曹 侃，李鵬志，李建明

(1.石家莊職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，河北 石家莊 050081;2.衡水學(xué)院 學(xué)報(bào)編輯部，河北 衡水 053000)

數(shù)控加工及CAM技術(shù)是機(jī)械制造與自動(dòng)化專業(yè)的核心課程，主要教授CAM軟件操作和加工中心操作方面的內(nèi)容.無(wú)論是采用理實(shí)交替式還是理實(shí)疊加式教學(xué)，都存在資源利用率低，無(wú)法滿足學(xué)生個(gè)性化與碎片化學(xué)習(xí)需求[1]等問(wèn)題.信息化教學(xué)可將信息化技術(shù)與傳統(tǒng)教學(xué)相結(jié)合，通過(guò)信息化技術(shù)化解教學(xué)的重點(diǎn)、難點(diǎn)，解決傳統(tǒng)教學(xué)中存在的一些問(wèn)題，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，提高學(xué)習(xí)資源的利用率和教學(xué)效果.本文將通過(guò)探討藍(lán)墨云班課、CNC助手、仿真加工軟件等信息化手段在數(shù)控加工及CAM技術(shù)課程中的應(yīng)用，來(lái)分析信息化手段對(duì)教學(xué)的作用和效果.

1 傳統(tǒng)教學(xué)存在的問(wèn)題

(1)課程內(nèi)容安排不太合理

數(shù)控加工及CAM技術(shù)課程內(nèi)容分為三部分，分別為CAM自動(dòng)編程、加工中心操作和零件數(shù)控銑削加工，具體內(nèi)容如圖1所示.

圖1 數(shù)控加工及CAM技術(shù)課程內(nèi)容

按圖1劃分教學(xué)內(nèi)容是為了讓學(xué)生能集中時(shí)間學(xué)習(xí)某項(xiàng)知識(shí)或技能，以便夯實(shí)基礎(chǔ)，為數(shù)控加工打好基礎(chǔ).但是在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，這樣安排教學(xué)內(nèi)容的教學(xué)效果并不理想，突出表現(xiàn)在CAM軟件的學(xué)習(xí)與零件數(shù)控銑削加工學(xué)習(xí)的間隔時(shí)間較長(zhǎng)，學(xué)生在進(jìn)行數(shù)控銑削加工學(xué)習(xí)時(shí)，對(duì)CAM軟件的使用已經(jīng)生疏，影響教學(xué)的進(jìn)度和效果.

(2)CAD/CAM實(shí)訓(xùn)室和車間的教學(xué)難以同時(shí)兼顧

受班級(jí)人數(shù)和加工中心數(shù)量限制，進(jìn)行與加工中心相關(guān)的實(shí)訓(xùn)時(shí)，需要將學(xué)生分為兩部分，一部分在CAD/CAM實(shí)訓(xùn)室內(nèi)學(xué)習(xí)CAM軟件的使用方法；另一部分在車間進(jìn)行數(shù)控加工.實(shí)訓(xùn)室和車間分別為兩個(gè)不同的學(xué)習(xí)場(chǎng)所，二者之間有一定的距離，教師很難同時(shí)兼顧這兩個(gè)場(chǎng)所的學(xué)生.在加工中心操作和零件數(shù)控加工的教學(xué)過(guò)程中，教師需要一直在車間帶領(lǐng)學(xué)生學(xué)習(xí)加工中心操作并隨時(shí)監(jiān)管，以免發(fā)生危險(xiǎn).此時(shí)，實(shí)訓(xùn)室內(nèi)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況則難以兼顧，學(xué)生在學(xué)習(xí)中遇到問(wèn)題也難以得到教師的及時(shí)指導(dǎo).

(3)學(xué)習(xí)場(chǎng)所和時(shí)間受限

CAM軟件需要大量的練習(xí)才能熟練掌握，而課堂時(shí)間有限.部分學(xué)生雖然購(gòu)置了電腦，希望在課下能繼續(xù)學(xué)習(xí)CAM軟件，但缺乏相應(yīng)的軟件操作視頻，而購(gòu)買參考書，不但加重學(xué)生的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，其內(nèi)容也不一定與教學(xué)內(nèi)容相符.

