劉國華　曹立文　張海兵

摘 要：文章從“數(shù)控技術(shù)”課程的特點(diǎn)出發(fā)，分析了“數(shù)控技術(shù)”課程教學(xué)現(xiàn)狀，并提出了“數(shù)控技術(shù)”課程教學(xué)改革的路徑。

關(guān)鍵詞：數(shù)控技術(shù)；教學(xué)改革；路徑

中圖分類號(hào)：G642.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1002-4107（2016）09-0026-02

在2015年的十二屆全國人大三次會(huì)議上，李克強(qiáng)總理在政府工作報(bào)告中提出了“中國制造2025”的概念，指出信息技術(shù)和制造技術(shù)的深度融合是新一輪產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的制高點(diǎn)，為我國從制造業(yè)大國轉(zhuǎn)向強(qiáng)國提出了遠(yuǎn)景規(guī)劃，在規(guī)劃中列出的將來十大重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域中，高檔數(shù)控機(jī)床名列其中[1]。隨著數(shù)控機(jī)床在工業(yè)生產(chǎn)中日益廣泛應(yīng)用，“數(shù)控技術(shù)”的課程教學(xué)變得越來越重要。結(jié)合多年的教學(xué)實(shí)踐，本文對(duì)本科教育中“數(shù)控技術(shù)”的課程教學(xué)進(jìn)行了探索。

一、數(shù)控技術(shù)課程的特點(diǎn)

“數(shù)控技術(shù)”作為機(jī)械專業(yè)的重要專業(yè)技術(shù)課程，涉及技術(shù)領(lǐng)域眾多。從數(shù)控機(jī)床本身來看，它綜合了機(jī)械、自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)、測(cè)量、微電子、傳感器等技術(shù)，是典型的自動(dòng)化設(shè)備，也是數(shù)字化制造技術(shù)的核心設(shè)備。

“數(shù)控技術(shù)”課程體系如圖1所示，主要分成兩大方向：一是以機(jī)械為主的數(shù)控編程與加工技術(shù)，二是以電氣為主的機(jī)電一體化應(yīng)用技術(shù)。

數(shù)控編程與加工方向主要包括數(shù)控加工工藝、數(shù)控編程、典型數(shù)控設(shè)備結(jié)構(gòu)與應(yīng)用等，基礎(chǔ)課程有機(jī)床、刀具、機(jī)械制造工藝及CAD/CAM技術(shù)等。數(shù)控技術(shù)的機(jī)電一體化應(yīng)用方向主要包括計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置、數(shù)控插補(bǔ)原理、機(jī)床伺服驅(qū)動(dòng)控制等，基礎(chǔ)課主要有單片機(jī)及應(yīng)用技術(shù)、PLC應(yīng)用技術(shù)、機(jī)電傳動(dòng)控制、信號(hào)分析與處理等[2]。

以上兩個(gè)方向，數(shù)控加工以力學(xué)、材料學(xué)、工藝?yán)碚摓榛A(chǔ)，而數(shù)控系統(tǒng)及設(shè)備以電子學(xué)、控制論、計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，二者從核心課程到基礎(chǔ)理論都存在一定區(qū)別，一個(gè)側(cè)重于機(jī)械加工，一個(gè)側(cè)重于機(jī)床控制原理與系統(tǒng)。但恰恰是這門課程，將機(jī)械設(shè)計(jì)、制造及自動(dòng)化三個(gè)方面相關(guān)知識(shí)有機(jī)結(jié)合起來，而這正是機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)的主要培養(yǎng)目標(biāo)。因此，“數(shù)控技術(shù)”作為一門綜合性強(qiáng)，起到貫穿作用的紐帶課程，其教學(xué)理應(yīng)得到更大程度的重視。

二、“數(shù)控技術(shù)”課程教學(xué)現(xiàn)狀

經(jīng)過多年的教學(xué)實(shí)踐，“數(shù)控技術(shù)”的課程教學(xué)取得了一定程度的進(jìn)步，然而在當(dāng)前教學(xué)中也存在一些問題，主要表現(xiàn)在以下方面。

（一）課程定位不明確

以當(dāng)前機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)的課程安排為例，一些基礎(chǔ)課程占用了大量學(xué)時(shí)，導(dǎo)致很多專業(yè)課程只能減少學(xué)時(shí)為其讓路。以我們從事的“數(shù)控技術(shù)”課程教學(xué)為例，其由專業(yè)必修課變成了現(xiàn)在的專業(yè)選修課，重要性反而有所降低。

（二）教學(xué)內(nèi)容安排不合理

由于歷史原因，現(xiàn)在的機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)主要來源于原來的機(jī)械制造專業(yè)，在課程及教學(xué)內(nèi)容安排方面，更多地注重于制造方面，同時(shí)由于課程安排及師資方面的因素，教學(xué)中多以數(shù)控編程與加工為主，而與自動(dòng)化關(guān)系較為密切的數(shù)控系統(tǒng)及原理方面涉及較少。在實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)等實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中，通常也主要以簡(jiǎn)單的手工編程、數(shù)控機(jī)床操作為主。而隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控編程當(dāng)前也主要以自動(dòng)編程為主，手工編程應(yīng)用較少，形成與實(shí)際應(yīng)用的脫節(jié)。

