工程认证背景下“数控技术”课程教学改革研究

杨清艳 雷经发 刘伟 贾巍 张正彬

[摘 要] 作为现代机械制造中传统加工方法的替代，数控技术主要采用高速、高精度、复合、系统、智能、灵活的加工方法，是工业4.0时代不可缺少的一部分。文章根据工程专业认证计划以及工业4.0背景下对学生的培养要求和目标，分析了“数控技术”课程在机械设计制造及其自动化专业的教学现状和不足，针对“数控技术”教学大纲、教学方法、教学内容和课程考核方式提出了一些课程改革措施。结果表明，本课程应注重培养学生分析和解决工程问题能力，科学教学，不断推进机械工程数控技术教学的改革与发展。

[关键词] 数控技术;工程教育专业认证;机械设计制造及其自动化;MOOC

[中图分类号] G642.0   [文献标识码] A   [文章编号] 1674-9324（2021）04-0052-04    [收稿日期] 2020-05-08

一、引言

工程教育专业认证的核心是确认工程专业毕业生符合行业要求的既定质量标准，是针对培训目标和毕业出口要求的资格评估，是国际公认的工程教育质量保证体系[1]。机械设计制造及其自动化专业作为工程认证专业之一，学生必须学习“数控技术”，该课程是机械设计制造及其自动化专业的重要专业课程之一，内容广泛，且具有很强的实践性。根据工程認证的相关文件，深深感到目前的“数控技术”课程体系与教学模式和本校认证的培训目的和教学需求还存在一定的差距。特别是21世纪以来，在工业4.0[2，3]、智能制造[4]及“互联网+”[5]迅猛发展的形势下，高等教育面临新的挑战，必须调整人才培养模式。高等教育更注重培养学生的基本知识、基本素养和实践能力以及创新能力。为了培养出行业所认可的高水平人才，本校数控技术课题组针对该课程在教学过程中存在的问题，提出了一些改革措施。

二、工程认证背景下机械设计制造及其自动化专业“数控技术”教学中存在的主要问题

工程教育认证的核心理念是“学生中心是宗旨，成果导向是要求，持续改进是机制”。“以学生为中心”包含两层意思：其一，对学生的评价，其评价的核心是“学生表现”，即评估学生是否在学校学习期间具备了相应的素质和能力;其二，面向的对象，要求院校和专业针对的是“所有”学生。“成果导向”（即以学生学习结果为指挥棒）是工程教育认证的根本目的，是促进或提升“教育产出”即成果（学生学到内容），而非“教育输入”（教师教了什么）。工程教育认证的“成果”就是所有培养目标和毕业要求都要集中体现学校和专业使学生走向工程职业岗位时具备什么样素质和能力，并且这些素质和能力确实成了学生表现的现实（包括毕业时和毕业后一段时间）。持续改进是工程教育认证制度的一大重要特征，各专业应该用各种机制、制度和措施，以确保跟踪、评估和改进以“学生为中心”、以“成果为导向”的教学、教育、培养过程和结果。在此根据“成果导向”的教学，本校“数控技术”课程的教师从教学大纲、教学方法、教学内容和课程考核机制等方面总结了教学过程中存在的问题。

（一）教学大纲

教学大纲是与专业人才培养计划配套的指导性文件，它以纲要的形式规定了课程的基本内容、性质、任务及课程内容的深度和广度，是任课教师组织教学的直接依据。目前存在的问题主要是教学大纲规定教学时数要求与教师实际能传授内容不匹配，大纲规定的教学重点、难点不清晰或与实际教学重点、难点存在差异，多门专业课程出现内容交叉和重复。出现这一问题根源在于没有理清工程认证毕业要求与该课程目标之间的关系。

（二）教学方法

传统“数控技术”教学以教师讲解、学生听课并依照例子操作的模式进行，缺乏互动，课堂枯燥，学生学习效果不理想。特别是进行数控插补原理及控制方法讲解的时候，公式较多，单纯的教师教授，学生难免觉得枯燥，导致厌学。与培养目标严重脱节，效果不理想，最终难以做到以“学生为中心”。