機(jī)床操作主要在課上完成，但僅由教師演示操作一遍，學(xué)生很難完全掌握.學(xué)生進(jìn)行操作時(shí)，往往會(huì)再向教師請(qǐng)教，教師也不得不對(duì)每組重復(fù)演示.因采用分組教學(xué)模式，一組學(xué)生的兩次實(shí)訓(xùn)常常會(huì)間隔兩到三次課，學(xué)生對(duì)于機(jī)床操作的掌握比較慢，在這個(gè)過(guò)程中需要教師反復(fù)講解和演示，既耗費(fèi)教師精力，教學(xué)效果也不理想，而教學(xué)時(shí)間卻是固定的，實(shí)訓(xùn)室也不可能全天對(duì)學(xué)生開(kāi)放，因此學(xué)生的學(xué)習(xí)場(chǎng)所和時(shí)間均受限制.

(4)加工中心操作考核受限

本課程一直受到設(shè)備少、學(xué)生多的困擾，對(duì)加工中心操作的考核難以覆蓋全部學(xué)生.傳統(tǒng)教學(xué)為分組教學(xué)，對(duì)學(xué)生機(jī)床操作的考核往往依據(jù)該組加工成績(jī)及平時(shí)表現(xiàn)進(jìn)行打分，因此難以考察每個(gè)學(xué)生對(duì)相關(guān)操作的掌握情況，該部分成績(jī)也就在一定程度上有失公允.

2 數(shù)控加工及CAM技術(shù)課程教學(xué)改革

在數(shù)控加工及CAM技術(shù)課程教學(xué)中，筆者采用工作過(guò)程系統(tǒng)化的課程設(shè)計(jì)理念，將數(shù)控加工工件按由簡(jiǎn)單到復(fù)雜將教學(xué)過(guò)程分為4個(gè)學(xué)習(xí)情境，且每個(gè)情境都包含完整的數(shù)控加工過(guò)程.同時(shí)，引入信息化教學(xué)平臺(tái)及相關(guān)教學(xué)資源來(lái)解決課程的重難點(diǎn)問(wèn)題，完成課程教學(xué)目標(biāo).

(1)合理安排教學(xué)內(nèi)容

將數(shù)控加工及CAM技術(shù)課程分為4個(gè)學(xué)習(xí)情境，見(jiàn)圖2.在前三個(gè)學(xué)習(xí)情境中，學(xué)生每完成一個(gè)學(xué)習(xí)情境的學(xué)習(xí)，就會(huì)完成一個(gè)學(xué)習(xí)載體的CAM自動(dòng)編程、加工中心操作和進(jìn)行零件加工.例如，圖3a為學(xué)習(xí)情境1的學(xué)習(xí)載體，圖3b為該學(xué)習(xí)情境中學(xué)習(xí)CAM平面加工的例題——泵蓋模型.學(xué)生先在教師的帶領(lǐng)下學(xué)習(xí)泵蓋的平面加工過(guò)程，掌握CAM軟件的平面加工功能，然后由學(xué)生獨(dú)立完成學(xué)習(xí)載體的建模、平面銑削自動(dòng)編程及加工.學(xué)生在此過(guò)程中，學(xué)習(xí)完整的數(shù)控加工過(guò)程及相關(guān)知識(shí)和技能，即加工工藝分析、CAM軟件數(shù)控編程、夾具安裝與找正、加工中心操作及加工等.學(xué)習(xí)情境4為夾具零件加工，需要與機(jī)械零件制造工藝與夾具設(shè)計(jì)、現(xiàn)代制造技術(shù)等課程合作完成.由于每年學(xué)生設(shè)計(jì)的夾具均不相同，因此沒(méi)有設(shè)置固定的學(xué)習(xí)載體.

