李耀輝， 師路歡

(許昌學(xué)院 電氣與機(jī)械工程學(xué)院，河南 許昌 461000)

隨著計(jì)算機(jī)信息技術(shù)和制造自動(dòng)化技術(shù)結(jié)合得越來越緊密，作為自動(dòng)化柔性生產(chǎn)重要基礎(chǔ)的數(shù)控機(jī)床在生產(chǎn)機(jī)床中所占比例越來越大.而數(shù)控技術(shù)課程以智能控制與制造技術(shù)為導(dǎo)向，使學(xué)生具備數(shù)控技術(shù)方面的專業(yè)知識(shí)、較強(qiáng)的分析與解決問題能力和較高的專業(yè)素養(yǎng)[1-2].該課程的知識(shí)面廣、理論性強(qiáng)、內(nèi)容比較抽象和枯燥[3].教學(xué)過程中，存在以教師講學(xué)生聽為主，線上資源利用不足，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中積極性不高，教師也不能及時(shí)了解學(xué)生的動(dòng)態(tài)等問題.這種教學(xué)模式不利于學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)和綜合素質(zhì)的提高[4].基于此，提出了一種基于成果導(dǎo)向虛實(shí)結(jié)合的BOPPPS教學(xué)模式，使學(xué)生重拾學(xué)習(xí)的信心，增加對課程的關(guān)注度，真正落實(shí)學(xué)生為中心、教師為引導(dǎo)的理念，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，落實(shí)學(xué)生的創(chuàng)新行為，最終實(shí)現(xiàn)學(xué)生綜合素質(zhì)的提高[5-6].

該教學(xué)模式將教學(xué)內(nèi)容模塊化，以典型工作任務(wù)的需求確定教學(xué)目標(biāo)，以編程軟件、仿真軟件和數(shù)控機(jī)床為依托，驅(qū)動(dòng)學(xué)生達(dá)到預(yù)定的教學(xué)效果，體現(xiàn)教學(xué)過程中學(xué)生真學(xué)真做，然后以成果為導(dǎo)向，引導(dǎo)學(xué)生自學(xué)自悟，真正“悟”出課程中所蘊(yùn)含的道理和意義，利用超星網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)和中國大學(xué)MOOC等優(yōu)秀的線上教學(xué)資源，結(jié)合線下，加入質(zhì)疑問難式、啟發(fā)討論式、自讀自悟式教學(xué)模式，將其融入課前、課中和課后三個(gè)階段，真正落實(shí)以學(xué)生中心的理念，從而培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)，最終落實(shí)學(xué)生創(chuàng)新行為的培養(yǎng).

1 教學(xué)內(nèi)容模塊化

傳統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容章節(jié)之間聯(lián)系不是很緊密，模塊化后把各個(gè)章節(jié)內(nèi)容有機(jī)的、系統(tǒng)的結(jié)合在一起，消除了章節(jié)內(nèi)容聯(lián)系不緊密的弊端，使學(xué)生真正地理解教學(xué)內(nèi)容之間的聯(lián)系，“數(shù)控技術(shù)”模塊化示意圖如圖1所示.將“數(shù)控技術(shù)”內(nèi)容分成數(shù)控加工程序輸入及預(yù)處理、輪廓插補(bǔ)原理、進(jìn)給與主軸運(yùn)動(dòng)控制、數(shù)控加工程序編制4個(gè)模塊.在教學(xué)過程中通過下發(fā)任務(wù)進(jìn)行教學(xué)，將教學(xué)任務(wù)細(xì)分成四個(gè)子任務(wù)層：掌握加工程序的輸入和預(yù)處理、掌握輪廓插補(bǔ)原理、熟悉進(jìn)給與主軸運(yùn)動(dòng)控制和誤差計(jì)算、掌握數(shù)控加工程序編制并能夠進(jìn)行常見零件輪廓的代碼編寫.基于子任務(wù)層，形成每個(gè)任務(wù)的知識(shí)點(diǎn)層和問題層.

