“伺服电机轴的数控编程与智能化加工”信息化教学设计探讨*

张桂花 范有雄 高 淼

（武汉软件工程职业学院，湖北 武汉 430205）

随着云计算、大数据等新技术的广泛使用，信息走进各行各业，上至航天，下至校园。信息化已成为国家战略，教育信息化正迎来重大历史发展机遇。《国家中长期教育改革和发展规划纲要》提出，教育信息化是推进教育改革与发展的战略制高点，信息技术对教育发展具有革命性影响［1］。而《教育信息化“十三五”规划》进一步提出，课程改革要放在信息时代背景下来设计和推进［2］，这就给高职院校课程改革提出了新的时代内涵。“数控编程与智能化”课程正是对接《中国制造2025》智能制造产业转型升级而开发的项目课程，旨在培养学生智能化、信息化和自动化加工能力。而高职教育教学的痛点和难点在于：高职学生普遍存在基础知识薄弱、学习兴趣不足、自主学习能力欠缺、缺乏创新能力等种种问题，传统课堂那种填鸭式灌输知识的方式往往出现教师难教、学生难学的困境，教学效果很难提升。且已有的“数控编程与智能化”课程信息化教学设计尚停留在嵌入加工视频和动画的多媒体课件理论教学和仿真加工软件虚拟加工的实践教学阶段，而教学仍为教师的单向输出。基于上述原因，有针对性地把握高职学生的特点，根据学生的学情和认知规律，对课程教学全过程进行信息化教学改革，借助信息化资源抽象为形象，降低学习难度；利用信息化手段聚焦教学内容，突出学习重点；依托信息化工具化被动为主动，激发学习兴趣，有效提升教学效果。因而“数控编程与智能化加工”课程信息化改革显得尤为急迫，既是产业转型升级对高素质人才培养的需要，更是破解高职教育教学痛点和难点的良方。

一、教学分析

一个好的信息化教学设计必须是基于学习者学习需求分析、学习内容分析和学习者分析而展开的，只有真正了解学生的学习需求、已有知识经验和心理认知特点，才能确定合理的教学目标，界定教学内容的重点、难点和关键点。

本例中课程团队通过问卷星对在校生展开座谈，跟踪调查毕业实习生，走访企业专家，充分调研学生的认知水平、学习特点、对本课程的总体评价以及他们的学习需求，借助问卷星的统计与分析功能，课程团队了解到学生对智能制造兴趣浓厚，善于动手实操，乐于学习专业新技术，愿意从事技术工种，且已学会简单循环指令和机器人示教技能，实现台阶轴类零件的加工，但学习动机不强，工艺设计能力不足，程序编制易错，五项关键素质（工匠精神、创新能力、信息技术能力、绿色观念、质量素质）［3］欠缺。

基于以上调研分析，根据《制造业人才发展规划指南》［3］和校企合作开发的课程标准，确定本次课教学目标如图1，教学重点为数控编程及智能化加工，教学难点为加工工艺设计。聚焦工艺优化、数控编程和智能加工三大核心能力和五项关键素质培养，旨在培养真正能驾驭机器人生产的智能工“将”。

图1 教学目标

图2 某伺服电机轴订单

二、教学策略

教学策略是为实现某一教学目标而制定的、付诸于教学过程实施的整体方案，它包括合理组织教学过程，选择具体的教学方法和材料，制定教师与学生所遵守的教学行为程序等［4］。一个有效的教学策略是根据既定的教学目标，依据学生的学习准备、认知风格、学习进度、学习技能等方面的个别差异来进行动态调整优化，使教学效果趋于最佳。

本例中基于上述教学目标，在教学策略上，因建构主义学习理论［5］强调学生的学习活动必须与任务或问题相结合，以探索问题来引导和维持学习者的学习兴趣和动机，创建真实的教学环境，让学生带着真实的任务主动学习，并通过完成任务不断地获得成就感，激发求知欲望，逐步形成一个感知心智活动的良性循环，充实和丰富自身的知识、能力。且职业成长遵循从初学者到专家的逻辑发展规律［6］，其发展过程分为初学者、高级初学者、有能力者、熟练者和专家五个阶段。职业教育的任务是通过科学的方法，把学习者从较低发展阶段顺序带入到更高级的阶段，其过程是“从完成简单任务到完成复杂任务”的能力发展，而不仅仅是“从不知道到知道”的知识学习和积累，必须找到合适的载体（学习情境和学习任务）才可能有序、高效地实现这一发展过程。所以，遵循建构主义学习理论和职业成长规律采用任务驱动法组织教学。创设真实职业情境，教学场地选择真实智能制造生产线，挑选华大电机公司伺服电机轴（如图2）生产任务为载体，此任务为典型轴类零件加工，可用复合循环指令G71将轮廓粗精加工成型。将教学任务按照企业工艺师的工作流程与标准分解成工艺设计、程序编制、智能生产三大子任务（如图3）。教学过程对接企业产品生产流程，分为锤工艺-磨程序-驭智能-悟素质四大环节，引导学生在各个环节完成相应子任务的过程中主动探究、合作学习、发现并解决问题，提升核心能力和关键素质，实现从高级操作工到智能工将的职业成长。