圖2 改革后的課程教學(xué)內(nèi)容安排

a 學(xué)習(xí)載體

b 泵蓋模型

(2)引入藍(lán)墨云班課

藍(lán)墨云班課是一款強(qiáng)大的手機(jī)互動(dòng)教學(xué)工具，教師可以使用它輕松、方便地完成點(diǎn)名、簽到，向?qū)W生推送學(xué)習(xí)資料，開(kāi)展頭腦風(fēng)暴、調(diào)查問(wèn)卷、答疑討論等活動(dòng)[2].

將數(shù)控加工及CAM技術(shù)課程的教學(xué)課件、課程教學(xué)實(shí)施計(jì)劃、考核方案以及教學(xué)視頻、補(bǔ)充學(xué)習(xí)資料均發(fā)布到藍(lán)墨云班課中，方便學(xué)生隨時(shí)查看、學(xué)習(xí)，這可在一定程度上解決學(xué)生學(xué)習(xí)場(chǎng)所和時(shí)間受限的問(wèn)題.課上將頭腦風(fēng)暴、測(cè)試等活動(dòng)加入到教學(xué)過(guò)程中，在方便學(xué)生討論的同時(shí)，有利于教師了解學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解程度和技能的掌握情況，并對(duì)課堂表現(xiàn)較好的學(xué)生增加經(jīng)驗(yàn)值以示鼓勵(lì).課程結(jié)束后，對(duì)本門課的學(xué)習(xí)情況進(jìn)行了問(wèn)卷調(diào)查，了解了學(xué)生對(duì)授課的感受及對(duì)知識(shí)、技能的掌握程度.

(3)引入CNC助手

CNC助手為微信小程序，分為“學(xué)習(xí)”和“小工具”兩個(gè)板塊，界面截圖如圖4所示.“學(xué)習(xí)”板塊存儲(chǔ)有G代碼、常用加工程序等學(xué)習(xí)資料，學(xué)生能隨時(shí)查閱；“小工具”板塊則有十余個(gè)計(jì)算和查詢工具，供學(xué)生在編程及操作機(jī)床時(shí)使用，如“四面分中”計(jì)算、“三點(diǎn)定圓心”計(jì)算等.

圖4 CNC助手小程序界面截圖

(4)引入斯沃?jǐn)?shù)控仿真軟件

由于CAM軟件的仿真加工主要用于檢查刀具軌跡的合理性，而無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)控機(jī)床的仿真操作.因此，在課程教學(xué)中引入斯沃?jǐn)?shù)控仿真軟件，界面截圖如圖5所示.該軟件具有多種數(shù)控系統(tǒng)和操作面板，能夠模擬加工中心的大部分操作，方便學(xué)生在虛擬環(huán)境中學(xué)習(xí)加工中心的操作方法.

圖5 斯沃?jǐn)?shù)控仿真軟件界面截圖

3 教學(xué)實(shí)施過(guò)程

3.1 CAM軟件教學(xué)

本文以學(xué)習(xí)情境1的學(xué)習(xí)單元1.2中泵蓋平面銑輪廓粗加工為例，介紹使用CAM軟件的教學(xué)過(guò)程.

泵蓋零件的CAM自動(dòng)編程及仿真加工共分4步工序：粗加工、頂面精加工、側(cè)壁精加工和孔加工，分別對(duì)應(yīng)CAM軟件的平面銑、曲面銑、平面輪廓銑、孔加工等4種加工功能.因此，每步工序都安排兩課時(shí)的教學(xué)時(shí)間.

3.1.1 課前預(yù)習(xí)

教師提前將CAM軟件操作微課、加工參數(shù)等相關(guān)學(xué)習(xí)資料上傳至藍(lán)墨云班課，發(fā)布課前預(yù)習(xí)資料，通過(guò)測(cè)試題來(lái)檢查學(xué)生的預(yù)習(xí)效果，其中平面銑工序的課前測(cè)試情況截圖如圖6所示.由圖6可知，錯(cuò)誤率最高的題目為第三題，說(shuō)明學(xué)生在預(yù)習(xí)過(guò)程中對(duì)“毛坯邊界材料側(cè)”的概念容易混淆.

