楊清艷 雷經(jīng)發(fā) 劉偉 賈巍 張正彬

[摘 要] 作為現(xiàn)代機(jī)械制造中傳統(tǒng)加工方法的替代，數(shù)控技術(shù)主要采用高速、高精度、復(fù)合、系統(tǒng)、智能、靈活的加工方法，是工業(yè)4.0時(shí)代不可缺少的一部分。文章根據(jù)工程專業(yè)認(rèn)證計(jì)劃以及工業(yè)4.0背景下對(duì)學(xué)生的培養(yǎng)要求和目標(biāo)，分析了“數(shù)控技術(shù)”課程在機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)的教學(xué)現(xiàn)狀和不足，針對(duì)“數(shù)控技術(shù)”教學(xué)大綱、教學(xué)方法、教學(xué)內(nèi)容和課程考核方式提出了一些課程改革措施。結(jié)果表明，本課程應(yīng)注重培養(yǎng)學(xué)生分析和解決工程問題能力，科學(xué)教學(xué)，不斷推進(jìn)機(jī)械工程數(shù)控技術(shù)教學(xué)的改革與發(fā)展。

[關(guān)鍵詞] 數(shù)控技術(shù);工程教育專業(yè)認(rèn)證;機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化;MOOC

[中圖分類號(hào)] G642.0? ?[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A? ?[文章編號(hào)] 1674-9324（2021）04-0052-04? ? [收稿日期] 2020-05-08

一、引言

工程教育專業(yè)認(rèn)證的核心是確認(rèn)工程專業(yè)畢業(yè)生符合行業(yè)要求的既定質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，是針對(duì)培訓(xùn)目標(biāo)和畢業(yè)出口要求的資格評(píng)估，是國(guó)際公認(rèn)的工程教育質(zhì)量保證體系[1]。機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)作為工程認(rèn)證專業(yè)之一，學(xué)生必須學(xué)習(xí)“數(shù)控技術(shù)”，該課程是機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)的重要專業(yè)課程之一，內(nèi)容廣泛，且具有很強(qiáng)的實(shí)踐性。根據(jù)工程認(rèn)證的相關(guān)文件，深深感到目前的“數(shù)控技術(shù)”課程體系與教學(xué)模式和本校認(rèn)證的培訓(xùn)目的和教學(xué)需求還存在一定的差距。特別是21世紀(jì)以來，在工業(yè)4.0[2，3]、智能制造[4]及“互聯(lián)網(wǎng)+”[5]迅猛發(fā)展的形勢(shì)下，高等教育面臨新的挑戰(zhàn)，必須調(diào)整人才培養(yǎng)模式。高等教育更注重培養(yǎng)學(xué)生的基本知識(shí)、基本素養(yǎng)和實(shí)踐能力以及創(chuàng)新能力。為了培養(yǎng)出行業(yè)所認(rèn)可的高水平人才，本校數(shù)控技術(shù)課題組針對(duì)該課程在教學(xué)過程中存在的問題，提出了一些改革措施。

二、工程認(rèn)證背景下機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)“數(shù)控技術(shù)”教學(xué)中存在的主要問題

