数控技术理实一体化项目教学过程评价方法研究

 
摘  要：在普通本科院校针对机械设计、制造及自动化大类专业进行数控技术课改，采用理实一体化教学是提高人才培养质量的有效举措。然而实施过程控制不到位将使得教学效果大打折扣，影响教学质量。从数控技术理实一体化项目内容出发，针对项目特点，对各项目实施过程进行系统分析，设计过程监控知识点，建立过程实施评价方法，通过教学实践，证明该方法在大学本科机械专业数控技术理实一体化项目教学过程是行之有效的。
关键词：数控技术；理实一体化；项目教学；过程评价[1]

1  前言

理实一体化是一种理论和实践一体化的教学法，教学中将理论和实践有机结合起来，打破了以往理论与实践相脱节的现象，使教学环节相对集中，做到了理论中有实践、实践中有理论，边教、边学、边做，为学生构建了一个集素质和能力培养于一体的发展框架，从而有效培养学生的专业技能和素质。
数控技术课程不仅有较强的理论性，而且实践操作性地很强。采用基于项目教学法的理实一体化教学模式，改变了过去传统的以学科为中心的教学思路，采用“以学生为中心，以能力为本位”的课程模式，以工作过程导向的新型教学模式，突出项目任务和完成任务的工作过程。然而，项目教学实施过程中存在一些不可回避的问题，主要表现在以下几个方面：
（1）教学实践化
教师对理实一体化存在误解，将理实一体化简单理解成理论和实践形式上的简单结合，教学过程中注重形式，盲目削减理论课时，增加实践学时，特别是教学实施过程中没有及时跟进，不发现问题，不反馈问题，不及时用理论解决问题，弱化理论，导致理实一体化变成教学实践化。
（2）教学过程监控管理不到位
以工作过程为导向，首先要合理设计教学活动过程。要针对项目特点，对各项目实施过程进行系统分析，设计过程监控知识点。实施过程中要逐步检查每个学生的完成情况，做好记录，这样才能通过项目教学实施，将理论和实践充分融合。对教学过程的监控管理不到位是教师特别容易忽视的问题。当然这需要教师花费大量精力和时间。
（3）缺乏过程考核评价
忽视教学过程考核，忽视对学生实际动手能力和综合问题解决能力的考核是理实一体化教学中的一个普遍问题，最终将无法有效激发学生的兴趣，也无法有效评价学生的学习效果。不利于教学活动的持续改进。很多院校在开发“理实一体化”课程时，往往特别重视改革课程的教学方法、教学设计和教学手段，顾此失彼。
针对上述理实一体化教学过程出现的三个问题。众多学者对教学活动过程进行深入分析，旨在构建合理完善的教学活动评价体系。由于理实一体化教学过程评价的影响因素较多，陈惠源等^[1]采用层次分析法对教学过程中的众多因素进行分析与归纳，构建了一个以学生的学习态度和效果、教师的课程可操作度、企业对课程培养方式的接受度为指标的教学评价体系。该评价体系对于教学活动的过程评价过于简单，略显粗糙。孔茗^[2]对《数控工艺员》课程教学活动进行分析和评价，确定了零件工艺分析、软件建模、仿真加工、综合实际操作加工5个评价内容，比较全面地体现了理实一体化内涵，对数控技术理实一体化教学活动过程监管和考核评价特别有参考价值。王萍^[3]提出了3种评价形式，即一课一测，实战操作，技能竞赛。其中一课一测突出每堂课进行课堂测试，工作量很大，课程设计显得尤为重要。柯焱林^[4]分析了高职培养目标和理实一体化课堂教学特征，确定了各个教学环节应达到的基本标准，构建了同行专家评教和学生评教的基本体系，侧重于对教师一方的教学评价，没有体现学生学习结果的评价。李梅^[5]强调了数控技术教学评价主体的多元化，即以教师评价为主，学生自评和学生互评为辅的思路，但缺乏具体的措施。
纵观上述各种理实一体化教学过程评价体系构建的思路、方法以及具体措施，给在普通本科院校的数控技术实施理实一体化教学诸多启示和参考。然而和职业教育不同，普通本科院校针对机械设计制造及其自动化专业四年制本科生实行数控课改，推行项目教学法并对教学活动过程进行监管和评价有其特殊性，主要体现在以下几个方面：① 课程性质与能力培养要求；② 项目教学过程知识监控点设计；③ 考核评价指标设计。因此，本文将结合笔者自己的实践经验，分别从这几个方面阐述。

