趙文輝 孫興偉 楊赫然 李姍姍 趙海寧

[摘 ? ? ? ? ? 要] ?數(shù)控加工綜合實(shí)驗(yàn)是機(jī)械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)非常重要的實(shí)踐環(huán)節(jié)，對培養(yǎng)社會所需的數(shù)控人才的作用不可替代。依托國家科技支撐計劃相關(guān)課題，進(jìn)行虛實(shí)結(jié)合的數(shù)控實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，開發(fā)數(shù)控機(jī)床虛擬裝配教學(xué)資源、數(shù)控加工虛擬仿真軟件，并開展應(yīng)用。具有虛實(shí)結(jié)合、案例導(dǎo)向、開放設(shè)計、過程考核等特色，教學(xué)效果良好。

[關(guān) ? ?鍵 ? 詞] ?虛實(shí)結(jié)合;數(shù)控實(shí)驗(yàn);虛擬仿真;過程考核

[中圖分類號] ?G642 ? ? ? ? ? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] ?A ? ? ? ? ? ?[文章編號] ?2096-0603（2019）25-0110-02

數(shù)控設(shè)備的應(yīng)用在制造業(yè)發(fā)揮著重要作用，社會對掌握數(shù)控技術(shù)的復(fù)合型人才的需求增加。如何高質(zhì)量地培養(yǎng)出社會所需的數(shù)控人才已成為相關(guān)學(xué)科面臨的一大課題。多數(shù)高校數(shù)控實(shí)驗(yàn)設(shè)備大致有教學(xué)型數(shù)控機(jī)床和數(shù)控實(shí)驗(yàn)臺兩類。西南科技大學(xué)向倩等設(shè)計了一套既可用于數(shù)控故障診斷，又可用于生產(chǎn)加工的開放式數(shù)控綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[1]。馮淑敏等進(jìn)行了數(shù)控系統(tǒng)綜合實(shí)踐實(shí)驗(yàn)室建設(shè)[2]。

隨著現(xiàn)代機(jī)械裝備向自動化、智能化方向發(fā)展，其集成度高、系統(tǒng)復(fù)雜，采用真實(shí)裝備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在一些問題。裝備價格昂貴，前期投入大，運(yùn)行過程中資源消耗大，設(shè)備后期維護(hù)成本高，有些設(shè)備操作風(fēng)險高。受資金、場地的限制，裝備臺套數(shù)有限導(dǎo)致學(xué)生參與程度低或者只能觀看一些演示實(shí)驗(yàn)，無法滿足學(xué)生實(shí)際動手能力培養(yǎng)的需要，開放、自主設(shè)計、創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)更是難以開展。優(yōu)質(zhì)實(shí)驗(yàn)資源無法開放共享。上述問題使采用真實(shí)裝備進(jìn)行大規(guī)模實(shí)驗(yàn)教學(xué)不具可行性，以致學(xué)生的實(shí)踐動手能力不強(qiáng)、創(chuàng)新意識不足，制約了對高素質(zhì)人才的培養(yǎng)。

現(xiàn)代信息技術(shù)特別是虛擬仿真教學(xué)的發(fā)展，改變了傳統(tǒng)的只能依靠研習(xí)圖紙、參觀實(shí)習(xí)、師傅依經(jīng)驗(yàn)傳教的實(shí)踐人才培養(yǎng)模式。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的建設(shè)與應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)真實(shí)實(shí)驗(yàn)不具備或難以完成的教學(xué)功能，實(shí)現(xiàn)教學(xué)資源的低消耗、實(shí)驗(yàn)過程的零污染、實(shí)驗(yàn)容量的無限化，豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容，消除實(shí)驗(yàn)的危險性，增加學(xué)生動手操作的機(jī)會。

2018年3月，教育部辦公廳發(fā)文深入推進(jìn)信息技術(shù)與高等教育教學(xué)深度融合，加快網(wǎng)絡(luò)優(yōu)質(zhì)教育資源建設(shè)與應(yīng)用，推進(jìn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目。本文依托國家科技支撐計劃相關(guān)課題，進(jìn)行虛實(shí)結(jié)合的數(shù)控實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，開發(fā)數(shù)控機(jī)床虛擬裝配教學(xué)資源、數(shù)控加工虛擬仿真軟件，并開展應(yīng)用。