图3 教学任务

根据预设的教学重点，引入交互式三维仿真加工软件，解决G71指令格式和参数复杂易出错和安全生产规范欠缺问题，降低学习难度；并利用云班，对生成性教学资料实时点评，投屏错误指令，开启找茬游戏，确保程序编写正确，并进行闯关游戏测试，强化知识点的记忆，突出教学重点一。借助微课资源和学生错误操作的生成性教学资料，养成学生规范操作意识，化虚为实；并通过智能加工单元控制软件实时监测单元状态，将学生从传统繁重的机械加工中解放出来，强烈体验通过信息技术控制智能制造的“驾驭”之乐，突出教学重点二。

而加工工艺设计因概念抽象难懂，各加工工艺知识涉及面广且实践性强，一直是机械专业学生学习的难言之痛。为破解教学难点，本例采用动画进行工艺分析，多次动画对比工艺方案与机器人夹持方案，将传统教学中难以用语言描述清楚的问题形象直观地表示出来，化难为易，化虚为实；借助辅助加工软件模拟刀具路径并计算工时，通过投票参与让学生掌握刀具路径选择原则和深刻理解绿色制造理念；针对传统工艺参数选择需要反复查询多种表格和手工计算，引入Turning工艺参数APP，通过输入工件材料、毛坯尺寸、应用领域，直接得到工艺参数，化繁为简。

三、教学过程

基于翻转课堂理念，将教学过程延展为课前导学、课中内化和课后拓展，全程采用即时过程性评价，激发学生主动参与每个教学活动和学习。

（一）课前导学

课前教师在云班课中发布教学活动安排（如图4）和加工零件图。学生登陆云班，以小组为单位自学手机云教材课件、微课、动画，对零件进行工艺设计，完成工艺测试题，拟定刀具路径，拍照上传云班。富有挑战的任务和丰富的学习资源点燃学生学习热情，培养学生自主学习之本。

图4 课前教学活动安排

（二）课中内化

课中按企业生产流程分为锤工艺-磨程序-驭智能-悟素质四大环节。

1.动画投票锤工艺设计之技（45min）

分析学生课前工艺测试结果、工艺方案和刀具路径，显示只有10%的学生通过课前自主学习后具备多台阶轴的工艺设计能力，说明多台阶轴的工艺设计对学生确实有难度，突出表现在工艺分析不全面、工艺方案的合理性有待优化、刀具路径不经济等方面，而上述知识点概念抽象、内容空洞，学生自学完后感觉似是而非。为此，教师调用动画分析零件尺寸、形状、位置精度等要素，学生可直观得出此伺服电机轴上为转子轴，安装轴承、转子、电刷、端盖、机座等零件，重要的配合表面主要有Φ19.3、Φ28和Φ8.3的外圆，与Φ20.3轴承外圆有Φ0.03的同轴度要求，尺寸精度最高为IT8级，表面质量为Ra1.6。

分析学生上传的工艺设计，归纳为两种（如图5），教师调用动画直观展示各自的加工顺序和机床的装夹方案，学生很容易发现两者的区别在于，方案二将右端的粗精加工分为夹持不同部位的两道工序，以避免粗加工时因伸出长度过长使切削变形变大而影响加工精度，方案二的装夹定位精度更高，进而确定工艺方案为方案二。智能制造生产线工艺不同于普通生产线工艺，工件的装夹和搬运均由机器人完成，需要制定机器人夹持方案，学生提出了机器人夹持工件左端、中间、右端三种方案，教师再次调用动画对比夹持方案的可靠性和与机床、刀具夹具等干涉情况，学生毫不费力的选择夹持工件中间为最佳方案。分析课前上传的刀具路径，主要有多次轴向、径向和仿形刀具路径三种，只有17%的学生上传的刀具路径合理，走刀时间短，成本低。对于到底哪种最优，教师可借助辅助加工软件按照确定的工艺方案模拟三种不同刀具路径并计算工时，通过云班发起投票，请学生按照最短刀具路径原则进行选择，90%的学生选择多次轴向刀具路径，该路径总长为1045.061 mm，路径最短；工时为04分24.94秒，用时最少。

