王 軍

(武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機電工程學(xué)院，湖北 武漢430074)

0 引 言

培養(yǎng)高技能應(yīng)用型人才是高職院校的主要職責(zé)，提高學(xué)生的綜合技能、培養(yǎng)出滿足現(xiàn)代企業(yè)需要的高素質(zhì)技能型人才是職業(yè)教育的培養(yǎng)目標(biāo)，目前，全國各高職院校為實現(xiàn)這一培養(yǎng)目標(biāo)，進行了諸多改革與探索，取得了一定成效［1］。武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院被教育部列為國家重點建設(shè)示范性高職院校、國家緊缺人才培訓(xùn)基地、全國職業(yè)教育師資培訓(xùn)重點建設(shè)基地。學(xué)校立足湖北、輻射全國，培養(yǎng)面向生產(chǎn)、建設(shè)、服務(wù)、管理第一線的高技能人才。機電工程學(xué)院是武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院下設(shè)的二級學(xué)院，是學(xué)校辦學(xué)歷史最悠久的重點骨干院系，經(jīng)過30 多年的建設(shè)發(fā)展，現(xiàn)已成為學(xué)、產(chǎn)、研一體的教研實體。2010 年，建立了先進的數(shù)字化教學(xué)工廠，有效地提高了學(xué)生的實訓(xùn)水平，提高了畢業(yè)生的綜合素質(zhì)和能力，畢業(yè)生深受用人單位的好評。

1 建立數(shù)字化教學(xué)工廠的必要性

近年來，大量制造業(yè)的產(chǎn)業(yè)和技術(shù)不斷向中國轉(zhuǎn)移，中國的制造業(yè)得到了快速的發(fā)展，中國已成為世界制造業(yè)大國［2］。隨著制造業(yè)的快速發(fā)展，制造業(yè)大量采用數(shù)字化、精密化、自動化等高新技術(shù)，社會急需大量熟悉和掌握現(xiàn)代數(shù)字化設(shè)計制造工程技術(shù)的專業(yè)人才。面對如此形勢，機遇與挑戰(zhàn)并存:一方面我國職業(yè)教育面臨著教學(xué)工作與學(xué)生就業(yè)需求之間的結(jié)構(gòu)性矛盾，學(xué)生的專業(yè)技能訓(xùn)練與企業(yè)就業(yè)需求技能不匹配，學(xué)生畢業(yè)后不能快速適應(yīng)企業(yè)實際工作的要求;另一方面，傳統(tǒng)教育的內(nèi)容與先進的現(xiàn)代化設(shè)計制造模式脫節(jié)，學(xué)校缺乏符合現(xiàn)代先進制造業(yè)需求的實訓(xùn)環(huán)境。在這一背景下，“教學(xué)工廠”作為一種比較先進的教學(xué)模式，由新加坡引入到我國。

所謂“教學(xué)工廠”模式，是指由職業(yè)學(xué)校將實際的企業(yè)環(huán)境引入教學(xué)環(huán)境之中，并相互融合，實施以項目課題為導(dǎo)向的實踐性和操作性現(xiàn)場教學(xué)模式［3］?！敖虒W(xué)工廠”模式因其實用性、超前性、創(chuàng)新性和靈活性，融合了學(xué)校、企業(yè)、學(xué)生三方的利益共同點，有利于學(xué)校直接針對企業(yè)培養(yǎng)急需的人才，有利于從根本上改善高職院?！瓣P(guān)門辦學(xué)”的人才培養(yǎng)方式，有利于為學(xué)生“零距離”就業(yè)打下堅實的基礎(chǔ)［4-5］。