工程教育認(rèn)證的核心理念是“學(xué)生中心是宗旨，成果導(dǎo)向是要求，持續(xù)改進(jìn)是機(jī)制”?！耙詫W(xué)生為中心”包含兩層意思：其一，對(duì)學(xué)生的評(píng)價(jià)，其評(píng)價(jià)的核心是“學(xué)生表現(xiàn)”，即評(píng)估學(xué)生是否在學(xué)校學(xué)習(xí)期間具備了相應(yīng)的素質(zhì)和能力;其二，面向的對(duì)象，要求院校和專業(yè)針對(duì)的是“所有”學(xué)生?！俺晒麑?dǎo)向”（即以學(xué)生學(xué)習(xí)結(jié)果為指揮棒）是工程教育認(rèn)證的根本目的，是促進(jìn)或提升“教育產(chǎn)出”即成果（學(xué)生學(xué)到內(nèi)容），而非“教育輸入”（教師教了什么）。工程教育認(rèn)證的“成果”就是所有培養(yǎng)目標(biāo)和畢業(yè)要求都要集中體現(xiàn)學(xué)校和專業(yè)使學(xué)生走向工程職業(yè)崗位時(shí)具備什么樣素質(zhì)和能力，并且這些素質(zhì)和能力確實(shí)成了學(xué)生表現(xiàn)的現(xiàn)實(shí)（包括畢業(yè)時(shí)和畢業(yè)后一段時(shí)間）。持續(xù)改進(jìn)是工程教育認(rèn)證制度的一大重要特征，各專業(yè)應(yīng)該用各種機(jī)制、制度和措施，以確保跟蹤、評(píng)估和改進(jìn)以“學(xué)生為中心”、以“成果為導(dǎo)向”的教學(xué)、教育、培養(yǎng)過程和結(jié)果。在此根據(jù)“成果導(dǎo)向”的教學(xué)，本?！皵?shù)控技術(shù)”課程的教師從教學(xué)大綱、教學(xué)方法、教學(xué)內(nèi)容和課程考核機(jī)制等方面總結(jié)了教學(xué)過程中存在的問題。

（一）教學(xué)大綱

教學(xué)大綱是與專業(yè)人才培養(yǎng)計(jì)劃配套的指導(dǎo)性文件，它以綱要的形式規(guī)定了課程的基本內(nèi)容、性質(zhì)、任務(wù)及課程內(nèi)容的深度和廣度，是任課教師組織教學(xué)的直接依據(jù)。目前存在的問題主要是教學(xué)大綱規(guī)定教學(xué)時(shí)數(shù)要求與教師實(shí)際能傳授內(nèi)容不匹配，大綱規(guī)定的教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)不清晰或與實(shí)際教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)存在差異，多門專業(yè)課程出現(xiàn)內(nèi)容交叉和重復(fù)。出現(xiàn)這一問題根源在于沒有理清工程認(rèn)證畢業(yè)要求與該課程目標(biāo)之間的關(guān)系。

（二）教學(xué)方法

傳統(tǒng)“數(shù)控技術(shù)”教學(xué)以教師講解、學(xué)生聽課并依照例子操作的模式進(jìn)行，缺乏互動(dòng)，課堂枯燥，學(xué)生學(xué)習(xí)效果不理想。特別是進(jìn)行數(shù)控插補(bǔ)原理及控制方法講解的時(shí)候，公式較多，單純的教師教授，學(xué)生難免覺得枯燥，導(dǎo)致厭學(xué)。與培養(yǎng)目標(biāo)嚴(yán)重脫節(jié)，效果不理想，最終難以做到以“學(xué)生為中心”。

（三）教學(xué)內(nèi)容

“數(shù)控技術(shù)”課程教學(xué)內(nèi)容主要包括：數(shù)控技術(shù)基本概念;數(shù)據(jù)編程加工代碼;數(shù)控插補(bǔ)原理;數(shù)控裝置;數(shù)控檢測(cè)裝置;數(shù)控伺服系統(tǒng)。在教學(xué)過程中，教師側(cè)重于講解基本概念和基本原理，教學(xué)內(nèi)容不能以培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力為目標(biāo)。特別像數(shù)控編程加工代碼這一塊，涉及數(shù)控車加工、數(shù)控銑加工、數(shù)控鉆孔加工代碼編程，單純靠上課的理論講解難以掌握實(shí)際操作，更不能體現(xiàn)以“學(xué)生為中心”，難以激發(fā)學(xué)生自主積極學(xué)習(xí)和有效學(xué)習(xí)。