2  课程性质

数控技术课改是将“数控技术”“数控自动编程”以及“数控加工工艺”三门课资源整合成“数字化制造技术”这门课，共4个学分，学时为四周。前期课程为“工程图学”“机械设计”“机械制造基础”“机械制造技术”“电工电子学”“互换性与技术测量”。课程以项目方式进行理实一体化的教学，使学生了解数控机床的组成与工作原理，掌握数控加工工艺编程及操作，理解数控系统与伺服系统的原理与组成，具备一定的数控系统开发能力。主要学习内容有数控机床概论、数控加工工艺、数控车削与铣削编程、数控自动编程、数控插补原理、位置检测装置、伺服系统组成等。与职业院校的数控课改相比，课程的内容更多、更复杂。

3  能力培养要求

课程的目标是使学生掌握机床的数控技术的基本原理，数控指令系统，数控加工工艺及程序编制，数控装置的结构与原理，伺服驱动系统原理以及数控装备的一般开发方法。主要任务是培养学生如下几方面的能力：
掌握数控技术的基本理论和所涉及的基本技术，具有分析、选用和设计机械设备、数控系统的能力；掌握常用数控机床的基本操作以及数控加工工艺的制定，具有编制、分析和调试数控加工程序的能力；掌握数控编程中的数学处理方法和数控自动编程方法；掌握数控系统与伺服系统的原理与组成，具有初步开发数控装备的能力；了解数控技术发展的新理论、新技术和最新发展趋势。

4  项目教学过程知识监控点设计

将数字化制造技术的3门课程资源整合后，按课程教学内容设计了12个项目^[6]，以理实一体化的方式完成教学。这12个理实一体化项目如表1所示。
表1  数控技术理实一体化项目表