圖6 平面銑工序課前測(cè)試題情況

3.1.2 課堂教學(xué)

第一步，由教師展示泵蓋零件，講解加工工藝，然后向?qū)W生展示用平面銑功能粗加工輪廓并仿真加工的操作過(guò)程，講解主要參數(shù)的含義，著重講解預(yù)習(xí)中學(xué)生不易理解的內(nèi)容，如“毛坯邊界材料側(cè)”的含義.

第二步，安排學(xué)生進(jìn)行上機(jī)練習(xí)，使學(xué)生掌握操作過(guò)程和參數(shù)設(shè)置方法.學(xué)生根據(jù)教師的講解，結(jié)合藍(lán)墨云班課中的微課，獨(dú)立生成泵蓋的平面銑粗加工刀具軌跡并進(jìn)行仿真加工，以檢驗(yàn)該軌跡的合理性.同時(shí)，教師發(fā)起頭腦風(fēng)暴，讓學(xué)生就某些易錯(cuò)參數(shù)進(jìn)行討論，加深印象.

第三步，發(fā)布練習(xí)題，通過(guò)練習(xí)培養(yǎng)學(xué)生熟練使用平面銑進(jìn)行粗加工的能力，借助CAM軟件的仿真加工功能，檢查學(xué)生生成的刀具軌跡是否合理，并指導(dǎo)其進(jìn)行修改.

第四步，成果展示，即通過(guò)藍(lán)墨云班課的選人功能選出學(xué)生進(jìn)行演示操作，教師進(jìn)行總結(jié)和點(diǎn)評(píng).

3.1.3 課后練習(xí)

完成學(xué)習(xí)任務(wù)后，在藍(lán)墨云班課上發(fā)布課后習(xí)題，使學(xué)生鞏固所學(xué)知識(shí)，掌握相關(guān)技能.

泵蓋仿真加工是在教師指導(dǎo)下進(jìn)行的，學(xué)習(xí)載體的加工程序則由學(xué)生獨(dú)立完成.學(xué)生可借助CNC助手中的軸孔公差表、牙底孔徑對(duì)照表等設(shè)置相關(guān)參數(shù)，完成仿真加工并生成程序，經(jīng)教師檢查后，將程序用于實(shí)際加工中.

3.2 加工中心操作教學(xué)

3.2.1 課前預(yù)習(xí)

在藍(lán)墨云班課上發(fā)布微課、測(cè)試題供學(xué)生學(xué)習(xí).

3.2.2 課堂教學(xué)

受限于班級(jí)人數(shù)和設(shè)備數(shù)量，無(wú)法做到人手一臺(tái)設(shè)備進(jìn)行學(xué)習(xí)，因此采用分組形式，將學(xué)生分為6組.

前三組在數(shù)控加工車間跟隨教師學(xué)習(xí)加工中心操作和進(jìn)行零件加工.第一步，由教師示范操作過(guò)程，講解注意事項(xiàng).第二步，由學(xué)生自行練習(xí)，完成刀具安裝、對(duì)刀等操作.學(xué)生在練習(xí)過(guò)程中可借助藍(lán)墨云班課中的微課反復(fù)觀摩學(xué)習(xí).在進(jìn)行對(duì)刀操作時(shí)，可利用CNC助手中的“四面分中”等計(jì)算工具確定相關(guān)數(shù)據(jù)，利用“G代碼幫助”查詢相關(guān)代碼含義和使用方法，如換刀指令M6.第三步，教師檢查各組加工前的準(zhǔn)備情況.第四步，上傳加工程序，加工工件.第五步，檢查加工結(jié)果，即檢查工件尺寸、公差等.由于筆者所在單位在進(jìn)行實(shí)訓(xùn)室設(shè)計(jì)時(shí)，將CAD/CAM實(shí)訓(xùn)室外設(shè)計(jì)為數(shù)控加工車間，因此在加工過(guò)程中程序出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，學(xué)生能迅速回到實(shí)訓(xùn)室檢查并重新生成加工程序.教師也方便往來(lái)于實(shí)訓(xùn)室和數(shù)控加工車間，同時(shí)監(jiān)督兩個(gè)教學(xué)場(chǎng)所學(xué)生的學(xué)習(xí)情況.