（四）考核方式

“數(shù)控技術(shù)”理論教學(xué)考核方式一般采用傳統(tǒng)的“平時(shí)成績(jī)+考試成績(jī)”的考核方式，其中平時(shí)成績(jī)占總成績(jī)的30%，最終考試卷面成績(jī)占70%，一份試卷基本決定了該課程的最終成績(jī)，無(wú)法在最大程度上體現(xiàn)出學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力，同時(shí)在一定程度上導(dǎo)致部分學(xué)生“高分低能”，使得學(xué)生平時(shí)不努力學(xué)習(xí)，只需在考試前幾天突擊背誦相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，無(wú)法真正檢驗(yàn)學(xué)生在理解和應(yīng)用知識(shí)方面的能力?！皵?shù)控技術(shù)”是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，這樣的考核方式不能完全檢查學(xué)生的實(shí)踐能力，因此，這樣的考核方式與機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)、與“數(shù)控技術(shù)”的課程目標(biāo)脫節(jié)。

三、教學(xué)改革的措施與方法

針對(duì)“數(shù)控技術(shù)”課程教學(xué)過程中存在的上述問題，結(jié)合《工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)》，本文給出以下改革方案。

（一）根據(jù)畢業(yè)要求修訂課程教學(xué)大綱

“數(shù)控技術(shù)”是現(xiàn)代制造技術(shù)的基礎(chǔ)，是機(jī)械技術(shù)制造及其自動(dòng)化專業(yè)本科生必修的專業(yè)課，是機(jī)械類專業(yè)學(xué)生必須掌握的一門實(shí)用技術(shù)。該課程不僅具有較強(qiáng)的理論性，同時(shí)具有較強(qiáng)的實(shí)用性和操作性，是一門理論性與實(shí)踐性都很強(qiáng)的課程。通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握數(shù)字控制基礎(chǔ)理論，掌握數(shù)控加工編程的基本方法、數(shù)控系統(tǒng)體系構(gòu)成。在制定教學(xué)大綱的過程中，要緊扣學(xué)校、地方和國(guó)家人才培養(yǎng)計(jì)劃和目標(biāo)的要求，充分體現(xiàn)學(xué)科發(fā)展和教學(xué)改革的新成果，體現(xiàn)教學(xué)以學(xué)生為主體的思想。在此基礎(chǔ)上制定課程大綱，其課程目標(biāo)即對(duì)學(xué)生知識(shí)和能力及要求如下：①以能夠正確掌握數(shù)控技術(shù)其工作特點(diǎn)、應(yīng)用場(chǎng)合及在現(xiàn)代化制造技術(shù)領(lǐng)域中的重要地位。②能夠掌握數(shù)控機(jī)床及其數(shù)控系統(tǒng)的組成和工作原理，理解計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的軟硬件結(jié)構(gòu)，初步具備分析數(shù)控機(jī)床性能優(yōu)劣的能力。③能夠掌握數(shù)控機(jī)床加工程序的編制方法，具備編制簡(jiǎn)單零件數(shù)控加工程序的能力。④能夠初步具備選擇、使用、管理和維護(hù)數(shù)控機(jī)床的能力，為學(xué)習(xí)其他有關(guān)課程和將來從事數(shù)控技術(shù)方面的工程設(shè)計(jì)與開發(fā)打好必要的基礎(chǔ)。4個(gè)課程目標(biāo)對(duì)畢業(yè)要求的指標(biāo)點(diǎn)如表1所示。在此基礎(chǔ)上來制定每節(jié)課所授課程內(nèi)容與時(shí)長(zhǎng)。多課程之間的內(nèi)容交叉部分的課程內(nèi)容，可以根據(jù)該課程所對(duì)應(yīng)畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)的權(quán)重因子的大小來確定，以避免內(nèi)容重復(fù)。

