机床实践教学方案设计与机床主机教学仪的 研制

肖龙雪 胡兰萍 朱益民

摘  要 根据南通大学工程训练中心工程训练教学现状，进行机床实践教学手段探索，设计适用于传统机床和数控机床的联机模式和单机模式两种实践教学方案，并进行一种机床主机教学仪的研发和样机制作。应用试验表明，两种方案可用于机床实践教学，研制的教学仪有助于实践教学效率的提高。

关键词 工程训练;机床实践教学;机床主机教学仪;多媒体

中图分类号：G642    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2019）05-0024-03

1 引言

工程技術人才的培养机制必须要具备有效的理论培养和实践锻炼[1]。因此，大学本科开展机械加工生产实训，是工科学生切实参与机械生产实践、检验学习效果的重要途径[2]，是高校全面贯彻落实素质教育、质量工程的重要举措。为此，国家实施“卓越工程师教育培养计划”，旨在培养造就一大批创新能力强、适应经济社会发展需要的高质量各类型工程技术人才，达到为国家走新型工业化发展道路、建设创新型国家和人才强国战略服务的基本要求。

南通大学工程训练中心承担学校工程实践教学任务，其中机床教学模块每学年承担全校七个学院超过2500名学生的实习任务。工程训练过程中，学生要参加车、铣等传统机械加工和数控车、数控铣、加工中心、柔性制造系统等的理论学习和实践操作。由于机床结构布局、厂房环境条件、生产操作要求和师生比例特点，要求师生双边教学更高效、更便捷。但是，目前常规的机床教学采取“教师机床旁讲，学生机床边学”的模式，学生围在教师周围听机床结构和操作的讲解，因为可能看不到教师介绍的机床结构而不能全面认识机床的各个组成部分，也可能看不清晰教师具体操作的按键而不能准确知晓机床的基本操作。所以学生学的效率不高，教师授课就不能有效拓展和深入。为了保证实习效果，势必要求安排更多实习时间，增多中心工作量和加大教师工作压力。因此，努力探索工程训练教学的方式手段和进行必要的教学条件建设，是目前开展机床实践教学工作的迫切需求。

2 机床实践教学方案设计

主要设计内容  为促进机床实践教学工作和有利于学生机床学习的实效，以中心的现有各种普通机床和数控机床为应用对象，基于互联网应用技术，音像动态撷取、处理及实时传输技术，设计并制作出适合机床教学的机床群主机教学仪。首先通过音像撷取机构，对指导教师在机床教学过程中的相关影像和音频进行动态撷取;然后运用局域互联网技术将该影像和音频传送到计算机终端进行音像处理，并及时配送到学生能直接观看到的显像装置和能收听到的音响设备，以供学生学习。学生有疑问时也可以及时咨询，指导教师根据反馈信息，传业、授道、解惑。该项目能够接纳更多学生有效收听、观看教学演示，从而实现机床教学过程中的师生双边活动更加高效进行。

两种设计方案  在机床端（即教师端）配置主机教学仪，在学生端配备多媒体教学设备。设计两种模式：一是主机教学仪联合多媒体设备实现远程教学的联机模式;二是主机教学仪独立使用的在机床近场区域实现机床内加工过程再现的单机模式。两种模式中视频、音频的撷取和传输采用不同系统设计与制作，然后集成为一体。

1）联机模式设计方案。联机模式设计的视频部分，分别在机床端和学生端进行撷取，大致过程如图1所示。机床端设置三个摄像头，多角度布局与撷取，有助于更清晰表现机床加工过程。学生端设置一个摄像头，用于远离学生端正在进行机床教学的教师对课堂情况的掌握。图像撷取借助于摄像头和安装于电脑主机的视频采集卡，并通过互联网或使用分频器，将撷取的图像发送到机床端显示窗口和学生端显示窗口。

联机模式下，音频的撷取与传输过程如图2所示。学生端采用内顶轨道传送装置，携带音频采集器运送至需要说话的学生位置，音频采集器撷取音频，无线发射至连接于学生端电脑主机的无线接收器，借助音响设备，广播至整个教室空间，亦传输到教师端电脑主机及音响设备。教师端直接采用便携式无线话筒，撷取的音频传输到学生端电脑主机，借助其音响设备广播至整个教室空间。

2）单机模式设计方案。单机模式设计的视频撷取和传输过程大致如图3所示。主机教学仪的三个摄像头分别从三个角度，实时观测机床内部加工特征，所采集的图像通过主机教学仪主机上安装的视频采集卡，有线发送到与主机教学仪连接的安放于学生端的显示窗口，以帮助所有学生坐在课桌旁而无须围绕在机床周围也能清晰地观看到正在进行的机加工的各个细节。因为课桌布置在机床近场位置，所以授课教师可以方便观察学生情况，即学生端无须设置摄像头。而且整个教学场所可以共用主机教学仪上的音响设备，学生端的音频采集器也借助内顶轨道传送装置传送。单机模式下音频的撷取和传输如图4所示。

3 实物样机制作

样机制作  根据以上设计方案，设计机床主机教学仪样机及其内顶轨道传送装置。图5所示为机床主机教学仪及其单一轨道内顶轨道传送装置的实物样机概念图，其中内顶轨道传送装置的轨道布局需要切实结合实际实践教学区域环境来设计，图中的框架模拟的是教室基本构架。