但應(yīng)該看到，建立教學(xué)工廠，要求將工廠環(huán)境引入學(xué)校，把工廠目前使用的先進的機器設(shè)備裝進實驗室，設(shè)立先進的機械制造技術(shù)展示車間，讓學(xué)生去看，去操作，去理解，但需要投入巨額資金保證教學(xué)所用的教學(xué)設(shè)備實用、超前，為學(xué)生創(chuàng)造一個真實的教學(xué)環(huán)境。這對于很多高職院校來說，在“建廠”經(jīng)費的籌措和“廠區(qū)”布局上就存在著瓶頸:無法投入大量的資金來建立教學(xué)工廠和購買機器設(shè)備;受場地限制，廠房建設(shè)選址在校園內(nèi)無法實現(xiàn)。那么，有沒有什么可行的方法來解決這一難題呢?答案就是建立數(shù)字化教學(xué)工廠。

數(shù)字化教學(xué)工廠利用現(xiàn)代化信息技術(shù)構(gòu)建可拓展的虛擬工廠、虛擬車間、虛擬工藝，模仿企業(yè)的生產(chǎn)情境［6-8］，按照工廠實際設(shè)置工作崗位和角色，學(xué)生在實訓(xùn)過程中擔(dān)任一定的角色來完成實訓(xùn)任務(wù)，使學(xué)生不進工廠就能感受真實的生產(chǎn)場景，根據(jù)產(chǎn)品生產(chǎn)流程，掌握機械生產(chǎn)裝置的生產(chǎn)和操作過程，完成各生產(chǎn)工藝環(huán)節(jié)，實現(xiàn)對生產(chǎn)裝置實際操作的技能訓(xùn)練。

“數(shù)字化教學(xué)工廠”相對于“教學(xué)工廠”來說，一方面能突破后者的瓶頸:只要選型合理，就能夠充分利用高職院?，F(xiàn)有的計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和硬件資源，資金投入得以大量節(jié)省，同時不受校園場地的限制;另一方面能保持人才培養(yǎng)優(yōu)勢:通過基于工作過程的導(dǎo)向教學(xué)模式，實現(xiàn)理論實踐一體化教學(xué)，提高學(xué)生認知效果、認知效率，加強學(xué)生職業(yè)能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，為經(jīng)濟建設(shè)輸送大量用得上、留得住的應(yīng)用型技能人才。

2 選型CAXA 軟件的主要原因

隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展，CAD/CAM 軟件的工程應(yīng)用得到迅速普及，制造企業(yè)越來越多地使用這些高新技術(shù)來提高自己的生產(chǎn)效率［9］。CAD/CAM 技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，CAD/CAM 軟件系列很多，CAXA 軟件是其中的佼佼者。

由北京北航海爾軟件有限公司開發(fā)的CAXA 系列軟件是一款比較成熟的、具有全中文界面的數(shù)字化制造軟件，包括CAXA 電子圖板、CAXA 實體設(shè)計、CAXA 工藝圖表、CAXA 工藝匯總表、CAXA 制造工程師、CAXA 線切割、CAXA 數(shù)控車、CAXA 網(wǎng)絡(luò)DNC、CAXA 圖文檔［10］。它實現(xiàn)了CAD/CAM/DNC 的集成，將設(shè)計圖樣、工藝文件和加工的NC 代碼有機地聯(lián)系起來，是基于三維零件設(shè)計、制造的分析軟件包［11-12］;同時還與許多通用的軟件有數(shù)據(jù)接口，為企業(yè)提供共性的數(shù)字化設(shè)計與制造方法、軟件工具集和集成化系統(tǒng)，有效提升制造企業(yè)的設(shè)計和制造能力。

CAXA 軟件具有以下優(yōu)勢:

(1)高度集成。提供了一個集設(shè)計、工藝、制造和管理于一體的網(wǎng)絡(luò)化制造套餐軟件，是一個高效的程序編輯、修改和仿真的平臺，程序在上機床前，可對程序進行加工軌跡和實體仿真，便于及時發(fā)現(xiàn)問題和修改程序;同時，微軟Windows 系統(tǒng)支持的應(yīng)用軟件都可集成到CAXA 軟件中。