项 目 名 称	理 论 内 容	实 践 内 容	项目支撑条件
项目一、 数控机床概论	1．数控技术的发展； 2．数控机床的特点及应用范围； 3．数控机床的工作原理、组成及分类； 4．数控加工编程基础	1．现场观察数控机床（包括车床、铣床、加工中心）的结构、组成部件，同时参观其他数控设备如线切割机、电火花机、激光切割机等构造； 2．现场观察机床电气控制柜中的主要器件； 3．虚拟数控机床的拆装	1．10台数控车床，8台华中系统，2台FANUC系统； 2．10台数控铣床，汉川机床，FANUC0i-mate系统； 3．1台马刀4轴加工中心，西门子系统； 4．线切割和电火花、激光加工机床各1台； 5．2处车间级理实一体化课堂，配投影仪
项目二、简单阶梯轴数控加工工艺、编程及操作	1．零件数控车削加工工艺分析； 2．数控车床的编程特点； 3．车床数控系统的功能； 4．数控车床加工编程基本指令； 5．车刀的种类和切削参数	1．熟悉车床数控系统的面板功能； 2．熟悉数控车床基本操作：装夹．对刀、参数设置； 3．编制外圆柱、台阶、端面数控加工程序； 4．掌握阶梯轴仿真加工操作； 5．上机床实际加工操作	1．10台数控车床，8台华中数控系统，2台FANUC系统； 2．数控机房，80台计算机； 3．保证每人至少一件练习毛坯，棒料
项目三、圆弧轴数控加工工艺、编程及操作	1．数控车削常用指令 圆弧插补指令G02、G03刀尖半径补偿（G41、G42、G40）； 切削复合固定循环指令 2．带圆弧轴的数控加工工艺	1．掌握数控车床上的刀补设置； 2．编制带圆弧轴数控程序； 3．带圆弧轴仿真加工操作； 4．上机床实际加工操作	同上
续表
项 目 名 称	理 论 内 容	实 践 内 容	项目支撑条件
项目四、螺纹轴数控加工工艺、编程及操作	1．含圆柱面、圆锥面、沟槽和螺纹要素复杂轴类零件的结构特点和工艺特点，正确分析此类零件的加工工艺； 2．螺纹数控车削加工工艺； 3．螺纹加工基本指令	1．编写带螺纹轴数控程序； 2．掌握螺纹轴仿真加工操作； 3．上机床实际加工	同上
项目五、凸台零件数控加工工艺、编程及操作	1数控铣床工艺特点； 2．数控铣削编程指令及手工编程； 3．平面铣削方法及面铣刀； 4．外轮廓的铣削方法； 5．立铣刀种类； 6．铣削用量的选择	1．掌握数控铣床基本操作：装夹、换刀、对刀、参数设置； 2．掌握凸台零件仿真加工； 3．上机床实际加工	1．10台数控铣床，汉川机床，FANUC 0i-mate系统； 2．数控机房，80台计算机； 3．保证每人至少一件练习毛坯，方料
项目六、二维加工数控自动编程	1．MasterCAM软件界面功能； 2．MasterCAM软件基本绘图及编辑功能； 3．MasterCAM软件刀具路径规划功能； 4．MasterCAM软件数控代码生成	1．根据图纸绘制二维铣削加工零件，选择合适的坐标系； 2．根据加工要求选择工艺参数并输入编程软件； 3．刀具路径规划、加工仿真； 4．数控代码的生成操作； 5．程序传送到数控机床	1．数控机房，80台计算机； 2．MasterCAM 9.1版软件
项目七、端盖零件数控加工工艺、自动编程及操作	1熟悉内轮廓、槽的铣削方法及工艺路线的制定； 2．孔加工刀具及切削用量的选择； 3．孔加工走刀路线设计； 4．固定循环指令（G73、G74、G76、G80～G89）	1．MasterCAM绘图并编写程序； 2．端盖零件加工仿真； 3．上机床实际加工	1．10台数控铣床，汉川机床，FANUC 0i-mate系统； 2．数控机房，80台计算机； 3．保证每人至少一件练习毛坯，方料
项目八、简单曲面零件自动编程加工	1．曲面铣削工艺路线； 2．球头铣刀； 3．MasterCAM中曲面生成方法； 4．MasterCAM曲面粗精加工模式； 5．加工中心的结构与操作	1．MasterCAM软件曲面绘制、编辑及粗、精加工刀具路径规划； 2．掌握加工中心的操作	1．数控机房，80台计算机； 2．MasterCAM 9.1版软件
项目九、插补原理编程	1．数控插补原理； 2．逐点比较法直线、圆弧插补算法； 3．数字积分法直线、圆弧插补算法； 4．数据采样法介绍； 5．VB编程简述	1．编程实现逐点比较法直线、圆弧插补算法； 2．编程实现数字积分法直线、圆弧插补算法	1．数控机房，80台计算机； 2．编程软件，VB、VC等； 3．插补轨迹仿真
续表
项 目 名 称	理 论 内 容	实 践 内 容	项目支撑条件
项目十、数控机床故障诊断	1．数控系统软硬件结构； 2．FANUC系统的构成； 3．数控机床电气原理； 4．常用数控系统故障与排除	1．FANUC系统组成与连接； 2．数控机床电气原理图，主轴控制，进给伺服控制图； 3．常见的电气故障，各个回路线路通断。测试与故障排除； 4．加工程序M、S、T代码故障排除	1．6台亚龙车削实验系统； 2．6台亚龙铣削实验系统； 3．万用表； 4．故障诊断实验室
项目十一、步进伺服系统的开发	1．步进电机的原理； 2．步进电机的驱动方式； 3．步进系统的计算	1．步进伺服系统连接； 2．编程实现步进伺服系统	8台运动控制平台，固高二次开发平台
项目十二、 基于运动控制卡的开放数控系统开发	1．基于运动控制卡的伺服系统原理； 2．运动控制卡API接口介绍； 3．编程方法介绍； 4．交流伺服系统原理	1．基于运动控制卡的数控系统连接； 2．编程实现：HMI参数输入、G代码解释、简单轨迹如直线和圆弧轨迹； 3．画出运动控制平台的电气原理图	8台运动控制平台，固高二次开发平台