视频的撷取和传输  制作的联机模式的样机，机床端视频采集分成静撷取和动撷取。对整个内部加工场况的采集使用可调焦摄像头，而对具有相对运动的刀架或旋转轴等的撷取则使用自对焦摄像头，既能清晰再现运动中的机床加工情况，也能降低设备成本。在教室前方安装半球摄像头，用于采集学生端学习状况信息。机床端的摄像头有线连接至主机教学仪主机上的视频采集卡，学生端摄像头有线连接至教室多媒体主机上的视频采集卡，两相视频采集卡借助互联网技术实现相互监视，最终使得机床端摄像头所撷取的机加工图像在学生端显示窗口呈现，而学生端摄像头所撷取的远程教室内的情况也呈现在教师端显示窗口。单机模式的样机不使用学生端摄像头，机床端使用的摄像头与联机模式的相同，其撷取的图像直接有线发送到机床近场教室内的显示窗口。

音频的撷取和传输  两种模式下机床端音频的撷取使用无线话筒，学生端音频的撷取则设计了教室内顶轨道传送装置。如某学生有疑问需要发言，进行动作示意，教师通过视频获知信息与位置，可通过控制柜控制内顶轨道运送装置的机械手携带无线话筒运送至该学生处。为了准确将音频撷取的话筒运送到该学生可抓取的位置，内顶轨道传送装置设计了两关节大角度可调机械手。通过对机械手两关节处舵机的联合角度控制，从而控制两层支杆分别有效旋转至各自设定角度，使得机器手末端携带的音频采集器被定位到需要位置。

联机模式下音频的传输使用两种方式：一种是两端各自撷取的音频交叉连接至对方端的视频采集卡的音频传输模块，再通过对方端的音响设备广播;另一种是借助通用网络即时通信软件进行远程传输。单机模式下，因为近场距离小，机床端和学生端使用同一套主机教学仪上的音响设备。

4 项目实施期效

主机教学仪效果呈现  本项目的实施可以有效解决目前常规工程训练之机床教学中学生不能摆脱机床这种情况带来的诸多不利。多视角视频采集机床加工场和指导教师教学状况并传至于学生端以供学习，也能把学生端的学习状况及时反馈给指导教师，实现学生远离机床也可以进行机床学习。图6所示为机床加工场两角度视频显示视图，图7为学生端教室内景撷取模拟视图。

实施项目对中心教学工作的影响  本项目的成功实现，对南通大学工程训练中心的实践教学活动起到一定的促进作用，具体表现在以下几个方面。

1）增强教学效果。中心现有的机床教学过程中，指导教师带领小组学生围绕各机床进行教学。由于教学条件制约和教学课程紧张等因素，学生有时候只能从一个角度聆听教师的讲解，一部分学生甚至看不到教师讲述的具体内容和细节对象，造成系统知识学习中的若干间断，势必影响教学效果。本项目的实施，可以解放学生，使得学生只需坐在教室而不必围绕在机床周围，就能多角度观察教师机床教学情况，增强教学效果。

2）扩充小组容量。因为机床的本身构造和车间的教学环境，限制了每批次各小组的学生人数。根据教学进程和安排，现阶段设置的各个模块教学小组学生人数，机械类一般为10～15人，非机械类为15～20人。人数过多，学生围绕在指导教师和机床外会影响学习效果;人数过少，在相同教学任务的情况下小组数多，需增加大量教学设备、师资等投入。本项目的实施，能在不影响教学效果的前提下扩充小组人数。

3）缓解师资压力。工程训练中心每年承担着繁重的实践教学任务，人数众多，但每批次小组的学生人数受限，因此需要增加批次，中心师资压力增大。本项目的实施，能扩充小组人数，降低小组批次，缓解对师资的压力。

4）拓展教学内容。本项目实施后，方便了学生学习，从而增强了教学效果，单位时间内的教学效率也得到提高。在此基础上，指导教师各施所能，扩展各模块的教学内容，可以开拓学生知识的宽度，加大学习内容的深度，甚至可以开展教学项目的新探索。

5）促进中心建设。本中心作为省级示范中心，因本项目的成功，可以让中心的机床教学工作更加高效、便捷甚至智能化，一定程度上促进中心的建设。

5 结语

本文结合南通大学工程训练中心工程教学现状进行机床实践教学手段的探索，旨在实现机床教学过程中的师生双边活动更加高效进行。本文提出适用于远程教学的联机模式和适用于机床近场教学的单机模式两种实践教学方案，并进行了一种机床主机教学仪的研发和样机制作。应用试验表明，两种方案均可用于传统机床和数控机床的实践教学工作中。研制的机床教学仪使用便捷、效果显著，能让实习小组人数得以扩充，缓解师资压力，降低指导教师教学过程紧张度，有助于机床教学内容扩展、形式多样化开展。项目的实施能在一定程度上促进中心的建设发展。

参考文献

[1]傅水根.我国高等工程实践教育的歷史回顾与展望[J].实验技术与管理，2011，28（2）：1-4.

[2]王秀梅，孙萍茹.高等工程教育及工程技术人才培养研究[J].华北电力大学学报：社会科学版，2006（3）：128-132.