基于工作过程导向的多轴加工专业数字化资源开发路径研究

马长春 鹿晓宁 程华

摘 要：本文根据北京汽车技师学院多轴加工专业数字化资源的开发案例，提出将“资讯—计划—决策—实施—评估—反馈”的工作过程理论引入资源开发过程，总结出“解析人才模型—确定学习场景—选定实验DEMO—制作交互式资源”的四步骤开发路径。聚焦学习场景设计难题，创新性地提出“确定学习路径—设计学习场景—设计交互行为—素材收集”的四步骤开发策略，为同类型数字化资源的开发提供了可参考的路径。

关键词：数字化资源 多轴加工 开发路径 工作过程

随着供给侧改革的深入和产品的不断升级，多轴加工技术和设备以加工精度及加工效率较高的优点广泛应用于航空航天、交通运输、设备制造等高端制造业。由此，社会对多轴加工技能人才的需求也随之增大，对人才培养的数量和质量都提出了更高的要求。但由于多轴机床设备昂贵、实训成本居高不下等原因，多轴加工专业的实训学时始终难以增加。

在国家“互联网+”行动计划的大背景下，北京汽车技师学院以构建多轴加工专业学习资源为导向，尝试将“资讯—计划—决策—实施—评估—反馈”的工作过程理论融入开发过程，形成了学做一体的学习资源，为提升多轴加工技能人才的培养质量奠定了基础。

一、多轴加工技能人才培养的现状和困境

北京汽车技师学院于2017年开设多轴加工专业，涵盖中级工、高级工、预备技师三个层级，为现代制造企业培养多轴加工技能人才。多轴加工专业开设了文化课程、数控类专业基础课程及面向多轴加工的专业核心课程。其中，多轴编程与加工技术课程是多轴加工专業的核心课程，旨在培养该专业学生五轴数控机床操作及加工等多方面的综合能力。

为保障多轴加工专业的教学质量，北京汽车技师学院先后斥资千万余元购进了十余台DMU50等型号的五轴数控机床用于多轴加工专业教学。采取“做中学、学中做”的理实一体化教学模式，学生可在工作页的引导及教师的指导下完成技能的学习与训练，实现了师生间的合作化学习，有效提高了学生的专业能力。

但受高端机床设备购置价格高昂等因素困扰，多轴加工专业教学依旧存在学生人数与设备工位数不匹配、学生有效训练学时偏少等问题，教学效果不理想。

同时，学生在进行五轴数控机床入门操作学习时，由于缺乏经验、操作不熟练等多方面原因，常常出现设备损坏、危险操作等问题，从而导致培训成本大幅提升，使训练工位不足等问题更加突出。

因此，如何在入门阶段利用数字化的手段改进学习方式、提高训练效率，成为多轴加工专业发展亟须解决的问题。

从多轴加工专业现有的学习资源来看，主要以书籍等参考资料为主，涉及的内容主要是针对五轴数控机床的操作和CNC编程软件的功能指令的学习，学习内容碎片化，不利于学生形成系统性的逻辑思维。

北京汽车技师学院尝试采用超星、畅课等网络平台，以及虚拟仿真技术、VR/AR、微课、视频及图片、Flash动画、网络视频资源等多种教学手段辅助多轴加工专业教学。这些信息化教学手段虽然在一定程度上促进了多轴加工专业的教学质量提升，但与多轴加工专业教学过程的结合度较低，且不能实现良好的教学互动。

二、基于工作过程导向的数字化资源开发路径构想与设计

基于上述原因，北京汽车技师学院拟开发面向多轴加工专业的数字化资源，使学生在进行实际机床操作之前就熟悉并掌握五轴数控机床的主要知识和技能，为实际上机操作打下基础，有效加快了学习进程、提高了学习效率，最终形成了“模拟练习+上机实操+顶岗实习”相结合的三位一体的多轴加工专业人才培养模式。

结合北京汽车技师学院课程改革成果，笔者依据“资讯—计划—决策—实施—评估—反馈”的工作过程理论，结合多轴加工技能人才职业能力要求，构想并设计了“解析人才模型—确定学习场景—选定实验DEMO—制作交互式资源”四步开发路径，具体如下。