 
设计项目教学过程监控知识点的难点主要在于如何根据现有教学资源和每个项目特点，从理实一体化要求出发，提炼出适合学生的知识点，以便学生更有效地掌握知识。因此，具体设计时，根据项目的划分，每个项目的理论和实践教学内容，支撑项目的软硬件条件进行设计。
下面针对两种类型的项目，分别设计教学过程知识监控点记录表格，用于记录教学活动过程中每个学生的任务完成情况，每个学生一份该记录表。
（1）偏理论型。比如项目一“数控机床概论”，其偏重于理论，实践方面要弱化，学生动手操作知识较少，因此设计教学过程监控知识点时要充分利用车床和铣床等硬件条件，要求学生面对这些设备掌握这些知识点。记录表设计如表2所示。
（2）理论和实际并重类型。如项目二“简单阶梯轴数控加工工艺、编程及操作”。项目既要有较强的理论知识体现，又要凸显实际动手操作关键要点。设计如表3所示。
表2  项目一教学过程监控知识点
项目一、数控机床概论
姓名：         学号：          班级：   

编    号	知识点内容	监 控 记 录
1	指出车床数控系统的五个组成部分，包括输入输出装置、数控装置、X和Z轴伺服驱动器、X和Z轴执行装置、X和Z轴反馈装置
2	指出车床主轴的控制装置
3	指出车床数控系统的类型
续表
编    号	知识点内容	监 控 记 录
4	指出车床的机械组成部分。包括主轴箱、X和Z轴进给驱动、床身、导轨、刀架、尾座
5	指出数控车床与普通车床的机械结构区别
6	指出外圆柱面、圆锥面、曲面的车削成形原理。画出车床运动功能图
7	指明车床坐标系。包括车床原点、X和Z轴的位置及方向
8	指出车削加工的工件坐标系。包括工件坐标系原点、X和Z轴的位置及方向
9	什么是绝对编程与相对编程
10	明白刀具磨损与保证尺寸精度的关系，如何实现
11	指出车削直径编程如何实现
12	针对数控铣床，重复上述1～10的内容
13	数控编程基础： （1）一个数控程序分成几个部分； （2）程序段，段号，指令字、尺寸字的概念； （3）文件名和程序名； （4）程序书写语法、顺序与规则。N, G, X, Y, Z, M, S, T, F； （5）常用的G指令与M、S、T、F指令； （6）模态与非模态指令