2 BOPPPS融入過程——以“插補(bǔ)算法”為例

針對課程實(shí)施過程中 “插補(bǔ)算法”子任務(wù)，以“一點(diǎn)兩線三圍繞”為切入點(diǎn)，通過BOPPPS模塊輔助教

圖1 “數(shù)控技術(shù)”教學(xué)內(nèi)容模塊化

學(xué)[7-8]，并根據(jù)知識(shí)特點(diǎn)將導(dǎo)入、教學(xué)目標(biāo)、前測、參與式學(xué)習(xí)、后測和總結(jié)六個(gè)環(huán)節(jié)分別融入課前、課中和課后三個(gè)階段進(jìn)行具體的實(shí)施.

2.1 導(dǎo)入

為了將學(xué)生的注意力引入到插補(bǔ)運(yùn)算中，教師播放學(xué)習(xí)通中推送的東芝事件中數(shù)控加工案例視頻，按照螺旋槳噪聲減少→高精度數(shù)控機(jī)床→提高加工精度→進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算這個(gè)過程，讓學(xué)生猜想如何才能減小螺旋槳噪聲，選擇高精度數(shù)控機(jī)床如何提高加工精度，通過一問一答的形式逐步引出“插補(bǔ)運(yùn)算”.用真實(shí)的案例體現(xiàn)插補(bǔ)算法的價(jià)值和意義，同時(shí)加強(qiáng)學(xué)生對插補(bǔ)理論的感官認(rèn)識(shí)，從而在插補(bǔ)理論與實(shí)踐應(yīng)用之間架起溝通的橋梁.

2.2 教學(xué)目標(biāo)

依據(jù)學(xué)校文件“畢業(yè)要求1工程知識(shí)”中的“掌握機(jī)械設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域的專業(yè)知識(shí)，使學(xué)生了解其他插補(bǔ)方法”；“畢業(yè)要求3設(shè)計(jì)/開發(fā)解決方案”中的“能夠綜合運(yùn)用專業(yè)知識(shí)對機(jī)械設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域復(fù)雜工程問題的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化”，利用逐點(diǎn)比較法、數(shù)字積分法、數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)方法提高零件輪廓加工精度；“畢業(yè)要求5 使用現(xiàn)代工具”中的“具有合理選擇與使用機(jī)械工程實(shí)踐中所需的現(xiàn)代工程技術(shù)、方法和工具的能力”，利用插補(bǔ)算法制造更為復(fù)雜且精密的零部件，將該知識(shí)點(diǎn)的主要內(nèi)容劃分為逐點(diǎn)比較法算法原理與計(jì)算方法、數(shù)字積分插補(bǔ)算法原理與計(jì)算方法、數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)算法原理與計(jì)算方法、其他插補(bǔ)方法的原理和計(jì)算方法.基于此，要求學(xué)生對“常用插補(bǔ)方法的原理與計(jì)算”這一重點(diǎn)內(nèi)容做到靈活運(yùn)用，對難點(diǎn)內(nèi)容“其他插補(bǔ)方法的原理與計(jì)算”做到清楚明了，從而確定該子任務(wù)的知識(shí)目標(biāo)、能力目標(biāo)和育人目標(biāo).

知識(shí)目標(biāo)：了解輪廓插補(bǔ)的基本概念、基本理論和基本計(jì)算方法，掌握逐點(diǎn)比較法直線和圓弧插補(bǔ)、數(shù)字積分法直線和圓弧插補(bǔ)、數(shù)據(jù)采樣法直線與圓弧插補(bǔ)的具體實(shí)現(xiàn)過程.

能力目標(biāo)：根據(jù)插補(bǔ)方法提高學(xué)生的認(rèn)知能力和實(shí)際應(yīng)用能力，并能夠根據(jù)插補(bǔ)流程完成Matlab程序的編制.

育人目標(biāo)：激發(fā)學(xué)生的愛國情懷和民族自豪感，激勵(lì)學(xué)生不忘初心，樹立堅(jiān)定的信念和正確的價(jià)值導(dǎo)向，使學(xué)生具備精益求精、盡善盡美的制造精神.作為當(dāng)代一名機(jī)械專業(yè)本科生，關(guān)注國家制造業(yè)的發(fā)展，從而為畢業(yè)后從事機(jī)械制造業(yè)做鋪墊，為國家未來的工業(yè)機(jī)械制造業(yè)貢獻(xiàn)自己的力量.

