計(jì)的任務(wù)安排，大家共同討論，形成可行性方案和具體分工，將任務(wù)具體落實(shí)并實(shí)行。在執(zhí)行過(guò)程中互相配合、團(tuán)結(jié)協(xié)作。組長(zhǎng)每天記錄完成情況，并按指導(dǎo)教師的需求，不定期地當(dāng)面匯報(bào)項(xiàng)目完成情況，組長(zhǎng)根據(jù)組內(nèi)的工作情況向教師提出集中指導(dǎo)需求申請(qǐng)。指導(dǎo)教師也要不定期地到現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)學(xué)生的設(shè)計(jì)情況進(jìn)行檢查指導(dǎo)，并記錄學(xué)生的完成情況。教師還應(yīng)針對(duì)學(xué)生所存在的共性問(wèn)題，采取集中傳授的方法講解，或采取啟發(fā)式方式，給學(xué)生布置探索性問(wèn)題，以利于學(xué)生思考，也可以組織學(xué)生討論，對(duì)研究方向和方法提出建議。每小組在各子階段項(xiàng)目完成后提出階段性總結(jié)報(bào)告，總結(jié)項(xiàng)目的完成情況和不足，提出下一個(gè)階段的目標(biāo)要求，整個(gè)項(xiàng)目完成后由各組組長(zhǎng)匯總階段報(bào)告，形成項(xiàng)目總結(jié)報(bào)告。

對(duì)于項(xiàng)目中涉及的新技術(shù)、新工藝和工程軟件的使用情況，教師提出原則和可行性研究方向，學(xué)生自主探索完成。項(xiàng)目進(jìn)行過(guò)程中，應(yīng)按照企業(yè)的管理理念，每組設(shè)置任務(wù)分配和完成展板，以利于設(shè)計(jì)的進(jìn)行。

2.項(xiàng)目評(píng)價(jià)

項(xiàng)目評(píng)價(jià)是項(xiàng)目實(shí)施的最后階段，在基于CDIO的課程設(shè)計(jì)中意義重大。數(shù)控加工工藝與編程綜合課程設(shè)計(jì)的目的側(cè)重于學(xué)生工程技能的培養(yǎng)，激發(fā)學(xué)生獨(dú)立思考和創(chuàng)新能力，同時(shí)培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神。項(xiàng)目評(píng)價(jià)首先要考查團(tuán)隊(duì)整體的表現(xiàn)能力，其次要分清個(gè)人在團(tuán)隊(duì)中的具體貢獻(xiàn)度。在集體項(xiàng)目中評(píng)價(jià)個(gè)人能力是關(guān)系設(shè)計(jì)能否取得滿意效果的關(guān)鍵，通過(guò)項(xiàng)目評(píng)價(jià)可以督促每名學(xué)生能夠真心投入設(shè)計(jì)，而不是簡(jiǎn)單抄襲他人的設(shè)計(jì)成果。

最終評(píng)價(jià)成績(jī)由四部分組成，其中平時(shí)成績(jī)占20%，實(shí)驗(yàn)報(bào)告占20%，答辯占20%，互評(píng)占40%。平時(shí)成績(jī)包括出勤、教師現(xiàn)場(chǎng)打分、進(jìn)度完成情況;設(shè)計(jì)報(bào)告包括每天設(shè)計(jì)報(bào)告書、總結(jié)報(bào)告書，報(bào)告書要求用計(jì)算機(jī)軟件排版打印，注意言簡(jiǎn)意賅、圖文并茂;答辯是指在機(jī)床邊和CAD/CAM 實(shí)驗(yàn)室口試或利用PowerPoint 制作的幻燈片進(jìn)行演講答辯，課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師團(tuán)隊(duì)針對(duì)答辯表現(xiàn)以及回答問(wèn)題情況給出成績(jī)，其間包含現(xiàn)場(chǎng)操作實(shí)際設(shè)備加工和演示軟件的環(huán)節(jié);互評(píng)包括不同項(xiàng)目組成員互評(píng)成績(jī)、同一項(xiàng)目組內(nèi)各小組互評(píng)成績(jī)、各小組之間互評(píng)成績(jī)、組長(zhǎng)和組員互評(píng)成績(jī)等。每個(gè)項(xiàng)目組和項(xiàng)目組內(nèi)小組的團(tuán)體成績(jī)將直接影響到個(gè)人成績(jī)的優(yōu)劣，互評(píng)結(jié)果將考慮組員在小組內(nèi)的貢獻(xiàn)權(quán)重。評(píng)價(jià)結(jié)果應(yīng)做到“公平、公開、公正”，即客觀給出分?jǐn)?shù)，肯定貢獻(xiàn)，促進(jìn)學(xué)習(xí)。