因前导课程“机械制造工艺”已详述工艺参数（切削速度、进给量和背吃刀量）对加工精度、效率的影响和如何选择，本例简化过程引入Turning工艺参数APP直接选取工艺参数，学生输入工件材料、各工序尺寸、粗精加工应用领域，分别得到各工序的工艺参数（如图6）。避免了传统工艺参数选择需要反复查询多种表格和手工计算，过程繁琐且计算容易出错，但此方法仅仅根据刀具耐用度来选择工艺参数，对工艺系统的其它方面影响则没有考虑，故工艺参数是个理论参考值，而优化的工艺参数需要在后续驭智能环节用参考值试制调整优化获得。多次动画对比、投票参与、APP查询让学生深刻理解工艺设计之技和绿色制造理念，突破教学难点。

图5 工艺方案

图6 各工序的工艺参数

2.游戏仿真磨程序精细之艺（45min）

最优刀具路径和工艺参数通过G71指令实现，其格式和参数复杂。学生在交互式三维仿真加工软件手机端帮助下手工编写程序，在云班发送教师。教师即时评分，实时反馈程序编写情况，对正确程序给予肯定，对错误程序给出改正提示，帮助学生后续学习。即时评价后发现40%的学生依然存在指令错误，教师对错误率较高和不科学的情况开启找茬游戏，将错误指令投屏，让学生现场找茬，确保所有学生的指令都正确。随后闯关游戏测试（如图7），强化记忆。

图7 闯关游戏测试

为验证程序、降低安全隐患，学生进入仿真加工环节。交互式三维仿真加工软件具有报错并终止操作功能，给出操作或程序错误信息，并自动评分，提醒学生生产规范，避免出现碰刀、对刀错误、未关机门、程序错误等常见错误操作，培养学生安全和质量意识。教师巡回指导，对个性问题单独辅导，对共性问题现场投屏纠错，确保所有学生的工件正确仿真加工出来。

找茬和闯关游戏打磨学生编程精细习惯，交互式三维仿真加工软件手机端直观呈现指令含义，电脑端反复纠错，强化工匠意识，突出教学重点一。

3.实战演练驭智能制造之法（70min）

技师利用直播系统示范智能制造单元的规范操作流程，提醒易错点和注意事项，解决实训场地设备的限制和现场教学易失秩序问题。

学生在技师指导下操作智能加工单元控制软件，传入仿真好的程序，驾驭智能加工单元试制对刀，示教规划机器人动作路径，按工序加工工件，智能检测工件，实时反馈检测结果，修订刀具补偿，优化工艺参数完成零件试制，每个环节均可扫描二维码观看微课。教师巡回指导，对学生错误操作拍照上传云班，形成生成性教学资料。

技师用三维扫描仪检测学生试制的工件，学生填写检测报告，调整工艺和程序，试制合格后投入批量生产，学生通过控制软件（如图8）实时监测单元状态。强烈体验通过信息技术控制智能制造的“驾驭”之乐，破解教学重点二。加工完后学生现场6S处理。

图8 智能加工单元控制软件

4.剖析反思悟关键素质之道（20min）

生产完成后回放智能制造单元错误操作视频和问题工件的试制视频等生成性教学资料，引导学生踊跃上台剖析问题，提醒学生牢记错误操作点，反思影响零件精度的操作细节，并乘机归纳智能工将必备之工艺、程序、智能加工技艺，强调关键素质：绿色制造意识、工匠精神、质量意识、创新能力、信息技术能力。

（三）课后拓展

为巩固所学知识点和提升操作技能，要求学生课后巩固性课堂测试和完成减速机轴零件的智能制造方案编制，上传云班，供企业专家参考，提升学生参与智能制造的使命感。

教师整合课前课中课后情况即检测报告、自动评分、云班表现、教师评分、技师评价（如表1），表现优异的授予“智能工将”称号。

表1 过程性评价权重表

四、教学效果

1.以伺服电机轴智能加工为载体，打造锤-磨-驭-悟智能、工将锻造之旅，课上课下反馈积极热烈，课后测评学生满意度97%以上（如图10）。

图10 课堂满意度

2.信息化手段降低了学习难度，工艺设计正确率100%，刀具路径正确率90%，编程完成率100%（如图11），作业中的工艺方案获得企业好评，有效达成教学目标。

图11 信息化手段使用效果

通过动画、Turning工艺参数APP、交互式三维仿真加工软件、智能加工单元控制软件等信息化资源和手段对课程进行信息化教学设计，使枯燥抽象的知识和技能能生动、直观呈现，将学生从传统繁重的参数查询、程序背诵、机械加工中解放出来，聚焦三大核心能力、五项关键素质培养，打造真正的智能工将，开创具有可推广性的智能制造高端人才培养模式。