后三組學(xué)生在CAD/CAM實(shí)訓(xùn)室內(nèi)學(xué)習(xí).教師可安排其學(xué)習(xí)CAM軟件，生成后續(xù)加工零件刀具軌跡和加工程序；或安排學(xué)生利用斯沃?jǐn)?shù)控仿真軟件反復(fù)練習(xí)加工中心操作，在實(shí)操前熟練掌握其操作方法，了解操作過(guò)程.由于教師已經(jīng)將CAM軟件操作微課、加工中心操作微課、《機(jī)械加工工藝手冊(cè)》等學(xué)習(xí)資料上傳至藍(lán)墨云班課供學(xué)生參考，因此，在一定程度上解決了教師在數(shù)控加工車間時(shí)教室內(nèi)的學(xué)生得不到及時(shí)指導(dǎo)的問(wèn)題.

3.3 考核

課程采用過(guò)程考核，平時(shí)成績(jī)占30%，CAM軟件學(xué)習(xí)成績(jī)占40%，加工中心操作成績(jī)占40%.

平時(shí)成績(jī)主要包括藍(lán)墨云班課成績(jī)和實(shí)訓(xùn)報(bào)告成績(jī).CAM軟件學(xué)習(xí)成績(jī)主要依據(jù)CAM軟件生成的刀具軌跡和仿真加工結(jié)果進(jìn)行打分.加工中心操作考核采用上機(jī)實(shí)操和斯沃?jǐn)?shù)控仿真軟件操作相結(jié)合的方式.受限于時(shí)間，實(shí)操考核難以讓每個(gè)學(xué)生都參加，因此每組選出1～2名學(xué)生進(jìn)行實(shí)操考核，這些學(xué)生可以自愿報(bào)名或由教師指定，其余學(xué)生則利用斯沃?jǐn)?shù)控仿真軟件完成加工中心操作考核，考核內(nèi)容除刀具安裝外，與實(shí)操考核一致.由于實(shí)操考核是考查學(xué)生真實(shí)的操作過(guò)程，因此在評(píng)定成績(jī)時(shí)，可適當(dāng)向參加實(shí)操考核的學(xué)生傾斜.這樣，所有的學(xué)生相當(dāng)于均參加了操作考核，而不僅是以組為單位的考核.

4 教學(xué)效果

(1)提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性

學(xué)生上課前自學(xué)藍(lán)墨云班課推送的學(xué)習(xí)資料和CAM軟件、加工中心的操作視頻，為學(xué)生自學(xué)提供了條件.而學(xué)生在參加藍(lán)墨云班課的學(xué)習(xí)活動(dòng)中，提高了學(xué)習(xí)的主動(dòng)性.

(2)師生、生生互動(dòng)性增強(qiáng)

傳統(tǒng)課堂一般通過(guò)舉手回答問(wèn)題，參與師生互動(dòng)的學(xué)生是少數(shù)，而在藍(lán)墨云班課的頭腦風(fēng)暴、答疑討論等活動(dòng)中，大多數(shù)學(xué)生都能參與其中，教師能通過(guò)軟件了解大部分學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況.藍(lán)墨云班課的教學(xué)活動(dòng)既有激勵(lì)作用，也有強(qiáng)制性，因?yàn)樗笏械膶W(xué)生參加討論，這對(duì)于鼓勵(lì)學(xué)生積極回答問(wèn)題，參加教學(xué)活動(dòng)有一定的推動(dòng)作用.

(3)打破時(shí)間、空間對(duì)學(xué)習(xí)活動(dòng)的限制

藍(lán)墨云班課的教學(xué)資源可供學(xué)生課上和課下學(xué)習(xí)，因此即使課下沒(méi)有教師的直接指導(dǎo)，也能鞏固和提高CAM軟件的操作技能.藍(lán)墨云班課將學(xué)習(xí)活動(dòng)有效地?cái)U(kuò)展到了課堂以外，進(jìn)而打破了時(shí)間、空間對(duì)學(xué)習(xí)活動(dòng)的限制.