（三）教学内容

“数控技术”课程教学内容主要包括：数控技术基本概念;数据编程加工代码;数控插补原理;数控装置;数控检测装置;数控伺服系统。在教学过程中，教师侧重于讲解基本概念和基本原理，教学内容不能以培养学生的动手实践能力和创新能力为目标。特别像数控编程加工代码这一块，涉及数控车加工、数控铣加工、数控钻孔加工代码编程，单纯靠上课的理论讲解难以掌握实际操作，更不能体现以“学生为中心”，难以激发学生自主积极学习和有效学习。

（四）考核方式

“数控技术”理论教学考核方式一般采用传统的“平时成绩+考试成绩”的考核方式，其中平时成绩占总成绩的30%，最终考试卷面成绩占70%，一份试卷基本决定了该课程的最终成绩，无法在最大程度上体现出学生的实践动手能力，同时在一定程度上导致部分学生“高分低能”，使得学生平时不努力学习，只需在考试前几天突击背诵相关知识点，无法真正检验学生在理解和应用知识方面的能力。“数控技术”是一门实践性很强的课程，这样的考核方式不能完全检查学生的实践能力，因此，这样的考核方式与机械设计制造及其自动化专业的培养目标、与“数控技术”的课程目标脱节。

三、教学改革的措施与方法

针对“数控技术”课程教学过程中存在的上述问题，结合《工程教育认证标准》，本文给出以下改革方案。

（一）根据毕业要求修订课程教学大纲

“数控技术”是现代制造技术的基础，是机械技术制造及其自动化专业本科生必修的专业课，是机械类专业学生必须掌握的一门实用技术。该课程不仅具有较强的理论性，同时具有较强的实用性和操作性，是一门理论性与实践性都很强的课程。通过本课程的学习，使学生掌握数字控制基础理论，掌握数控加工编程的基本方法、数控系统体系构成。在制定教学大纲的过程中，要紧扣学校、地方和国家人才培养计划和目标的要求，充分体现学科发展和教学改革的新成果，体现教学以学生为主体的思想。在此基础上制定课程大纲，其课程目标即对学生知识和能力及要求如下：①以能够正确掌握数控技术其工作特点、应用场合及在现代化制造技术领域中的重要地位。②能够掌握数控机床及其数控系统的组成和工作原理，理解计算机数控系统的软硬件结构，初步具备分析数控机床性能优劣的能力。③能够掌握数控机床加工程序的编制方法，具备编制简单零件数控加工程序的能力。④能够初步具备选择、使用、管理和维护数控机床的能力，为学习其他有关课程和将来从事数控技术方面的工程设计与开发打好必要的基础。4个课程目标对毕业要求的指标点如表1所示。在此基础上来制定每节课所授课程内容与时长。多课程之间的内容交叉部分的课程内容，可以根据该课程所对应毕业要求指标点的权重因子的大小来确定，以避免内容重复。

（二）翻转课堂的教学模式

目前，高校大部分采用传统的教学模式，主要由任课教师在课堂上讲授。由于学生在大学环境中的自由时间多和管理比较宽松，导致大多数学生基本上没有在课前预习课程，只是课堂上听课，在课后完成教师的作业，最后教师对作业给予评价和指导。这种传统课堂教学违背了工程认证以学生为中心的要求。

翻转课堂（Flipped Classroom或Inverted Classroom），主要指调整课堂教学与课外学习的时间[6]。即学生先在课外通过观看教学视频、阅读电子书、听播客等形式学习相关知识，在课堂上则集中精力进行探讨和交流，解决在学习中遇到的难题，使理解得以进一步深入。翻转课堂的教学模式是对传统教学结构与教学流程的颠覆，它将学习的决定权转移给了学生。另外授课模式转变为先学后教，先由学生课前自学，再由教师在课堂上答疑解惑，以弥补传统教学中学生不能自主预习的不足。翻转课堂教学模式下的课堂以学生为中心，大大提高了学生的学习积极性。

