肖龍雪 胡蘭萍 朱益民

摘? 要 根據(jù)南通大學工程訓練中心工程訓練教學現(xiàn)狀，進行機床實踐教學手段探索，設計適用于傳統(tǒng)機床和數(shù)控機床的聯(lián)機模式和單機模式兩種實踐教學方案，并進行一種機床主機教學儀的研發(fā)和樣機制作。應用試驗表明，兩種方案可用于機床實踐教學，研制的教學儀有助于實踐教學效率的提高。

關鍵詞 工程訓練;機床實踐教學;機床主機教學儀;多媒體

中圖分類號：G642? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2019）05-0024-03

1 引言

工程技術人才的培養(yǎng)機制必須要具備有效的理論培養(yǎng)和實踐鍛煉[1]。因此，大學本科開展機械加工生產(chǎn)實訓，是工科學生切實參與機械生產(chǎn)實踐、檢驗學習效果的重要途徑[2]，是高校全面貫徹落實素質教育、質量工程的重要舉措。為此，國家實施“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”，旨在培養(yǎng)造就一大批創(chuàng)新能力強、適應經(jīng)濟社會發(fā)展需要的高質量各類型工程技術人才，達到為國家走新型工業(yè)化發(fā)展道路、建設創(chuàng)新型國家和人才強國戰(zhàn)略服務的基本要求。

南通大學工程訓練中心承擔學校工程實踐教學任務，其中機床教學模塊每學年承擔全校七個學院超過2500名學生的實習任務。工程訓練過程中，學生要參加車、銑等傳統(tǒng)機械加工和數(shù)控車、數(shù)控銑、加工中心、柔性制造系統(tǒng)等的理論學習和實踐操作。由于機床結構布局、廠房環(huán)境條件、生產(chǎn)操作要求和師生比例特點，要求師生雙邊教學更高效、更便捷。但是，目前常規(guī)的機床教學采取“教師機床旁講，學生機床邊學”的模式，學生圍在教師周圍聽機床結構和操作的講解，因為可能看不到教師介紹的機床結構而不能全面認識機床的各個組成部分，也可能看不清晰教師具體操作的按鍵而不能準確知曉機床的基本操作。所以學生學的效率不高，教師授課就不能有效拓展和深入。為了保證實習效果，勢必要求安排更多實習時間，增多中心工作量和加大教師工作壓力。因此，努力探索工程訓練教學的方式手段和進行必要的教學條件建設，是目前開展機床實踐教學工作的迫切需求。

2 機床實踐教學方案設計

主要設計內(nèi)容? 為促進機床實踐教學工作和有利于學生機床學習的實效，以中心的現(xiàn)有各種普通機床和數(shù)控機床為應用對象，基于互聯(lián)網(wǎng)應用技術，音像動態(tài)擷取、處理及實時傳輸技術，設計并制作出適合機床教學的機床群主機教學儀。首先通過音像擷取機構，對指導教師在機床教學過程中的相關影像和音頻進行動態(tài)擷取;然后運用局域互聯(lián)網(wǎng)技術將該影像和音頻傳送到計算機終端進行音像處理，并及時配送到學生能直接觀看到的顯像裝置和能收聽到的音響設備，以供學生學習。學生有疑問時也可以及時咨詢，指導教師根據(jù)反饋信息，傳業(yè)、授道、解惑。該項目能夠接納更多學生有效收聽、觀看教學演示，從而實現(xiàn)機床教學過程中的師生雙邊活動更加高效進行。

兩種設計方案? 在機床端（即教師端）配置主機教學儀，在學生端配備多媒體教學設備。設計兩種模式：一是主機教學儀聯(lián)合多媒體設備實現(xiàn)遠程教學的聯(lián)機模式;二是主機教學儀獨立使用的在機床近場區(qū)域實現(xiàn)機床內(nèi)加工過程再現(xiàn)的單機模式。兩種模式中視頻、音頻的擷取和傳輸采用不同系統(tǒng)設計與制作，然后集成為一體。