                                                指导教师：
表3  项目二教学过程监控知识点
项目二、简单阶梯轴数控加工工艺、编程及操作
姓名：         学号：          班级：

编    号	知识点内容	监 控 记 录
1	指出面板上软件操作面板的区域划分，包括屏幕显示、数字和字母、程序编辑、选单
2	指出面板上机床操作的区域划分，包括模式选择，增量倍率、冷却等辅助功能，刀位选择，主轴和进给修调，手动主轴和进给轴控
3	机床基本操作： （1）开机和关机标准操作； （2）手动模式，X和Z轴移动或快速移动；主轴正反转停止； （3）手轮增量模式，配合倍率选择，X和Z轴移动或快速移动； （4）MDI模式下，主轴按设定速度大小和方向连续转动；X和Z轴按设定的速度和方向移动； （5）进行屏幕显示模式切换，观察机床主轴和进给轴位置速度的变化； （6）急停按钮的操作； （7）常见的报警和错误处理，如超程解除
4	棒料装夹要点：装夹长度，夹紧过程
续表
编    号	知识点内容	监 控 记 录
5	对刀过程（华中HNC-21MT）： （1）对刀目的； （2）对刀方法：试切对刀法； （3）端面和外圆如何对刀； （4）对刀操作时手轮倍率如何变化； （5）工件坐标系原点一般放在什么位置； （6）刀号和刀具偏置号有何区别，对刀值如何写入刀具偏置表； （7）刀偏表中磨损值是何用意，如何设置预留磨损量； （8）刀偏值设置与加工仿真和实际加工有何关系
6	基本工艺知识： （1）刀尖，刀位点，对刀点，起刀点，加工路径的概念； （2）常用的高速钢、硬质合金车刀以及焊接、机夹转位车刀； （3）常用的90°左、右偏刀，弯头车刀，直头车刀，切断刀，端面车刀，螺纹车刀； （4）切削参数设置，主轴转速，进给速度，吃刀量； （5）设置起刀点和退刀点，依零件轮廓画走刀路径； （6）外径测量，修改预留磨损量保证尺寸精度
7	G00/G01/G90/G91/G21/G20/M0/M02/M03/M04/M05/M07/M08/M09/M30/M99/M98/S/T/F
8	画零件草图，建立工件坐标系，编制加工程序，程序解释
9	程序输入系统，编译
10	设置毛坯范围，进行加工轨迹仿真，验证程序是否正确
11	实际操作加工
12	工件测量与检验

                                                       指导教师：

5  项目教学过程评价与考核

根据项目教学要求，数控技术考核与评价由考勤及表现、项目考核成绩两部分组成，其中项目采用以下6项：数控车实操考核、数控铣实操考核、曲面加工仿真、插补原理编程、数控机床故障诊断、伺服系统开发。评价标准表4所示，数控车、铣考核如表5所示。
表4  数控技术考核评价标准

项    目				考 核 标 准	比    例
1．考勤及表现（100）				按百分制，点名次数由各班老师自己掌握，全勤按满分85，另外15作为课堂表现的奖励分，缺勤一次扣5分，迟到早退计0.5次，课堂表现包括回答问题、主动协助老师等，一次加5分，总计不超过15分		10%
2．项目 考核部分		（1）数控车实操考核 （100）		作业1：车削手工编程作业占50%； 车削考核《数控实操考核表》评分占50%；	20%	90%
续表
项    目			考 核 标 准		比    例
2．项目 考核 部分	（2）数控铣实操考核（100）		作业2：铣削手工编程加工：25%； 作业3：铣削自动编程加工：25%； 铣削考核，按《数控实操考核表》评分：50%		30%	90%
	（3）曲面加工仿真 （100）		作业 4：数控自动编程项目，学生必须提交一份数据原始文档和一份说明书（doc格式），说明书中包括图形说明，工艺分析，刀具路径规划，各工序参数设置，仿真加工结果，以及实际加工结果的图片		10%
			90～100作业图形复杂，有创意，工艺正确，刀路正确，加工参数合理，报告图文并茂； 80～90图形较好，工艺正确，报告完整； 70～80图形一般，工艺正确，报告较完整； 60～70图形简单，工艺基本正确，报告基本合格； 0～60都不符合要求的		10%
	（4）插补编程 （100）		作业 5：逐点比较法或数字积分法、直线或圆弧插补编程，采用VC或VB编写，有模拟图形显示。提交编程文档、程序文件		15%
			90～100能够在课堂完成，程序界面良好，运行结果符合要求； 80～90能够在课堂完成部分任务，或课后完成较好，运行结果符合要求； 70～80能够在课后完成，运行结果符合要求； 60～70能够在课后完成，运行有少许问题； 0～60都不符合要求的
	（5）故障诊断 （100）		作业6：提交机床故障诊断报告，小组合作PPT等		10%
			90～100报告很完整、图文并茂、分析清晰； 80～90报告完整、分析清晰，或主讲，报告较好； 70～80报告一般，有图； 60～70报告不够完整； 0～60都不符合要求的
	（6）伺服系统开发 （100）		作业7：了解数控伺服的原理，开放式运动控制驱动原理，以小组形式，分工完成		15%
			90～100软件开发优秀，实验报告完整； 80～90控制程序调试正确，实验报告较完整； 70～80接线正确，报告内容一般； 60～70报告内容不足； 0～60都不符合要求