(2)應(yīng)用簡便。采用交互方式和全中文界面，用戶界面友好，對電腦硬件的要求很低，實現(xiàn)了現(xiàn)代先進制造技術(shù)軟件和硬件的有機結(jié)合，沒有計算機語言編程能力的要求，實現(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)一調(diào)用和修改，提高代碼的重復(fù)利用率，簡化了設(shè)計過程，可視化程度高，便于輕松流暢地學(xué)習(xí)和使用。

(3)應(yīng)用廣泛。覆蓋了制造業(yè)信息化設(shè)計、工藝、制造和管理四大領(lǐng)域，產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于塑模、鍛模、壓鑄模等復(fù)雜模具的生產(chǎn)，以及裝備制造、電子電器、汽車、國防軍工、航空航天、工程建設(shè)、教育等各個行業(yè)。

CAXA 所具有的上述優(yōu)勢，意味著建立基于CAXA 的數(shù)字化教學(xué)工廠是切實可行的。

3 基于CAXA 的數(shù)字化教學(xué)工廠

3.1 框架模型

2009 年初，武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電工程學(xué)院根據(jù)教學(xué)、生產(chǎn)、科研和專業(yè)、課程建設(shè)的實際需求，利用國家示范性高職院校建設(shè)的資金支持，以CAXA 系列軟件為基礎(chǔ)，將機電工程學(xué)院的主要實訓(xùn)設(shè)備進行網(wǎng)絡(luò)化連接，并進行統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺管理［13］，設(shè)計出符合技能教學(xué)需要的企業(yè)環(huán)境，實現(xiàn)實訓(xùn)、生產(chǎn)的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和教學(xué)、科研與課程、專業(yè)建設(shè)的資源共享。

基于CAXA 的數(shù)字化教學(xué)工廠方案包含三個方面的內(nèi)容，即建設(shè)PLM 體驗中心、現(xiàn)代實訓(xùn)車間及教學(xué)資源管理平臺，其框架模型如圖1 所示。

3.2 基于CAXA 的數(shù)字化教學(xué)工廠的場景設(shè)計

建立數(shù)字化教學(xué)工廠，應(yīng)體現(xiàn)教學(xué)工廠的“魂”:企業(yè)環(huán)境。創(chuàng)設(shè)企業(yè)環(huán)境，接近企業(yè)的生產(chǎn)、接受企業(yè)最新發(fā)展技術(shù)，在學(xué)校由師生按工廠模式實施行之有效、緊跟時代發(fā)展要求的教學(xué)實踐，使學(xué)生能在實際的工作環(huán)境中學(xué)習(xí)技術(shù)、技能，自然地獲得真實的體驗和解決實際問題的職業(yè)能力，實現(xiàn)學(xué)生崗位體驗、技能養(yǎng)成與素質(zhì)培養(yǎng)的良好效果。我們以CAXA 系列軟件為基礎(chǔ)，結(jié)合虛擬仿真技術(shù)，將不同的制造企業(yè)生產(chǎn)模式抽象出來，按照該模式布置工位并涵蓋數(shù)字化企業(yè)的設(shè)計生產(chǎn)特點，模擬出企業(yè)各工位工作場景及相互聯(lián)系，設(shè)計了如圖2 所示的工廠內(nèi)部場景。

圖1 基于CAXA 的數(shù)字化教學(xué)工廠框架模型

圖2 基于CAXA 的數(shù)字化教學(xué)工廠場景布置

建立的基于CAXA 的數(shù)字化教學(xué)工廠，在學(xué)校局域網(wǎng)的架構(gòu)下，實現(xiàn)了PLM 體驗中心和工業(yè)中心內(nèi)的多臺交換機與校園局域網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)中心的總服務(wù)器相聯(lián)。各類數(shù)控設(shè)備則通過智能終端和無線網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接到就近位置的交換機，對于具備RS232 接口的數(shù)控設(shè)備通過數(shù)據(jù)線連接智能終端轉(zhuǎn)換為RJ45 接口，并設(shè)置IP 地址和網(wǎng)絡(luò)相連接。