（三）相關(guān)課程安排脫節(jié)

由于種種原因，機(jī)械專業(yè)的很多與自動(dòng)化相關(guān)的電類課程并沒有很好地融合到專業(yè)教學(xué)中。首先，機(jī)械專業(yè)的自動(dòng)化課程多由電氣專業(yè)相關(guān)教師開設(shè)，授課內(nèi)容也多由自動(dòng)化專業(yè)的課程教學(xué)移植而來，由于專業(yè)的差異，造成機(jī)械專業(yè)學(xué)生在學(xué)習(xí)中既缺乏針對(duì)性，又往往會(huì)陷入對(duì)自動(dòng)化專業(yè)知識(shí)一知半解的困惑中。這些前期課程內(nèi)容在后期學(xué)習(xí)中若不能得到有效應(yīng)用，就會(huì)形成一個(gè)個(gè)知識(shí)孤島，久而久之效果較差。因此，只有將相關(guān)課程有機(jī)結(jié)合在一起，學(xué)以致用，才能取得良好的學(xué)習(xí)效果。

三、數(shù)控技術(shù)教學(xué)改革的路徑

針對(duì)以上教學(xué)中存在的問題，結(jié)合多年的教學(xué)實(shí)踐，我們認(rèn)為應(yīng)主要從以下方面對(duì)課程教學(xué)進(jìn)行改革與探索。

（一）明確“數(shù)控技術(shù)”課程的地位

數(shù)控機(jī)床是結(jié)構(gòu)復(fù)雜的機(jī)電一體化設(shè)備，數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)屬于機(jī)械設(shè)計(jì)范疇，數(shù)控加工程序與機(jī)械制造工藝密切相關(guān)，數(shù)控系統(tǒng)及原理又是自動(dòng)化控制技術(shù)的典型應(yīng)用。因此，數(shù)控技術(shù)將設(shè)計(jì)、制造及自動(dòng)化緊密聯(lián)系在一起，具有重要紐帶作用，對(duì)于整個(gè)專業(yè)的教學(xué)都具有重要意義。因此，需要明確“數(shù)控技術(shù)”課程教學(xué)的核心地位，并應(yīng)對(duì)整個(gè)專業(yè)的教學(xué)計(jì)劃作合理調(diào)整。

（二）合理安排“數(shù)控技術(shù)”課程的內(nèi)容

數(shù)控加工方面包含內(nèi)容眾多，尤其是數(shù)控加工工藝方面，其與生產(chǎn)實(shí)踐密切相關(guān)，學(xué)生難以通過短時(shí)間的學(xué)習(xí)達(dá)到較高水平，因此學(xué)生掌握基本處理過程即可。要適當(dāng)擴(kuò)展自動(dòng)編程方面的教學(xué)內(nèi)容，使學(xué)生對(duì)生產(chǎn)中的主要編程手段有一定了解。適當(dāng)加強(qiáng)數(shù)控系統(tǒng)及原理方面的內(nèi)容，主要包括數(shù)控裝置、插補(bǔ)原理、伺服系統(tǒng)等，其中涉及的多項(xiàng)自動(dòng)化技術(shù)，不僅在數(shù)控機(jī)床中得到應(yīng)用，也是工業(yè)生產(chǎn)中非常重要的應(yīng)用技術(shù)。通過學(xué)習(xí)，有助于加深學(xué)生對(duì)數(shù)控技術(shù)的理解，同時(shí)對(duì)工業(yè)生產(chǎn)中的先進(jìn)自動(dòng)化技術(shù)有一定認(rèn)識(shí)和了解。

（三）規(guī)范相關(guān)課程教學(xué)

“數(shù)控技術(shù)”課程涉及技術(shù)層面較多，須合理安排相關(guān)課程教學(xué)，以數(shù)控技術(shù)為核心，形成合理的課程教學(xué)體系，讓“數(shù)控技術(shù)”課程的學(xué)習(xí)成為前期所學(xué)內(nèi)容的綜合實(shí)踐運(yùn)用過程。

從目前教學(xué)情況來看，與自動(dòng)化相關(guān)的電類課程存在的問題較多。這些課程多是在電氣專業(yè)的課程基礎(chǔ)上做簡(jiǎn)單修改移植而來，涉及大量的基礎(chǔ)原理與設(shè)計(jì)過程，而機(jī)械專業(yè)在這方面以應(yīng)用為主，易造成學(xué)習(xí)上的困難。以單片機(jī)課程為例，課程中多用晦澀難懂的匯編語言進(jìn)行編程，而實(shí)際應(yīng)用中卻是以C語言編程為主，其不但與實(shí)際脫節(jié)，且枯燥的學(xué)習(xí)過程易打消學(xué)生學(xué)習(xí)積極性。上述存在的問題，需要從全局規(guī)劃，合理配置師資條件，對(duì)理論及實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容及方式進(jìn)行調(diào)整，使電類課程教學(xué)更適應(yīng)機(jī)械專業(yè)的教學(xué)要求，并有機(jī)融合在機(jī)械類課程中。