备注：总评成绩按上表中的比例计算。
 
表5  数控车铣考核评分表

专业班级			姓名		图纸号
学号					机床号
开始时间			结束时间		耗时
序号	项目		情况记载				备注
1	着装（上装紧扣，安全帽）		□规范      □不规范
2	刀、量、工具的放置		□规范      □不规范
3	开机前的检查和开机操作		□规范      □不规范
4	夹具的检查与校验		□正确      □基本正确     □不正确   □未做
5	工件的装夹方式		□正确      □基本正确     □不正确
6	工件装夹操作方法		□正确      □基本正确     □不正确
7	刀具种类的选取		□正确      □基本正确     □不正确
8	刀具直径（或角度）选择		□正确      □基本正确     □不正确
9	刀与刀柄（或刀体）安装		□正确      □基本正确     □不正确   □未做
10	往机床上装刀的方法		□正确      □基本正确     □不正确   □未做
11	对刀操作方法		□正确      □基本正确     □不正确   □未对刀
12	工件原点设定方法		□正确      □基本正确     □不正确   □未做
13	刀具偏置方法		□正确      □不需要       □基本正确 □不正确    □需要但未偏
14	程序输入或传输的方法		□正确      □基本正确     □不正确
15	仿真校验操作		□正确      □无此功能     □基本正确 □不正确    □未做
16	粗加工进、退刀点的选取		□合理      □基本合理    □不合理
17	粗加工刀路优化		□合理      □基本合理    □不合理
18	粗加工切削用量		□合理      □基本合理    □不合理
19	量具的使用		□正确      □基本正确    □不正确   □未使用
20	精加工进、退刀点的选取		□合理      □基本合理    □不合理
21	精加工刀路优化		□合理      □基本合理    □不合理
22	精加工切削用量		□合理      □基本合理    □不合理
23	总体工艺方案		□合理      □基本合理    □不合理
24	工件去毛剌		□正确      □基本正确    □不正确   □未去毛剌
25	操作控制面板熟练程度		□熟练      □基本熟练    □不熟练
26	加工完成后机床停放位置		□合理      □基本合理    □不合理
27	卫生、设备保养		□规范      □不规范
28	是否违反安全操作规程		□没有      □有（请注明）：
29	加工工件的完整性		□完成加工  □处未完成    □未加工

7  结论

数控技术采用项目教学理实一体化，项目安排有层次，循序渐进，教学过程增加知识点监控与考核评价，不仅增加了学生学习知识的兴趣，而且激发了学生的潜能。表明这些记录表与评价表格在教学实践活动中的应用非常有效。
通过项目教学过程知识点设计，将这些离散的知识点以每个项目串联起来，以一种所学即所得的方式展现给学生，不仅使学生掌握基本知识更快，而且培养了学生的自信、自觉、成就感。
“以学生为中心，以过程为导向”。在本科院校机械类学生数控技术项目理实一体化教学中，通过设计教学过程监控知识点，建立过程评价考核指标，大家相信会逐步实现这个理想目标。

参考文献

[1]     陈惠源，杨丽洲．理实一体化课程开发效果的评测指标体系研究[J]．科技展望．2016(27)：181-182．
[2]     孔茗．《数控工艺员》课程多元化评价方案探索[J]．教育教学论坛．2014(39)：198-199．
[3]     王萍．高职院校理实一体化课程教学质量评价的改革与创新对策[J]．物流教学．2016(9)：235-236．
[4]     柯焱林．理实一体化课堂教学质量评价指标体系研究[J]．武汉交通职业学院学报．2013(9)：35-39．
[5]     李梅．浅谈提高数控专业一体化教学质量的途径[J]．广东职业教育技术与研究．2013(1)：69-71．
[6]     丁国龙，苏旭武．项目教学法在数控课改中的应用研究．机械工程教育教学改革理论与实践[M]．北京：中国水利水电出版社，2016．