基于任务驱动的机械制造专业方向课和专业综合实践课的无缝衔接

姜兴刚 彭翀 王延忠

摘要：为了适应当今制造业向数字化、信息化、智能化发展的需求，北京航空航天大学机械制造专业于2013年开始对原有本科教学计划进行全面改革。将原有的3门专业方向课进行有效整合，形成两门专业方向课；将原有的专业课程设计和专业综合实验课合并为一门专业综合实践课。新教学计划对专业方向课和专业综合实践课的课时压缩了近一半，不仅要求教学内容精练，而且要求教学内容能够革陈出新。在实际操作过程中，由于受课时和内容的限制，很容易造成理论教学环节和实践教学环节之间的脱节。采取任务驱动方式，以某一航空典型零件为加工案例，在理论教学环节中引入CAD/CAM虚拟设计/加工仿真环节，在后续的综合实践环节直接利用CAD/CAM得到的数控加工工艺、程序、组合夹具等用于实际零件的加工。通过任务驱动方式，按照理论—仿真—实践的教学步骤，实现了机械制造专业方向课和专业综合实践课的无缝衔接，解决了新教学计划中课时少、内容精的矛盾。

关键词：任务驱动；CAD/CAM；加工仿真；无缝衔接；教学改革

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）28-0106-03

2013年，德国提出了工业4.0战略；我国于2015年5月提出了《中国制造2025》规划。所有这些都表明，当今的制造业正在向数字化、信息化、智能化方向深度发展，对制造业人才的培养也提出了新的要求。高等院校作为国家制造业人才培养的主阵地，也应该与时俱进，推动机械类专业教育教学改革创新。在此形势下，北京航空航天大学机械制造专业于2013年开始对原有的本科教学计划进行全面改革，包括：专业基础课、专业方向课和专业综合实践课。笔者作为机械制造专业方向课和专业综合实践课的一线教师，通过对改革中可能存在的专业方向课和专业综合实践课之间容易脱节的问题进行深入剖析，提出基于任务驱动的教学方法，并指出CAD/CAM虚拟设计/加工仿真是连接专业方向课和专业综合实践课的纽带。

一、机械制造专业教学计划改革的主要措施

机械制造专业原有的专业方向课程有“机械制造工艺学”（48学时）、“数字化制造技术”（48学时）、“先进加工技术及装备”（48学时）。这些课在内容上重复较多，占用学时也多，不利于学生挤出较多的时间学习新技术，比如“机械制造工艺学”和“数字化制造技术”都有关于加工工艺和典型零件加工方法的内容；“数字化制造技术”和“先进加工技术及装备”都有关于机床、刀具、夹具等的内容。并且，有些课程内容已不符合当今社会的发展需求，需要进行革新，比如“机械制造工艺学”主要讲的是普通机床的加工工艺，而对当今流行的数控机床加工工艺却很少涉及；“数字化制造技术”虽然针对数控机床和数控技术，但对当今流行的计算机辅助设计、制造、仿真等软件却很少涉及；“先进加工技术及装备”也需要增加一些当今新兴的加工技术（如3D打印、绿色制造等）的内容，同时删减一些较为陈旧的内容。

专业方向课的改革措施是将三门课的内容进行整合，最后形成两门，分别为“数字化制造工艺与装备”（64学时）和“先进加工技术”（32学时）。其中，“数字化制造工艺与装备”是对原来的“机械制造工艺学”、“数字化制造技术”和“先进加工技术及装备”（部分内容，计32学时）内容的整合，摒弃了原有教学计划中关于普通机床结构及加工工艺的介绍，而代之以数控技术、数控机床、数控工艺、数控编程、计算机辅助检测等内容。同时，授课学时也由原来的合计128学时压缩为64学时。通过该门课程的学习，培养学生具有数字化制造的基础理论知识，使学生能够初步掌握数控工艺和数控程序的编程以及现场质量检测的方法。

在实践类课程方面，机械制造专业原有两门专业实践类课程：“专业课程设计”（80学时）和“综合实验”（80学时）。这两门课程不仅内容陈旧、急需革新，而且两门课程之间缺乏应有的联系，造成了课时的很大浪费，授课质量和授课效率都很低。

综合实践类课程的改革措施是将原来的“机械制造专业课程设计”和“机械制造专业综合实验”统一为一门课程，即“机械制造专业综合实践”（80学时）。也就是说，在专业课程设计中设计的零件还要在综合实验中加工出来，从而保证了实践教学环节的连续性。授课学时也由原来的合计160学时压缩为80学时，并且在两周内集中完成。在实验条件上摒弃了现有教学计划中关于滚齿机、插齿机、磨齿机等早已过时的设备，而代之以数控铣床、数控车床、数控磨床等，这也同时带来了夹具的革新换代。