3.3 基于CAXA 的數(shù)字化教學(xué)工廠的內(nèi)容模塊

(1)PLM 體驗中心。PLM 體驗中心是一個數(shù)字化設(shè)計平臺、數(shù)字化工藝平臺、數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化制造平臺以及數(shù)字化生產(chǎn)管理平臺，形成統(tǒng)一數(shù)據(jù)源的設(shè)計、工藝、加工仿真一體化流程，做到無紙化、數(shù)字化的生產(chǎn)過程管理。PLM 體驗中心包含PLM 體驗中心展示廳規(guī)劃、基于工作過程的教學(xué)、生產(chǎn)/實訓(xùn)項目的教學(xué)，用于軟件教學(xué)及與實踐教學(xué)一體化，用于展示及企業(yè)生產(chǎn)流程過程的體驗。

PLM 體驗中心最大的特色就是同時將企業(yè)中產(chǎn)品設(shè)計、工藝、加工仿真流程體現(xiàn)出來，真正實現(xiàn)生產(chǎn)項目管理，固化成企業(yè)化實訓(xùn)項目:①獲得訂單——從報價到獲得產(chǎn)品訂單的流程。從訂單開始，啟動報價流程，實現(xiàn)銷售與設(shè)計人員的協(xié)同。②設(shè)計——實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計流程。通過設(shè)計主管、項目經(jīng)理、設(shè)計人員的角色分工以及設(shè)計、校對、審核、批準直至歸檔的流程管理，體現(xiàn)出產(chǎn)品從設(shè)計、二維工程圖出圖、三維設(shè)計、虛擬仿真等各個環(huán)節(jié)。③工藝——實現(xiàn)產(chǎn)品的工藝設(shè)計流程。從定義工藝模板開始，完成機加工、數(shù)控加工等工藝的編制與工藝流程的管理，以及生產(chǎn)過程需要的派工單、檢驗卡的定義與使用。④編程與仿真——實現(xiàn)產(chǎn)品的數(shù)控自動編程與仿真流程。從建模開始，完成加工工藝參數(shù)設(shè)置、生成加工軌跡，選擇機床后置、自動生成加工程序。使用程序及模型進行仿真，確認加工正確性。

(2)現(xiàn)代實訓(xùn)車間。機電工程學(xué)院現(xiàn)擁有各類可聯(lián)網(wǎng)數(shù)控設(shè)備56 臺，數(shù)控系統(tǒng)以華中數(shù)控、法那克、西門子等為主，這些構(gòu)成現(xiàn)代實訓(xùn)車間的主體。利用CAXA 機床網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)，機床通過智能終端轉(zhuǎn)換器將RS232 串口方式改為以太網(wǎng)絡(luò)的RJ45 方式，每一臺機床具有一個獨立的IP 地址，所有被管理數(shù)據(jù)均置于服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中，可以實現(xiàn)數(shù)控設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)、實時監(jiān)控及信息采集，實現(xiàn)真正的機床網(wǎng)絡(luò)化管理。另外，現(xiàn)代實訓(xùn)車間現(xiàn)場按照6S 規(guī)范來規(guī)劃和建設(shè)，實現(xiàn)規(guī)范化、可視化管理。過道、加工區(qū)、原料區(qū)、半成品區(qū)、成品區(qū)等區(qū)域按照功能不同用黃色油漆劃分，墻面靠近地面部分用綠色油漆粉刷。配套立柱、墻面上安裝6S展板及標(biāo)語，形成宣傳與實踐6S 的氛圍。

