数控机床课程虚拟与现实教学方式探索

姜杰凤 吴小涛 袁鸿斌 顾 勇

（杭州师范大学钱江学院，浙江 杭州 310036）

“新工科”建设号角已经吹响，如“新工科”建设复旦共识、“新工科”建设“天大行动”。国家正在实施“中国制造2025”“互联网+”等一系列重大发展战略，培养科学基础厚、应用能力强的工程科技人才［1-3］。机械设计制造及其自动化作为典型的传统工科专业正面临着“新工科”建设的机遇和挑战。数控加工技术代表着机械制造的发展方向，作为“智能”制造的重要分支，是各高校机械专业及相关工科专业的核心课。目前，很多数控技术和数控机床课程的教学内容设置和教学模式不足够合理，照本宣科的灌输式教学，学生被动学习，掌握知识不牢固，应用创新能力差。数控技术方面的课程改革也在如火如荼地进行着，体现在数控技术（包含数控机床内容）、数控工艺编程和数控机床调试和维修等课程［4-10］。在新工科建设和课程建设的背景下，数控机床需要进行更加深入的教学改革。特别是有关于机械部分不仅是在教学内容上，更应考虑在教学方式上探索改进。

1 问题和对策

笔者通过数控机床课程的几年讲授经验，在教学中发现很多问题，有几个比较典型：①由于数控机床是一个复杂综合的机电装备，数控机床机械系统的模块区分不够明确，辨识度低。②利用课本上的二维示意图讲解机床机械结构时，很难引起学生的兴趣，很多空间装配连接关系较难读懂，课堂上学生参与度低，教学效果不理想。③数控机床是一个典型的机电一体化产品，许多机械机构可以应用在其他机电装备上，而学生未能从数控机床中汲取应用创新的营养，更难以做到学以致用。根据上述典型问题，对数控机床课程进行教学改革，来探索新的教学形式：采用典型案例的模块化教学方式，提高教学内容辨识度；尝试将“虚拟技术”（即三维软件环境）引入到教学环节，提高学生参与度；并引入以应用为导向的“现实”实验，拓展应用范围。最终，期望学生能够真正掌握知识，提高能力，学以致用。

2 改革方案和内容

本教学改革的实施方案如图所示。首先，收集和整理典型机床资料，以数控车床和立式加工中心为典型案例，进行模块化划分。其次，将教学内容分为理论讲解和“虚拟”操作。虚拟操作环节中，教师准备二维图纸，学生在虚拟环境下进行三维造型装配。再次，在实验方面，利用数控机床进行直观演示，利用自制的三坐标进给实验装置进行综合的应用拓展。本课程改革以期达到教学内容高辨识度、课堂学习高参与度、高应用性的教学效果。

实施方案图

2.1 教学内容的模块化设计

将数控机床（机械部分）分为主传动系统、进给系统、自动换刀（机械手）系统、液压气动系统等几个主要的模块，进行层次清晰地模块化教学；具体以某数控车床和某立式加工中心为典型案例，将其分解为主传动、进给传动、自动换刀等分系统各个模块，为后续内容讲解，特别是“虚拟”操作打下基础。

2.2 高参与度的虚拟操作

针对原来基本内容全讲解、学生参与度低的教学方式，探索内容讲解和“虚拟”操作并行的教学新模式。除实验学时外，内容讲解和虚拟操作的比例为1∶1。“虚拟”操作具体指利用计算机三维软件（Solidworks、UG等）这一虚拟环境，以模块化的典型案例为素材，学生参与操作，提高其积极性。以某数控车床的主传动为例来讲，教师适当讲解主传动类型和主轴支撑等内容；然后，由教师准备主传动关键零件（如箱体、主轴）二维图纸并提供标准件（如轴承、螺钉等）三维模型，学生来进行关键零件的三维造型；最终，学生根据部件二维装配图完成主传动部件三维装配。

2.3 应用导向的现实实验

在内容讲解和虚拟操作的基础上，增加应用导向的“现实”实验。新购置的实验教学用数控铣床，关键零部件裸露可见，配合车间数控车床和加工中心（相对封闭），可为学生提供直观的演示实验。针对本课程已设计制造并搭建完成了三坐标进给实验系统，可作为数控机床传动知识的应用，同时也可展示从软件控制到电机再到机械整条线的设计与实现，使学生深刻理解机电一体化产品，为拓展应用打下基础。

3 结论

通过内容划分和整合，形成了层次清晰、模块化的教学内容体系；通过资料搜集和图纸绘制，建立了适合学生虚拟操作的二维图纸和三维模型库；通过开发实验平台，增加了应用导向的实验。经过以上课程“虚拟”和“现实”教学方式改革措施探索，提高了学生的课堂参与度，加深了对课程内容的理解，为学生应用创新打下了基础。