（四）加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)

對(duì)于工科專業(yè)，實(shí)踐教學(xué)是對(duì)理論教學(xué)的有效補(bǔ)充。在“數(shù)控技術(shù)”課程學(xué)習(xí)中，數(shù)控實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)教學(xué)起著不可或缺的作用。

1.開展以自動(dòng)編程為主的數(shù)控實(shí)訓(xùn)。自動(dòng)編程是以計(jì)算機(jī)軟件完成數(shù)控加工程序的編制，是當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)中主要采用的編程方式。數(shù)控實(shí)訓(xùn)中應(yīng)以自動(dòng)編程為主，合理選取典型工件，制定工藝方案，利用常用的計(jì)算機(jī)軟件，讓學(xué)生了解自動(dòng)編程的主要工作流程及加工方式。

2.采用開放式數(shù)控系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)。工業(yè)生產(chǎn)用的數(shù)控機(jī)床適合加工實(shí)驗(yàn)及實(shí)訓(xùn)過程，但由于其封閉性，并不適合學(xué)生了解機(jī)床的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作原理等。為了加強(qiáng)對(duì)數(shù)控機(jī)床的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及各組成模塊的了解，選用開放式數(shù)控綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)是很好的替代方式。開放式實(shí)驗(yàn)臺(tái)將數(shù)控機(jī)床模塊進(jìn)行拆解，采用模塊化設(shè)計(jì)，由數(shù)控裝置、變頻調(diào)速主軸、交流伺服單元、測(cè)量裝置等組成，使機(jī)床組成一目了然，便于掌握數(shù)控系統(tǒng)電氣控制原理、電氣布局、安裝及調(diào)試等，可以達(dá)到工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)習(xí)效果[3]。

3.利用開源硬件實(shí)施項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)。項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)是指在教學(xué)過程中，以學(xué)生為中心，以項(xiàng)目為驅(qū)動(dòng)的教學(xué)方式。通過完成實(shí)際項(xiàng)目，學(xué)生真正做到學(xué)以致用，加深對(duì)理論知識(shí)的理解[4]。

項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)，項(xiàng)目的選取是關(guān)鍵。大部分工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積龐大，難以隨意拆裝去了解結(jié)構(gòu)、原理。近年來興起的一些小型桌面式自動(dòng)化設(shè)備可以作為很好的替代方案，如時(shí)下較熱門的3D打印機(jī)、激光雕刻機(jī)等。這些裝置功能完整，且規(guī)模較小，并可以采用一些標(biāo)準(zhǔn)組件，有效降低項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)難度及開發(fā)成本。同時(shí)，以學(xué)校、學(xué)院的創(chuàng)新項(xiàng)目及實(shí)驗(yàn)條件等為依托，可以對(duì)項(xiàng)目起到良好的支撐作用。

典型自動(dòng)化設(shè)備主要包括機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制硬件及應(yīng)用軟件三部分，涉及不同的技術(shù)領(lǐng)域，主要的難點(diǎn)在于后兩者，而當(dāng)前興起的開源硬件提供了有效解決方法。開源硬件是指與開源軟件采用相同方式設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)和電子硬件，以3D打印為例，它正是采用了開源硬件Arduino，才使昂貴的系統(tǒng)變得價(jià)格低廉。Arduino既包含硬件，也包含軟件開發(fā)環(huán)境和大量開源程序，拋開了傳統(tǒng)硬件開發(fā)的復(fù)雜操作，使真正完成一臺(tái)自動(dòng)化設(shè)備不再是遙不可及的[5]。

在項(xiàng)目的實(shí)施過程中，由學(xué)生組成團(tuán)隊(duì)，分工合作完成裝置的計(jì)算、設(shè)計(jì)工作，創(chuàng)建三維數(shù)字模型，生成工程圖紙，送至加工車間完成零部件的加工?？刂葡到y(tǒng)主要利用Arduino完成硬件控制及軟件開發(fā)。這種理論與實(shí)踐結(jié)合的學(xué)習(xí)過程，不但是對(duì)所學(xué)知識(shí)的檢驗(yàn)，而且可以極大激勵(lì)起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

數(shù)控技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中占有非常重要的地位，“數(shù)控技術(shù)”的本科課程教學(xué)中仍然存在諸多方面的問題。本文對(duì)我們教學(xué)實(shí)踐中遇到的一些問題進(jìn)行了分析，并提出了一些解決方法。隨著以數(shù)控機(jī)床為代表的自動(dòng)化設(shè)備在工業(yè)生產(chǎn)中的大量應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生的相關(guān)能力也變得越來越重要，這也促使我們對(duì)當(dāng)前教學(xué)中存在的問題不斷進(jìn)行思考，而作為工科專業(yè)，如何真正做到學(xué)以致用，讓學(xué)生在實(shí)踐中學(xué)習(xí)，任何時(shí)候都是一個(gè)重要的課題。

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