在校園網(wǎng)上任意一個經(jīng)過授權(quán)的計算機終端上，通過聯(lián)網(wǎng)結(jié)合視頻監(jiān)控及信息采集，實現(xiàn)對生產(chǎn)現(xiàn)場及設(shè)備運行狀態(tài)、設(shè)備運行參數(shù)和設(shè)備現(xiàn)場環(huán)境的實時了解:①調(diào)度及生產(chǎn)。車間設(shè)置數(shù)字化查詢終端，實現(xiàn)現(xiàn)場加工的調(diào)度;通過數(shù)據(jù)查詢終端方式，查詢圖紙、模型、工藝及程序，實現(xiàn)無紙化的生產(chǎn)。②檢驗。現(xiàn)場設(shè)置一體化討論討論區(qū)，對共性問題、機床操作方法及注意事項進行現(xiàn)場講解;設(shè)置特色檢驗區(qū)，模擬企業(yè)真實檢測檢驗工作過程，完成產(chǎn)品零件檢驗。③入庫。設(shè)置專業(yè)區(qū)域用于仿真庫房管理工作過程。使學(xué)生在實踐項目式教學(xué)時，能完整體驗從產(chǎn)品設(shè)計開始到最終產(chǎn)品生產(chǎn)入庫的整個過程。

(3)教學(xué)資源管理平臺。數(shù)字化教學(xué)工廠資源管理平臺是建立在計算機機房中的綜合管理平臺。該管理平臺集成了教與學(xué)的各種構(gòu)件與要素:①可以集成現(xiàn)有的各種課程內(nèi)容，如:機械制圖CAD 教學(xué)、機械設(shè)計教學(xué)、數(shù)控技術(shù)或工藝與編程教學(xué)等;②可以提供權(quán)威認證、數(shù)控大賽指導(dǎo)及二次開發(fā)培訓(xùn)，提供企業(yè)實例應(yīng)用于教學(xué);③可以將現(xiàn)場加工視頻連接到實訓(xùn)中心機房，通過投影的方式，讓學(xué)生在接受軟件教學(xué)的同時，可以同步切換到現(xiàn)場生產(chǎn)加工環(huán)節(jié);④可以實現(xiàn)學(xué)生教學(xué)成果PLM(全生命周期管理)，學(xué)生在校期間，每一學(xué)期所學(xué)的課程、作業(yè)、考試成績及期間所做的各種模型，都會記錄在該學(xué)生的目錄節(jié)點下;可以管理各種教職工資料及教學(xué)中使用的課件、題庫或科研成果，合作編寫教材，不斷積累公共資源。

4 基于CAXA 的數(shù)字化教學(xué)工廠的實施效果

通過數(shù)字化教學(xué)工廠兩年時間的應(yīng)用，我們在人才培養(yǎng)模式的創(chuàng)新上邁出了成功的第一步，在教學(xué)與實訓(xùn)中達到了如下效果:

(1)實現(xiàn)了與實際企業(yè)相一致的生產(chǎn)現(xiàn)場布局和管理模式。使學(xué)生在實訓(xùn)時不但學(xué)習(xí)操作技能，同時還學(xué)習(xí)了企業(yè)的管理規(guī)范，提升了學(xué)生對于實際工廠管理規(guī)范的理解，提高自身的職業(yè)素養(yǎng)。

(2)采取項目式及案例教學(xué)、模擬企業(yè)工作流程。

實現(xiàn)實踐區(qū)域即是企業(yè)工作崗位，能有效地激發(fā)學(xué)生的實驗、實踐興趣和設(shè)計創(chuàng)新欲望，增強了教學(xué)的針對性和實效性。

(3)通過6S 管理創(chuàng)建校園文化和企業(yè)文化緊密結(jié)合的教學(xué)環(huán)境。加快了雙師型教師的培養(yǎng)，加強專業(yè)課程與實際工作崗位的對接。

(4)模擬企業(yè)。從訂單、設(shè)計、工藝、編程、仿真、調(diào)度、生產(chǎn)、檢驗、裝配、入庫等工作流程，建立起基于工作過程的教學(xué)方式，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)管理平臺，使課堂教學(xué)與實踐教學(xué)連成一個整體。通過數(shù)字化工廠場景模擬，學(xué)生可以模擬企業(yè)不同角色，了解了企業(yè)工作模式，鍛煉了各項技能。