一、數(shù)控加工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

學(xué)生對大型復(fù)雜機(jī)械裝備制造過程的內(nèi)部運(yùn)行規(guī)律無法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)或深入理解，并且傳統(tǒng)真實(shí)實(shí)驗(yàn)設(shè)備很難實(shí)現(xiàn)學(xué)生自主設(shè)計實(shí)驗(yàn)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)利用新興的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，較好地模擬、再現(xiàn)了真實(shí)實(shí)驗(yàn)不具備或難以完成的實(shí)驗(yàn)場景，構(gòu)建了某些無法通過其他手段構(gòu)建的實(shí)際工況。

本文開發(fā)數(shù)控機(jī)床虛擬裝配教學(xué)資源（圖1）、數(shù)控加工虛擬仿真軟件（圖2）。學(xué)生可以在虛擬環(huán)境中開展實(shí)驗(yàn)，可自主設(shè)計實(shí)驗(yàn)、自主修改實(shí)驗(yàn)參數(shù)、自主進(jìn)行實(shí)驗(yàn)配置，達(dá)到所要求的認(rèn)知與實(shí)踐教學(xué)效果，實(shí)現(xiàn)真實(shí)實(shí)驗(yàn)不具備或難以完成的教學(xué)功能，還可以對大型復(fù)雜機(jī)械裝備制造過程進(jìn)行全流程的虛擬設(shè)計及虛擬實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生對機(jī)械基礎(chǔ)和裝備制造的全過程有清楚和深入的掌握，促進(jìn)知識的轉(zhuǎn)化與拓展。因此，這一教學(xué)資源能很好地培養(yǎng)學(xué)生的自主設(shè)計實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α?chuàng)造思維能力、實(shí)驗(yàn)分析能力、運(yùn)用現(xiàn)代信息技術(shù)能力，能最大限度地利用好實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源。

二、虛實(shí)結(jié)合數(shù)控加工綜合實(shí)驗(yàn)

（一）實(shí)驗(yàn)方案

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)密切圍繞教學(xué)計劃，與真實(shí)實(shí)驗(yàn)形成整體。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要包括典型數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)認(rèn)知實(shí)驗(yàn)，了解數(shù)控機(jī)床的基本結(jié)構(gòu)組成部件及工作原理;數(shù)控程序編制實(shí)驗(yàn)，熟悉典型數(shù)控系統(tǒng)的NC程序結(jié)構(gòu)，熟練掌握常用數(shù)控代碼的使用;數(shù)控加工仿真實(shí)驗(yàn)，模擬刀具加工軌跡，了解數(shù)控機(jī)床的操作方法（實(shí)驗(yàn)方案如圖3）。

利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺的互動功能，及時收集總結(jié)學(xué)生的反饋意見，進(jìn)一步改進(jìn)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與教學(xué)方式。

虛擬實(shí)驗(yàn)過程中，采用基于問題、案例的互動式、研討式教學(xué)，倡導(dǎo)自主式、合作式、探究式學(xué)習(xí)方法，學(xué)習(xí)過程中可與教師互動交流。通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練后，再進(jìn)行針對性的實(shí)際機(jī)床操作，能迅速掌握數(shù)控編程與機(jī)床操作能力，提高實(shí)驗(yàn)操作效率。學(xué)生在虛擬環(huán)境中開展實(shí)驗(yàn)，可自主設(shè)計實(shí)驗(yàn)、自主修改實(shí)驗(yàn)參數(shù)、自主進(jìn)行實(shí)驗(yàn)配置，達(dá)到所要求的認(rèn)知與實(shí)踐教學(xué)效果，實(shí)現(xiàn)真實(shí)實(shí)驗(yàn)不具備或難以完成的教學(xué)功能。