（一）解析多轴加工技能人才模型，识别人才成长路径

通过对多个数控加工企业进行充分调研，笔者发现企业对多轴加工技能人才的岗位需求主要集中于机床操作、CNC编程、工艺编制、产品质量检验及技术支持等几个方面。通过岗位调研及对多轴加工岗位工作过程的分析，笔者确定多轴加工各岗位所需要掌握的主要技能。

从岗位发展曲线看，多轴加工专业毕业生所从事的岗位工作涉及初级、进阶和高级三个阶段。

初级阶段主要涉及机床操作类工作，需要掌握识读图纸、选配刀具、多轴数控机床基本操作等职业能力，其中基本操作涵盖机床开关机、坐标轴移动、工件找正、对刀操作、3D Quickset、校准回转轴等。

进阶阶段主要涉及数控编程和加工岗位，需要掌握阅读图纸，使用Mastercam等软件编制加工程序、操作多轴机床进行零件加工等职业能力。

高级阶段则需要掌握加工工艺制定、工装夹具设计、加工质量管理、技术支持等职业能力。

岗位发展的三个阶段是逐步递进、终身发展的过程。其中，初级阶段主要是进行多轴加工基础操作技能的学习。该阶段是多轴加工技能人才成长路径的基础期和塑造期，是技能型人才知识和技能的积累阶段，在整个技能人才成长过程中发挥着重要的作用。

（二）确定多轴加工学习场景，构建数字化资源框架

围绕多轴加工技能人才成长过程中初级阶段的培养目标，以多轴加工专业的岗位能力需求为依据，以“资讯—计划—决策—实施—评估—反馈”的完整工作过程理论为出发点，结合多轴加工专业的人才培养方案及课程标准，建立了数字化资源场景框架，将多轴加工技能人才入门学习内容聚焦在设备识别和开关机、坐标系建立、轴移动操作、刀具识别、精度标定、工件找正6个关键模块，每个关键模块根据岗位能力要求细分为20个子模块。

其中，设备识别和开关机模块细分为五轴加工中心概述、设备开关机、MDI操作等子模块;坐标系建立模块细分为笛卡尔坐标系认知、测头手动建立工件坐标系、Z轴及正反方向识别等子模块;轴移动操作细分为轴X、Y、Z向移动及a、c轴回转运动等子模块;刀具识别模块细分为刀具识别、刀具表建立、刀库装刀等子模块;精度标定模块细分为测头标定、主轴端面Z向精度标定等子模块;工件找正模块细分为工件平行、垂直及圆柱找正等子模块。

（三）选定实验DEMO，设计多轴加工学习场景

在以上20个子模块中，测头手动建立工件坐标系子模块是数控加工中一个相对独立且完整的工作环节，同时也是使用机床进行加工的基础环节。工件坐标系的建立方法是现代制造产业工人，尤其是五轴数控机床操作人员必须掌握的关键技能。因此，北京汽车技师学院将测头手动建立工作坐标系子模块选为资源开发实验性样本。

北京汽车技师学院在测头手动建立工件坐标系子模块资源开发的过程中，在德马吉和西门子多位数控专家的协助下，结合多轴加工专业的教学现状将该工作场景转化为学习任务“利用DMU50多轴机床对指定零件手动建立工件坐标系”，并依据完整工作过程和学生学习过程对该任务的学习路径进行设计。

笔者针对学习任务制定了“确定学习路径—设计学习场景—设计交互行为—素材收集”的四步骤开发策略。

首先，依据“资讯—计划—决策—实施—评估—反馈”的完整工作过程，以学生为主体分析开展此项工作的详细内容。让学生从了解任务说明入手，进而掌握手动建立坐标系的思路、理解坐标系建立流程，并开展相应的建立坐标系作业，确立详细的工作步骤和具体内容，明确每个步骤的技能要点。

其次，基于学生学习视角，针对每个工作步骤的内容和要点设计相应学习场景。每个场景以沉浸式学习为导向，通过语音、画面等形式引导学生进入模拟的工作场景进行学习。

再次，对每个学习场景中的操作过程进行分析，对于关键点的操作创设选择弹出框、警示音、操作提示等交互要素并创设交互行为，要求学生对当前情况给出判断并及时反馈判断信息，瞬时强化关键技能点的学习。为了巩固学习效果，笔者特意设计了练习场景，学生可以对学习场景中的关键技能点进行复习，强化了学习效果。