(5)利用信息化手段。結(jié)合有限的實訓(xùn)設(shè)備，提高了實訓(xùn)接納能力，充分地利用了現(xiàn)有教學(xué)設(shè)備。利用數(shù)字化手段監(jiān)控實訓(xùn)過程，對于潛在的安全隱患，及時發(fā)現(xiàn)及時糾正，保障了實訓(xùn)過程的安全性。

(6)可以使多媒體教學(xué)與實訓(xùn)車間真正互動。在理論教學(xué)或軟件教學(xué)時可以切換到實訓(xùn)車間的實操環(huán)節(jié)，幫助學(xué)生理解理論知識;在實操教學(xué)時可以通過電子工藝看板查找數(shù)據(jù)，實現(xiàn)CAD/CAM 一體化及無紙化設(shè)計制造，讓學(xué)生體驗先進的現(xiàn)代車間工作場景。

(7)整合教學(xué)資源，實現(xiàn)教學(xué)資源的統(tǒng)一管理與共享。實現(xiàn)知識的積累，各部門分門別類的管理，增強了學(xué)生的團隊合作意識以及與人的溝通協(xié)調(diào)能力。

5 結(jié) 語

實踐經(jīng)驗表明，建立基于CAXA 的數(shù)字化教學(xué)工廠是一種非?？尚械慕虒W(xué)模式。培養(yǎng)的學(xué)生更符合高職人才培養(yǎng)目標(biāo)，使高職教育更好地與當(dāng)前行業(yè)企業(yè)生產(chǎn)、經(jīng)營各環(huán)節(jié)及其規(guī)程和運作相銜接，對全面提升實踐教學(xué)質(zhì)量和滿足就業(yè)需求起到了積極的推動作用。

［1］ 張 婷，李 重，張 霞.適應(yīng)新形勢培養(yǎng)高素質(zhì)人才［J］. 黑龍江科技信息，2008(2):105 +163.

［2］ 康乃真.應(yīng)用型本科人才培養(yǎng)模式研究［J］.廣東白云學(xué)院學(xué)刊，2006(1):10-12.

［3］ 施宇鋒，徐 寧.數(shù)字化工廠及其實現(xiàn)技術(shù)綜述［J］. 可編程控制器與工廠自動化，2011(11):61-63 +87.

［4］ 黃海燕，劉建華，沈超明.數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化力學(xué)實驗室的建設(shè)［J］.實驗室研究與探索，2008，27(2):140-142.

［5］ 徐朝軍，李 藝.數(shù)字化實驗室的建設(shè)［J］. 實驗室研究與探索，2003，22(1):9-12.

［6］ 龍 玲.高等學(xué)校數(shù)字化實驗室的功能設(shè)計［J］. 實驗室研究與探索，2004，23(9):24-25.

［7］ 許建飛.數(shù)字化工廠實驗室建設(shè)的研究與探索［J］. 實驗技術(shù)與管理，2009(7):146-148.

［8］ 王建偉.建立產(chǎn)學(xué)研緊密結(jié)合的高等理工實驗與實踐教學(xué)模式［J］.實驗技術(shù)與管理，2008，25(9):25-27.

［9］ 賈晨輝，張 浩，陸劍峰，等.基于數(shù)字化工廠的制造業(yè)信息化集成平臺［J］. 組合機床與自動化加工技術(shù)，2006(7):107-110.

［10］ 苑建英，史宏江，毛華杰，等.基于CAXA 的數(shù)字化制造［J］. 機電工程，2005(10):16-18.

［11］ 丁 羽.基于CAXA 的數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計制造技術(shù)在我校機械專業(yè)畢業(yè)設(shè)計中的應(yīng)用研究［J］. 塔里木大學(xué)學(xué)報，2006(2):70-71，74.

［12］ 王月英，任祖平. 基于CAXA 軟件平臺的網(wǎng)絡(luò)化制造技術(shù)研究［J］.機械制造與自動化，2007(5):120-122.

［13］ 莊亞明.數(shù)字化工廠信息系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究［J］. 計算機與應(yīng)用化學(xué)，2005(8):128-130.