（二）教學(xué)方法

1.案例導(dǎo)向

實(shí)驗(yàn)采用案例導(dǎo)向，系統(tǒng)提供幾十個實(shí)際工程圖紙，學(xué)生選擇其中的1個圖紙進(jìn)行工藝分析，再選擇其中的1個工序編制數(shù)控程序。學(xué)生帶著問題開始實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過程中，想辦法解決問題，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，總結(jié)在現(xiàn)有條件下解決問題的辦法，分析比較其他解決方案。

2.開放設(shè)計

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)由于受實(shí)驗(yàn)裝置、實(shí)驗(yàn)場地、實(shí)驗(yàn)人員的限制，以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)居多。學(xué)生按照固定步驟按部就班完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，實(shí)驗(yàn)效果有限。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，允許學(xué)生犯錯，有更大的發(fā)揮空間。在虛擬機(jī)床上操作，沒有危險，初學(xué)者可以大膽嘗試，更能鍛煉學(xué)生的創(chuàng)造性思維。

3.互動討論

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)學(xué)生按照老師教的步驟完成實(shí)驗(yàn)，互動討論較少。而在網(wǎng)絡(luò)化的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生之間可以互相討論，教師可以回答共性問題，形成良性互動。學(xué)生還可對教師的實(shí)驗(yàn)教學(xué)情況進(jìn)行評價。

4.過程考核

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)中，教師大部分根據(jù)實(shí)驗(yàn)報告對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行考核，缺乏過程考核。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可記錄實(shí)驗(yàn)過程，能全面反映實(shí)驗(yàn)完成情況。實(shí)驗(yàn)過程中教師檢查和跟蹤學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度，總結(jié)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，改進(jìn)教學(xué)效果。通過線上實(shí)驗(yàn)課件預(yù)習(xí)、機(jī)床拆卸和裝配虛擬仿真操作、制定零件數(shù)控加工工藝、編制數(shù)控加工程序、數(shù)控加工刀具軌跡仿真、模擬實(shí)際機(jī)床加工和檢測等12個操作步驟完成該實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，每個步驟對學(xué)生的學(xué)習(xí)情況都有記錄和測試。

（三）教學(xué)實(shí)踐

機(jī)械工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)室有Haas天大精益立式加工中心3臺，數(shù)控車床5臺，數(shù)控設(shè)備本身不少。機(jī)自專業(yè)數(shù)控加工綜合實(shí)驗(yàn)24學(xué)時，1個年級10多個班級300多名學(xué)生。機(jī)床相對學(xué)生來說還是不足，學(xué)生得不到充分的練習(xí)。

2016-2017學(xué)年機(jī)自14級、2017-2018學(xué)年機(jī)自15級，開展數(shù)控編程與加工操作虛擬仿真實(shí)驗(yàn)應(yīng)用。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)利用新興的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，較好地模擬再現(xiàn)真實(shí)實(shí)驗(yàn)不具備的實(shí)驗(yàn)場景。學(xué)生在學(xué)習(xí)理論課程之后、真實(shí)實(shí)驗(yàn)之前，通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步理解各知識點(diǎn)原理，熟悉實(shí)驗(yàn)過程、實(shí)驗(yàn)器械。學(xué)生經(jīng)過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)后，快速掌握實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，用較短的時間更好地完成真實(shí)操作。通過仿真實(shí)驗(yàn)與實(shí)際操作實(shí)驗(yàn)的虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充、優(yōu)化配置，全面提升學(xué)生在實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中的自主學(xué)習(xí)能力和實(shí)驗(yàn)效果。

三、結(jié)語

數(shù)控加工綜合實(shí)驗(yàn)是機(jī)械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)非常重要的實(shí)踐環(huán)節(jié)，本文開發(fā)數(shù)控機(jī)床虛擬裝配教學(xué)資源、數(shù)控加工虛擬仿真軟件，“虛實(shí)結(jié)合”開展數(shù)控編程加工綜合實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)基于工程案例導(dǎo)向，實(shí)驗(yàn)過程開放互動，根據(jù)12個操作步驟進(jìn)行過程考核，教學(xué)效果良好。

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編輯 馬燕萍