2.3 前測

首先帶領(lǐng)學(xué)生回憶像素成像的基本原理和計(jì)算過程；接著，將像素成像原理與輪廓插補(bǔ)原理進(jìn)行對比、分析，判斷它們是否相同；進(jìn)一步，讓學(xué)生判斷東芝事件所反映出的零件輪廓插補(bǔ)是否對設(shè)備精度存在一定的重要性.將以上調(diào)查結(jié)果投影到大屏幕上，大家集體討論、觀察規(guī)律、得出結(jié)論.該過程能夠幫助同學(xué)們快速回憶插補(bǔ)算法中的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，讓學(xué)生明白輪廓插補(bǔ)是該知識(shí)點(diǎn)的重點(diǎn)前測內(nèi)容.最后，通過學(xué)生分組討論和結(jié)果展示，不僅讓教師能夠了解學(xué)生對插補(bǔ)知識(shí)的儲(chǔ)備并且及時(shí)對課程內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整，還可以讓不同層次的學(xué)生對自己知識(shí)掌握度有一個(gè)正確的認(rèn)知，為后續(xù)的學(xué)習(xí)做準(zhǔn)備.

2.4 參與式學(xué)習(xí)

2.4.1 教師根據(jù)零件輪廓尺寸，結(jié)合精度和工藝等方面的要求，展示在已知刀具中心軌跡轉(zhuǎn)接點(diǎn)之間插入若干個(gè)中間點(diǎn)的過程，用Matlab編程實(shí)現(xiàn)逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)實(shí)例，如圖2所示，計(jì)算出每一段零件輪廓起點(diǎn)與終點(diǎn)之間所有插入點(diǎn)的坐標(biāo)值，并控制刀具依據(jù)這些坐標(biāo)值從起點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到終點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生猜想插補(bǔ)的原理和計(jì)算方法.學(xué)生觀察圖2中逐點(diǎn)比較法的插補(bǔ)過程，從理論上理解逐點(diǎn)比較插補(bǔ)，進(jìn)而猜想逐點(diǎn)比較插補(bǔ)的分類以及不同插補(bǔ)原理之間的區(qū)別.

2.4.2 教師給出在刀具按要求軌跡運(yùn)動(dòng)加工零件輪廓的過程中，不斷比較刀具與被加工零件輪廓之間的相對位置，并根據(jù)比較結(jié)果決定下一步的進(jìn)給方向，使刀具向減小誤差的方向進(jìn)給，并提出可以選用哪些方法進(jìn)行插補(bǔ)；在進(jìn)行插補(bǔ)時(shí)，需要注意哪些關(guān)鍵因素；如何具體實(shí)現(xiàn)各種插補(bǔ)等問題.學(xué)生通過小組討論，進(jìn)而總結(jié)出：逐點(diǎn)比較法是偏差判別、坐標(biāo)進(jìn)給、偏差計(jì)算和終點(diǎn)判別；數(shù)字積分法是實(shí)現(xiàn)多軸聯(lián)動(dòng)，可進(jìn)行空間直線和曲面的插補(bǔ)；數(shù)據(jù)采樣法是使用一系列首尾相接的微小直線段逼近給定輪廓.讓學(xué)生從自身的角度解決插補(bǔ)難題，以此來獲得深層次理解.

圖2 Matlab編程實(shí)現(xiàn)的逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)的實(shí)例

2.4.3 教師根據(jù)各組的討論結(jié)果，分別用不同的插補(bǔ)方法演示插補(bǔ)的過程，引導(dǎo)學(xué)生理解逐點(diǎn)插補(bǔ)在不同象限的直線和圓弧插補(bǔ)算法的不同，以及不同插補(bǔ)方法之間的聯(lián)系和區(qū)別.學(xué)生根據(jù)教師提出的問題，回想不同插補(bǔ)方法的演示過程，將不同的插補(bǔ)方法放在一起討論分析，得出不同插補(bǔ)方法的原理、計(jì)算方法和應(yīng)用環(huán)境.