3.拓展學(xué)習(xí)

為鞏固已經(jīng)學(xué)習(xí)的知識(shí)，教師還要布置一定的作業(yè)，以便于學(xué)生課后練習(xí)和掌握;適當(dāng)介紹些在企業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中有關(guān)復(fù)雜零件加工和編程技術(shù)的新技術(shù)，開拓學(xué)生視野;在數(shù)控加工仿真和編程方面布置些可行的研究課題，由有興趣和精力的學(xué)生在課后業(yè)余時(shí)間自主完成。

針對(duì)具體項(xiàng)目可布置如下的可拓展性題目:

(1)數(shù)控車床和銑床加工零件的誤差來(lái)源有哪些，如何提高數(shù)控車床和銑床加工零件的質(zhì)量和效率;

(2)在復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的加工過(guò)程中，筋條的上頂面可以使用哪些方法加工，在利用CAM 軟件編制程序的過(guò)程中如何實(shí)現(xiàn);

(3)數(shù)控五坐標(biāo)銑床的結(jié)構(gòu)形式有哪些特點(diǎn)，數(shù)控銑床五坐標(biāo)零件的程序如何進(jìn)行編制，數(shù)控五坐標(biāo)機(jī)床如何進(jìn)行后置處理;

(4)市場(chǎng)上主流的數(shù)控加工仿真軟件有哪些，各有哪些優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍;

(5)數(shù)控技術(shù)在機(jī)械制造行業(yè)還有哪些應(yīng)用，哪些領(lǐng)域與你學(xué)過(guò)的課程相關(guān)，如何編制數(shù)控加工程序。

4.資源庫(kù)建設(shè)

為了方便學(xué)生學(xué)習(xí)，可建立數(shù)控加工工藝與編程教學(xué)資源素材庫(kù)，也可以把學(xué)生在構(gòu)思項(xiàng)目階段查找的素材納入資源庫(kù)，所有素材都可供學(xué)生進(jìn)行項(xiàng)目試驗(yàn)時(shí)選擇使用。素材包括文本文檔類、圖形和圖片類、動(dòng)畫類、音頻和視頻類素材等。具體包括教師布置的任務(wù)、學(xué)生的作品、學(xué)生的工作過(guò)程錄像等。在資源庫(kù)建設(shè)方面應(yīng)側(cè)重于三維實(shí)體和動(dòng)畫類等直觀素材的收集。學(xué)生完成課程設(shè)計(jì)后所上交的所有電子文檔類素材，指導(dǎo)教師組在整理后應(yīng)納入清華大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源庫(kù)管理系統(tǒng)中，以便于日后交流使用。

綜上所述，通過(guò)基于CDIO 的數(shù)控加工工藝與編程綜合課程設(shè)計(jì)項(xiàng)目的改革，加深了學(xué)生工程綜合應(yīng)用能力的培養(yǎng)，使學(xué)生將知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐，激發(fā)了他們的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)了動(dòng)手能力，加強(qiáng)了團(tuán)隊(duì)合作精神，收到了一致的好評(píng)。

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