（二）翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)模式

目前，高校大部分采用傳統(tǒng)的教學(xué)模式，主要由任課教師在課堂上講授。由于學(xué)生在大學(xué)環(huán)境中的自由時(shí)間多和管理比較寬松，導(dǎo)致大多數(shù)學(xué)生基本上沒有在課前預(yù)習(xí)課程，只是課堂上聽課，在課后完成教師的作業(yè)，最后教師對(duì)作業(yè)給予評(píng)價(jià)和指導(dǎo)。這種傳統(tǒng)課堂教學(xué)違背了工程認(rèn)證以學(xué)生為中心的要求。

翻轉(zhuǎn)課堂（Flipped Classroom或Inverted Classroom），主要指調(diào)整課堂教學(xué)與課外學(xué)習(xí)的時(shí)間[6]。即學(xué)生先在課外通過觀看教學(xué)視頻、閱讀電子書、聽播客等形式學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)，在課堂上則集中精力進(jìn)行探討和交流，解決在學(xué)習(xí)中遇到的難題，使理解得以進(jìn)一步深入。翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)模式是對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)結(jié)構(gòu)與教學(xué)流程的顛覆，它將學(xué)習(xí)的決定權(quán)轉(zhuǎn)移給了學(xué)生。另外授課模式轉(zhuǎn)變?yōu)橄葘W(xué)后教，先由學(xué)生課前自學(xué)，再由教師在課堂上答疑解惑，以彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)中學(xué)生不能自主預(yù)習(xí)的不足。翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式下的課堂以學(xué)生為中心，大大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

（三）教學(xué)內(nèi)容與虛擬技術(shù)相結(jié)合

“數(shù)控技術(shù)”融合了微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)及精密機(jī)械等綜合性技術(shù)，是一門多學(xué)科、多內(nèi)容交叉的課程，其主要內(nèi)容有數(shù)控程序編制、插補(bǔ)原理及控制方法、數(shù)控機(jī)床檢測(cè)裝置、計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置以及數(shù)控伺服系統(tǒng)。在講授數(shù)控程序編制（包括講授數(shù)控編程指令、數(shù)控工藝、數(shù)控操作）實(shí)踐性強(qiáng)，如果采用傳統(tǒng)教學(xué)方式，即單純地進(jìn)行黑板板書以及簡(jiǎn)單的幻燈片教學(xué)方法，教師即使使出渾身解數(shù)，學(xué)生依然是一臉茫然，難以理解。在進(jìn)行插補(bǔ)原理及控制方法講解的時(shí)候，“數(shù)控技術(shù)”中一些理論較深的數(shù)控插補(bǔ)原理和公式、數(shù)控裝置的軌跡控制原理，在課時(shí)較少的情況下，單純依靠教師黑板教條式教學(xué)講解這些內(nèi)容，易造成學(xué)生因難以理解而出現(xiàn)畏懼厭學(xué)的現(xiàn)象。教學(xué)方法沒有達(dá)到教學(xué)效果，不能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，更不用說“以學(xué)生為中心”的教學(xué)。課程主要圍繞“教師、教科書、教室為中心”，學(xué)生是被動(dòng)的單向接受者，最終導(dǎo)致教學(xué)效果不理想。教師可以結(jié)合虛擬技術(shù)將原理知識(shí)呈現(xiàn)出來，深入了解原理知識(shí)。例如根據(jù)插補(bǔ)原理自行編寫一個(gè)小應(yīng)用程序，讓學(xué)生了解逐點(diǎn)比較插補(bǔ)算法的原理、脈沖當(dāng)量更透徹（圖1）。再如在講解編程的時(shí)候，合理利用數(shù)控仿真軟件教學(xué)。數(shù)控仿真軟件可以模擬出實(shí)際機(jī)床三維加工環(huán)境及其工作狀態(tài)，讓學(xué)生熟練掌握代碼的使用規(guī)則，在三維數(shù)控環(huán)境中進(jìn)行模擬操作演示，讓學(xué)生親眼看到如何進(jìn)行工件的數(shù)控加工，學(xué)生一目了然了，教學(xué)效果良好。