2.4.4 學(xué)生根據(jù)教師不同插補(bǔ)方法的演示過程、小組討論結(jié)果和教師進(jìn)行角色互換，對本知識(shí)點(diǎn)的重要內(nèi)容進(jìn)行總結(jié)，并分析這些插補(bǔ)方法之間的聯(lián)系和區(qū)別.為此，讓學(xué)生從自身的角度去解決插補(bǔ)難題，來獲得對插補(bǔ)算法深層次的理解.

2.5 后測

根據(jù)課堂任務(wù)，使學(xué)生能夠掌握數(shù)控插補(bǔ)的概念、任務(wù)、原理和過程.通過基礎(chǔ)測試題目：數(shù)控插補(bǔ)的任務(wù)是在輪廓起點(diǎn)和終點(diǎn)之間插入若干個(gè)中間點(diǎn)，這若干個(gè)中間點(diǎn)的特點(diǎn)是什么以及當(dāng)偏差函數(shù)取不同值的時(shí)候都會(huì)向X或Y軸進(jìn)給“一步”，其中“一步”的含義是什么，以此來檢測學(xué)生對基礎(chǔ)知識(shí)的掌握程度；通過綜合測試題目：試用逐點(diǎn)比較法對這段圓弧進(jìn)行插補(bǔ)，寫出每一步偏差計(jì)算過程，檢測學(xué)生的邏輯思維和對本節(jié)新知識(shí)的理解和應(yīng)用能力，以此來加深學(xué)生對知識(shí)點(diǎn)的理解和掌握，拓寬知識(shí)體系，加強(qiáng)插補(bǔ)知識(shí)的邏輯性和系統(tǒng)性.在這個(gè)過程中教師觀察每個(gè)學(xué)生在測試過程中的表現(xiàn)，并進(jìn)行反思.

2.6 總結(jié)

經(jīng)過多次循環(huán)之后，根據(jù)知識(shí)點(diǎn)掌握的情況查漏補(bǔ)缺，通過課堂測試進(jìn)行反思.從插補(bǔ)任務(wù)復(fù)雜度、插補(bǔ)概念混淆度、心理原因等因素讓學(xué)生自我分析這些錯(cuò)誤，形成總結(jié)報(bào)告，最后教師根據(jù)綜合性測試題目，要求學(xué)生編寫實(shí)現(xiàn)圓形插補(bǔ)的Matlab程序，并布置下次課的任務(wù)，以實(shí)現(xiàn)新舊內(nèi)容的銜接.

圖3 課程目標(biāo)達(dá)成情況統(tǒng)計(jì)

3 BOPPPS教學(xué)模式的成效

完成課程所有任務(wù)后(含期末考試)，學(xué)生要對整個(gè)課程的教學(xué)目標(biāo)和效果進(jìn)行滿意度評價(jià)，對2018級學(xué)生的學(xué)習(xí)情況進(jìn)行達(dá)成度計(jì)算，結(jié)果如圖3所示.各個(gè)課程目標(biāo)均在0.6以上，課程目標(biāo)1已經(jīng)超過了0.7，說明改革后的教學(xué)模式使學(xué)生能夠更好地掌握課程基礎(chǔ)理論和基本方法，深入影響了學(xué)生對課程價(jià)值的態(tài)度；課程目標(biāo)3接近0.9，說明采用改變后的教學(xué)模式，在教學(xué)過程中將思政元素和專業(yè)知識(shí)有機(jī)的融合，提高了課程的趣味性，調(diào)動(dòng)了學(xué)生的積極性，激發(fā)了學(xué)生對課程的熱愛和興趣.

4 結(jié)語

在整個(gè)教學(xué)過程，教師能實(shí)時(shí)掌握學(xué)生動(dòng)態(tài)，根據(jù)學(xué)生的表現(xiàn)及時(shí)調(diào)整授課的側(cè)重點(diǎn)，通過在線答疑、詞云互動(dòng)等測評活動(dòng)，及時(shí)掌握學(xué)生出現(xiàn)的問題，進(jìn)而改變布置的任務(wù)，使學(xué)生能夠更好地完成學(xué)習(xí)任務(wù)并進(jìn)行反饋，從學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力、自信心、理解能力、重視程度、新舊知識(shí)交替是否到位等問題，找出更加適合數(shù)控技術(shù)課程的教學(xué)方式.