(4)方便兼顧C(jī)AD/CAM實(shí)訓(xùn)室和數(shù)控加工車間教學(xué)

開(kāi)展與加工中心相關(guān)的教學(xué)時(shí)，會(huì)有一部分學(xué)生留在實(shí)訓(xùn)室學(xué)習(xí)CAM軟件操作，完成教師布置的CAM自動(dòng)編程任務(wù)，他們可以利用藍(lán)墨云班課、CNC助手的教學(xué)資源反復(fù)學(xué)習(xí)軟件操作方法，節(jié)省教師指導(dǎo)CAM軟件學(xué)習(xí)的時(shí)間.對(duì)于加工中心操作，學(xué)生可以反復(fù)觀看操作視頻，從而避免因遺忘導(dǎo)致的生疏，有利于提高機(jī)床操作水平.

教師向?qū)W生提供藍(lán)墨云班課的教學(xué)資源，能在一定程度上避免同一個(gè)問(wèn)題針對(duì)不同學(xué)生講解多次的情況，有利于提高教學(xué)效率；而通過(guò)頭腦風(fēng)暴、測(cè)試等活動(dòng)，有利于了解學(xué)生學(xué)習(xí)中的疑難問(wèn)題，從而使指導(dǎo)更有針對(duì)性.

(5)通過(guò)仿真軟件、CNC助手提高學(xué)習(xí)效率

斯沃?jǐn)?shù)控仿真軟件能使學(xué)生在實(shí)際操作機(jī)床前熟悉操作方法和流程，避免因操作不熟練而發(fā)生事故,也能使學(xué)生在整個(gè)課程中反復(fù)練習(xí)機(jī)床操作，提高熟練程度.CNC助手簡(jiǎn)單、易用，學(xué)生使用該小程序輔助加工中心操作或CAM仿真加工時(shí)，能夠方便、快捷地計(jì)算相關(guān)數(shù)據(jù)，從而節(jié)約時(shí)間，而且該應(yīng)用為微信小程序，無(wú)需安裝額外APP即可使用.

(6)加工中心操作考核能覆蓋所有學(xué)生

斯沃?jǐn)?shù)控仿真軟件的使用，使得教師能夠組織覆蓋所有學(xué)生的加工中心操作考核.通過(guò)這種考核，能了解每個(gè)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，考核也更加科學(xué)、合理.

5 結(jié)語(yǔ)

藍(lán)墨云班課便于學(xué)生隨時(shí)隨地學(xué)習(xí)，突破了教學(xué)時(shí)間和場(chǎng)所對(duì)學(xué)習(xí)的限制，學(xué)習(xí)資料可以反復(fù)觀看、學(xué)習(xí)，極大地減輕了教師的授課壓力，也使得教師能夠在講授加工中心操作時(shí)，兼顧實(shí)訓(xùn)室內(nèi)自學(xué)的學(xué)生.CAM仿真加工和斯沃?jǐn)?shù)控仿真軟件既能夠提高實(shí)際加工操作的安全性和教學(xué)效果，也使得考核更加合理.CNC小程序提供了諸多數(shù)控加工需要的資料和計(jì)算工具，使用方便.這種教學(xué)設(shè)計(jì)使學(xué)生能夠完整地進(jìn)行4次數(shù)控加工過(guò)程的學(xué)習(xí)，既有利于掌握CAM自動(dòng)編程和加工中心操作的方法，又有利于提高學(xué)生綜合運(yùn)用課程知識(shí)的能力.將信息化手段應(yīng)用于教學(xué)中，能充分提高學(xué)生的積極性，使手機(jī)從娛樂(lè)工具、通訊工具轉(zhuǎn)變成為有利于提高學(xué)習(xí)效果的學(xué)習(xí)工具.