（四）實(shí)行合理的“數(shù)控技術(shù)”考核方式

實(shí)踐教學(xué)的質(zhì)量是反映學(xué)生工程實(shí)踐能力水平的關(guān)鍵，而傳統(tǒng)的“數(shù)控技術(shù)”質(zhì)量考核體系很難真實(shí)反映學(xué)生的工程實(shí)踐能力。結(jié)合工程認(rèn)證的OBE（Outcomes Based Education）的教學(xué)理念，筆者設(shè)置機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)“數(shù)控技術(shù)”課程的總評(píng)成績(jī)=平時(shí)考核成績(jī)×20%+實(shí)驗(yàn)成績(jī)×10%+期末考試成績(jī)×70%。

平時(shí)考核主要以課堂表現(xiàn)、出勤情況和完成作業(yè)情況為主，課堂表現(xiàn)即課堂聽課狀態(tài)和課堂隨機(jī)提問，隨機(jī)提問用以檢測(cè)學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握程度，評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)作為學(xué)生的基礎(chǔ)平時(shí)分值，每缺勤一次扣1～2分。實(shí)驗(yàn)成績(jī)包括學(xué)生每次實(shí)驗(yàn)課后上交的實(shí)驗(yàn)報(bào)告撰寫情況、實(shí)驗(yàn)的出勤情況和學(xué)生每次實(shí)驗(yàn)過程中實(shí)際的操作表現(xiàn)。期末考試的題型以及考核知識(shí)點(diǎn)緊扣教學(xué)大綱，包括填空題、簡(jiǎn)答分析題和編程計(jì)算題等，盡量題目多樣化，充分體現(xiàn)該課程的畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)，既能兼顧基本知識(shí)點(diǎn)的考核，又能兼顧對(duì)學(xué)生工程實(shí)際情況的處理。提交總評(píng)成績(jī)后，依據(jù)工程認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)每個(gè)畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)分項(xiàng)求出各指標(biāo)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的平均分，計(jì)算“數(shù)控技術(shù)”對(duì)各指標(biāo)點(diǎn)的評(píng)價(jià)值，從而獲得“數(shù)控技術(shù)”課程的達(dá)成度評(píng)價(jià)報(bào)告?！皵?shù)控技術(shù)”所對(duì)應(yīng)的畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)如表1所示，表2為近兩年該課程所對(duì)應(yīng)的各指標(biāo)點(diǎn)的達(dá)成度。根據(jù)本校相關(guān)要求，本科畢業(yè)生學(xué)業(yè)成績(jī)平均學(xué)分績(jī)點(diǎn)達(dá)到1.8及以上可授予學(xué)位，換算成百分制平均分為68分及以上，據(jù)此設(shè)定畢業(yè)要求達(dá)成度評(píng)價(jià)值大于0.68即為“達(dá)成”?？梢?，2016年與2017年的“數(shù)控技術(shù)”達(dá)成度均滿足要求，并且體現(xiàn)了“以學(xué)生為中心”“成果為導(dǎo)向”的理念。針對(duì)薄弱環(huán)節(jié)，教師深思導(dǎo)致的原因，從而改進(jìn)下一次的教學(xué)方法或者其他，使得達(dá)成度呈遞增的趨勢(shì)。由表2可見，基本上達(dá)到了工程認(rèn)證對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)“數(shù)控技術(shù)”的要求和目標(biāo)。

四、結(jié)語(yǔ)

根據(jù)“數(shù)控技術(shù)”課程特點(diǎn)和內(nèi)容，以及工程認(rèn)證要求，發(fā)現(xiàn)基于成果導(dǎo)向的教學(xué)比傳統(tǒng)教學(xué)其目標(biāo)性更明確，更有助于教學(xué);分析了目前“數(shù)控技術(shù)”課程的不足，并提出了改進(jìn)的措施，理論和實(shí)踐相結(jié)合，希望能激發(fā)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力和解決實(shí)際問題的能力。

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