1）聯(lián)機模式設計方案。聯(lián)機模式設計的視頻部分，分別在機床端和學生端進行擷取，大致過程如圖1所示。機床端設置三個攝像頭，多角度布局與擷取，有助于更清晰表現(xiàn)機床加工過程。學生端設置一個攝像頭，用于遠離學生端正在進行機床教學的教師對課堂情況的掌握。圖像擷取借助于攝像頭和安裝于電腦主機的視頻采集卡，并通過互聯(lián)網(wǎng)或使用分頻器，將擷取的圖像發(fā)送到機床端顯示窗口和學生端顯示窗口。

聯(lián)機模式下，音頻的擷取與傳輸過程如圖2所示。學生端采用內(nèi)頂軌道傳送裝置，攜帶音頻采集器運送至需要說話的學生位置，音頻采集器擷取音頻，無線發(fā)射至連接于學生端電腦主機的無線接收器，借助音響設備，廣播至整個教室空間，亦傳輸?shù)浇處煻穗娔X主機及音響設備。教師端直接采用便攜式無線話筒，擷取的音頻傳輸?shù)綄W生端電腦主機，借助其音響設備廣播至整個教室空間。

2）單機模式設計方案。單機模式設計的視頻擷取和傳輸過程大致如圖3所示。主機教學儀的三個攝像頭分別從三個角度，實時觀測機床內(nèi)部加工特征，所采集的圖像通過主機教學儀主機上安裝的視頻采集卡，有線發(fā)送到與主機教學儀連接的安放于學生端的顯示窗口，以幫助所有學生坐在課桌旁而無須圍繞在機床周圍也能清晰地觀看到正在進行的機加工的各個細節(jié)。因為課桌布置在機床近場位置，所以授課教師可以方便觀察學生情況，即學生端無須設置攝像頭。而且整個教學場所可以共用主機教學儀上的音響設備，學生端的音頻采集器也借助內(nèi)頂軌道傳送裝置傳送。單機模式下音頻的擷取和傳輸如圖4所示。

3 實物樣機制作

樣機制作? 根據(jù)以上設計方案，設計機床主機教學儀樣機及其內(nèi)頂軌道傳送裝置。圖5所示為機床主機教學儀及其單一軌道內(nèi)頂軌道傳送裝置的實物樣機概念圖，其中內(nèi)頂軌道傳送裝置的軌道布局需要切實結合實際實踐教學區(qū)域環(huán)境來設計，圖中的框架模擬的是教室基本構架。

視頻的擷取和傳輸? 制作的聯(lián)機模式的樣機，機床端視頻采集分成靜擷取和動擷取。對整個內(nèi)部加工場況的采集使用可調焦攝像頭，而對具有相對運動的刀架或旋轉軸等的擷取則使用自對焦攝像頭，既能清晰再現(xiàn)運動中的機床加工情況，也能降低設備成本。在教室前方安裝半球攝像頭，用于采集學生端學習狀況信息。機床端的攝像頭有線連接至主機教學儀主機上的視頻采集卡，學生端攝像頭有線連接至教室多媒體主機上的視頻采集卡，兩相視頻采集卡借助互聯(lián)網(wǎng)技術實現(xiàn)相互監(jiān)視，最終使得機床端攝像頭所擷取的機加工圖像在學生端顯示窗口呈現(xiàn)，而學生端攝像頭所擷取的遠程教室內(nèi)的情況也呈現(xiàn)在教師端顯示窗口。單機模式的樣機不使用學生端攝像頭，機床端使用的攝像頭與聯(lián)機模式的相同，其擷取的圖像直接有線發(fā)送到機床近場教室內(nèi)的顯示窗口。

音頻的擷取和傳輸? 兩種模式下機床端音頻的擷取使用無線話筒，學生端音頻的擷取則設計了教室內(nèi)頂軌道傳送裝置。如某學生有疑問需要發(fā)言，進行動作示意，教師通過視頻獲知信息與位置，可通過控制柜控制內(nèi)頂軌道運送裝置的機械手攜帶無線話筒運送至該學生處。為了準確將音頻擷取的話筒運送到該學生可抓取的位置，內(nèi)頂軌道傳送裝置設計了兩關節(jié)大角度可調機械手。通過對機械手兩關節(jié)處舵機的聯(lián)合角度控制，從而控制兩層支桿分別有效旋轉至各自設定角度，使得機器手末端攜帶的音頻采集器被定位到需要位置。