最后，针对场景和交互设计整理和设计相应的图片、文字、影像素材，这对学习者的学习起到了良好的辅助作用，确保了资源开发的可行性。

学习任务“利用DMU50多轴机床对指定零件手动建立工件坐标系”依据上述四步骤开发策略进行数字化资源的脚本设计开发，为后期工作提供依据和基础。

（四）制作交互式数字化资源

聘请专业的拍摄团队进行数字化资源前期视频拍摄，并以脚本为依据将游戏、三维、动画、交互等元素融入资源制作，开发测头手动建立工作坐标系子模块的数字化资源。

该子模块资源依据完整工作过程，将操作进程分解为“作业准备—激活坐标系—调测頭—找正工件—建立工件坐标系—坐标系验证—还测头”7个关键工作步骤。学习者需按照这7个环节依次进行学习，每个环节需完成“学习—练习—测试”3个模块的学习。测试模块通过后，学习者方可进入下一环节的学习。

数字化资源的设计借鉴了游戏的“闯关”模式，符合职业院校学生及企业培训员工的个性特点。同时在学习者“闯关”的过程中，加入了“声效”等游戏元素，有效吸引了学生的注意力，有利于提高学生学习积极性。

（五）实验验证学习效果

北京汽车技师学院多轴加工专业高级工一年级的学生尚没有对五轴数控机床操作知识进行系统学习，仅能够操作三轴数控机床进行简单零件的加工。故将手动建立工作坐标系子模块的数字化资源学习围绕该层级学生进行实验。经过综合考虑，选取2018级13班和14班为实验对象。这两个班的学生基础水平相近，有利于对最终结果进行综合评估。

2018级13班21名学生在教师的引导下，在数字化资源环境中进行自主学习，独立完成该子模块的测评工作页。2018级14班20名学生则是在教师讲授、演示的基础上，独立完成测评工作页。工作页围绕手动建立工作坐标系子模块应掌握的关键知识点和技能点共设置了9个引导性问题。

统计两班学生工作页的最终成绩，2018级13班学生的综合得分率为85.33%，2018级14班学生的综合得分率为75.11%。实验数据表明，在数字化资源指导下的学习效果明显优于目前常规的教学方法。

根据学生具体学情将2018级13班学生分为3个小组，通过分析，各小组的平均得分率分别为87.56%、82.89%和85.22%，实验数据说明，数字化资源对于不同类型学生的学习效果非常明显，资源的适应性较好，适用于不同学习能力的人群，能够覆盖全体学习者。

后期通过教学数据的实时反馈不断完善数字化资源，最终形成适合北京汽车技师学院多轴加工专业教学成熟的教学资源，并以此为范本，进行其他模块的数字化资源开发。

三、工作过程导向开发路径的评估和反思

通过收集数字化资源在多轴加工专业教学中应用的意见反馈，数字化资源使用满意率达到90%。学生能够利用数字化资源积极主动进行学习，有效提高了学习效率和质量，说明笔者提出的将“资讯—计划—决策—实施—评估—反馈”工作过程理论应用于数字化资源开发是行之有效的。

资源应用效果也进一步验证了“解析人才模型—确定学习场景—选定实验DEMO—制作交互式资源”四步开发路径和“确定学习路径—设计学习场景—设计交互行为—素材收集”的四步骤开发策略的有效性，为职业教育领域数字化资源开发提供了可参考的开发路径与方法，对混合式学习模式下学习资源开发和人才培养形成了有效助力。

数字化资源的开发不是一蹴而就的，需要根据时代特征及学情，针对教学中不断出现的新问题，与时俱进、不断完善，形成适应专业教学需要的教学资源，对教学工作形成有效助力。

参考文献：

[1]王红军，陈劲.高层次高技术创新型人才培养模式研究[J].科技进步与对策，2012（7）.

[2]吴向文.数字化学习资源中多媒体画面的交互性研究[D].天津：天津师范大学，2018.

[3]马九克.微课视频制作与翻转课堂教学[M].上海：华东师范大学出版社，2016.

（作者单位：马长春、鹿晓宁，北京汽车技师学院;程华，北京华夏捷瑞教育科技有限公司）