机械制造专业方向课和专业综合实践课改革方案如图1所示，整个课程体系以数字化制造为主线，由理论到实践，内容精练，避免重复。

二、基于任务驱动的理论—仿真—实践教学方法

教学计划的改革必然要带来教学方法的改进。在以往的教学过程中，理论课的教师只负责课堂授课，其中也会穿插少量的实验，但这些实验只是验证性的，而课程设计和综合实验课也是自成体系。这种各自独立的教学方法已不适应新教学计划的要求，主要表现在以下几方面。

1.专业方向课缺乏应有的课外实践环节，导致学生对课堂内容的理解不够深入，不利于培养学生的思维方式和创新能力。

2.专业综合实践课学时太少，实际可操作性差。按照新教学大纲的要求，学生要在集中两周的时间内完成给定零件的工艺过程设计、工艺装备设计、数控编程与零件加工等整个实践环节，内容多，时间紧张，不利于培养学生的工程意识和动手能力。

3.专业方向课和专业综合实践课脱节。从新教学计划对机械制造专业课的整合可以看出，“数字化制造工艺与装备”主要是培养学生具有数字化制造的基础理论知识，专业综合实践课是它的后续课程，目的是培养学生解决工程实际问题的能力。但两门课之间相对独立，缺少一个应有的联系纽带，使授课质量和授课效率都受到影响。

针对此情况，提出基于任务驱动的理论—仿真—实践教学方法。其基本思路如图2所示。

在讲授“数字化制造工艺与装备”课程的过程中，引入CAD/CAM虚拟仿真环节，学生以所学理论作指导，针对某一典型航空零件，利用UG、ProE等CAD/CAM软件完成数字建模、工艺过程设计、工艺装备设计，然后在CAM环境下生成NC加工程序，并利用Vericut仿真软件进行模拟加工仿真和参数优化。利用仿真软件直观、实时的优势，充分发挥每位学生的积极性、主动性和创造性，最终得到可以直接用于加工的数控工艺、数控程序及与之相应的组合夹具。

在专业综合实践课中，可以直接利用CAD/CAM虚拟仿真环节得到的数控加工工艺、程序、组合夹具等用于实际零件的加工。在数控加工中，对每道工序进行精度测量，验证虚拟仿真结果的准确性，并对数控工艺和数控程序进行修正，丰富和完善组合夹具单元库和机床加工参数优化库。这样，不仅保证了专业方向课和专业综合实践课之间的无缝衔接，还节省了大约40学时的课程设计时间，将其分配到专业综合实践课的其他环节中，保证了专业综合实践课的教学质量。

采取任务驱动的理论—仿真—实践教学方法，可以收到如下的显著效果。

1.初步建立接近工程实际的虚拟制造过程体系，并在本科教学实践中不断完善。

2.在专业方向课和专业综合实践课之间搭建一座衔接的桥梁，保证机械制造专业新教学计划实施的质量。

3.帮助学生建立现代设计与制造的思维模式，加深对设计制造本质的理解，培养学生的创新思维能力和实际动手能力，为今后利用先进手段开展机械设计、分析和制造打下良好的基础。

三、结论

采用任务驱动式教学方法，引入CAD/CAM虚拟设计/加工仿真环节，打破以往单一的数字化建模与加工仿真形式，采取以专业方向课理论作指导，经专业综合实践课验证，使学生在真实的任务问题下学习和应用知识，使所学知识得到巩固、加深和迁移，提高教学效率；同时使实践教学和理论教学融为一体，提高了学生主动学习的积极性，学生的动手能力和工程实践能力、分析问题和解决生产实际问题的能力得到了加强，较好地解决了理论和实际相结合的问题，提高了教学效果。

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Abstract：The machinery manufacturing professional of Beihang University starts up the reform of the undergraduate course teaching plan from 2013 as the digitization，information and intelligentization of modern manufacturing industry is increasingly deepening.The former three professional direction courses are integrated into two ones，and the former professional curriculum design and professional comprehensive experimental course are integrated into one professional comprehensive practice course.The class hours of new teaching plan reduce nearly a half，and it requires the teaching contents refining as well as reforming.But in the practice，the theory teaching and practice teaching are easily departed subjecting to less class hours and more teaching contents.CAD/CAM virtual design and machining simulation are adopted in the theory teaching，and a typical aviation part is designed and simulated based on task driven.In the following practice teaching，the above results，such as CNC process，CNC program and modular fixtures，are directly used in practical part machining.The direction course and comprehensive practice course of machinery manufacturing professional are seamless connected by the step of theory—simulation—practice based on task driven.And the conflict between class hours and teaching contents in the new teaching plan is settled well.

Key words：task driven；CAD/CAM；machining simulation；seamless connection；teaching reform