（三）教学内容与虚拟技术相结合

“数控技术”融合了微电子技术、计算机技术、自动控制技术、自動检测技术及精密机械等综合性技术，是一门多学科、多内容交叉的课程，其主要内容有数控程序编制、插补原理及控制方法、数控机床检测装置、计算机数控装置以及数控伺服系统。在讲授数控程序编制（包括讲授数控编程指令、数控工艺、数控操作）实践性强，如果采用传统教学方式，即单纯地进行黑板板书以及简单的幻灯片教学方法，教师即使使出浑身解数，学生依然是一脸茫然，难以理解。在进行插补原理及控制方法讲解的时候，“数控技术”中一些理论较深的数控插补原理和公式、数控装置的轨迹控制原理，在课时较少的情况下，单纯依靠教师黑板教条式教学讲解这些内容，易造成学生因难以理解而出现畏惧厌学的现象。教学方法没有达到教学效果，不能激发学生学习的兴趣，更不用说“以学生为中心”的教学。课程主要围绕“教师、教科书、教室为中心”，学生是被动的单向接受者，最终导致教学效果不理想。教师可以结合虚拟技术将原理知识呈现出来，深入了解原理知识。例如根据插补原理自行编写一个小应用程序，让学生了解逐点比较插补算法的原理、脉冲当量更透彻（图1）。再如在讲解编程的时候，合理利用数控仿真软件教学。数控仿真软件可以模拟出实际机床三维加工环境及其工作状态，让学生熟练掌握代码的使用规则，在三维数控环境中进行模拟操作演示，让学生亲眼看到如何进行工件的数控加工，学生一目了然了，教学效果良好。

（四）实行合理的“数控技术”考核方式

实践教学的质量是反映学生工程实践能力水平的关键，而传统的“数控技术”质量考核体系很难真实反映学生的工程实践能力。结合工程认证的OBE（Outcomes Based Education）的教学理念，笔者设置机械设计制造及其自动化专业“数控技术”课程的总评成绩=平时考核成绩×20%+实验成绩×10%+期末考试成绩×70%。

平时考核主要以课堂表现、出勤情况和完成作业情况为主，课堂表现即课堂听课状态和课堂随机提问，随机提问用以检测学生对知识的掌握程度，评价分数作为学生的基础平时分值，每缺勤一次扣1～2分。实验成绩包括学生每次实验课后上交的实验报告撰写情况、实验的出勤情况和学生每次实验过程中实际的操作表现。期末考试的题型以及考核知识点紧扣教学大纲，包括填空题、简答分析题和编程计算题等，尽量题目多样化，充分体现该课程的毕业要求指标点，既能兼顾基本知识点的考核，又能兼顾对学生工程实际情况的处理。提交总评成绩后，依据工程认证的标准要求，对每个毕业要求指标点分项求出各指标点对应的平均分，计算“数控技术”对各指标点的评价值，从而获得“数控技术”课程的达成度评价报告。“数控技术”所对应的毕业要求指标点如表1所示，表2为近两年该课程所对应的各指标点的达成度。根据本校相关要求，本科毕业生学业成绩平均学分绩点达到1.8及以上可授予学位，换算成百分制平均分为68分及以上，据此设定毕业要求达成度评价值大于0.68即为“达成”。可见，2016年与2017年的“数控技术”达成度均满足要求，并且体现了“以学生为中心”“成果为导向”的理念。针对薄弱环节，教师深思导致的原因，从而改进下一次的教学方法或者其他，使得达成度呈递增的趋势。由表2可见，基本上达到了工程认证对机械设计制造及其自动化专业学生学习“数控技术”的要求和目标。

四、结语

根据“数控技术”课程特点和内容，以及工程认证要求，发现基于成果导向的教学比传统教学其目标性更明确，更有助于教学;分析了目前“数控技术”课程的不足，并提出了改进的措施，理论和实践相结合，希望能激发机械设计制造及其自动化专业学生的学习兴趣，培养学生的实践能力、创新能力和解决实际问题的能力。

参考文献

[1]胡文龙.工程专业认证背景下的高校教师教学发展[J].高等工程教育研究，2015（1）：73-78.

[2]张曙.中国制造企业如何迈向工业4.0[J].机械设计与制造工程，2014，43（12）：1-5.

[3]周济.智能制造：“中国制造2025”的主攻方向[J].中国机械工程，2015，26（17）：2273-2284.

[4]朱剑英.智能制造的意义、技术与实现[J].机械制造与自动化，2013（3）：1-6.

[5]柳洲.“互联网+”与产业集群互联网化升级研究[J].科学学与科学技术管理，2015，36（8）：73-82.

[6]周碧雯.基于慕课平台的翻转课堂教学效果研究[J].西安政治学院学报，2016，29（1）：113-117.