聯(lián)機模式下音頻的傳輸使用兩種方式：一種是兩端各自擷取的音頻交叉連接至對方端的視頻采集卡的音頻傳輸模塊，再通過對方端的音響設備廣播;另一種是借助通用網(wǎng)絡即時通信軟件進行遠程傳輸。單機模式下，因為近場距離小，機床端和學生端使用同一套主機教學儀上的音響設備。

4 項目實施期效

主機教學儀效果呈現(xiàn)? 本項目的實施可以有效解決目前常規(guī)工程訓練之機床教學中學生不能擺脫機床這種情況帶來的諸多不利。多視角視頻采集機床加工場和指導教師教學狀況并傳至于學生端以供學習，也能把學生端的學習狀況及時反饋給指導教師，實現(xiàn)學生遠離機床也可以進行機床學習。圖6所示為機床加工場兩角度視頻顯示視圖，圖7為學生端教室內(nèi)景擷取模擬視圖。

實施項目對中心教學工作的影響? 本項目的成功實現(xiàn)，對南通大學工程訓練中心的實踐教學活動起到一定的促進作用，具體表現(xiàn)在以下幾個方面。

1）增強教學效果。中心現(xiàn)有的機床教學過程中，指導教師帶領小組學生圍繞各機床進行教學。由于教學條件制約和教學課程緊張等因素，學生有時候只能從一個角度聆聽教師的講解，一部分學生甚至看不到教師講述的具體內(nèi)容和細節(jié)對象，造成系統(tǒng)知識學習中的若干間斷，勢必影響教學效果。本項目的實施，可以解放學生，使得學生只需坐在教室而不必圍繞在機床周圍，就能多角度觀察教師機床教學情況，增強教學效果。

2）擴充小組容量。因為機床的本身構造和車間的教學環(huán)境，限制了每批次各小組的學生人數(shù)。根據(jù)教學進程和安排，現(xiàn)階段設置的各個模塊教學小組學生人數(shù)，機械類一般為10～15人，非機械類為15～20人。人數(shù)過多，學生圍繞在指導教師和機床外會影響學習效果;人數(shù)過少，在相同教學任務的情況下小組數(shù)多，需增加大量教學設備、師資等投入。本項目的實施，能在不影響教學效果的前提下擴充小組人數(shù)。

3）緩解師資壓力。工程訓練中心每年承擔著繁重的實踐教學任務，人數(shù)眾多，但每批次小組的學生人數(shù)受限，因此需要增加批次，中心師資壓力增大。本項目的實施，能擴充小組人數(shù)，降低小組批次，緩解對師資的壓力。

4）拓展教學內(nèi)容。本項目實施后，方便了學生學習，從而增強了教學效果，單位時間內(nèi)的教學效率也得到提高。在此基礎上，指導教師各施所能，擴展各模塊的教學內(nèi)容，可以開拓學生知識的寬度，加大學習內(nèi)容的深度，甚至可以開展教學項目的新探索。

5）促進中心建設。本中心作為省級示范中心，因本項目的成功，可以讓中心的機床教學工作更加高效、便捷甚至智能化，一定程度上促進中心的建設。

5 結語

本文結合南通大學工程訓練中心工程教學現(xiàn)狀進行機床實踐教學手段的探索，旨在實現(xiàn)機床教學過程中的師生雙邊活動更加高效進行。本文提出適用于遠程教學的聯(lián)機模式和適用于機床近場教學的單機模式兩種實踐教學方案，并進行了一種機床主機教學儀的研發(fā)和樣機制作。應用試驗表明，兩種方案均可用于傳統(tǒng)機床和數(shù)控機床的實踐教學工作中。研制的機床教學儀使用便捷、效果顯著，能讓實習小組人數(shù)得以擴充，緩解師資壓力，降低指導教師教學過程緊張度，有助于機床教學內(nèi)容擴展、形式多樣化開展。項目的實施能在一定程度上促進中心的建設發(fā)展。

參考文獻

[1]傅水根.我國高等工程實踐教育的歷史回顧與展望[J].實驗技術與管理，2011，28（2）：1-4.

[2]王秀梅，孫萍茹.高等工程教育及工程技術人才培養(yǎng)研究[J].華北電力大學學報：社會科學版，2006（3）：128-132.