“新工科”建设背景下应用型本科数控编程及加工课程改革研究

贾孝伟 宋卫海 刘明明 李曰阳

（山东农业工程学院机械电子工程学院，山东 济南 250014）

0 引言

2013 年汉诺威工业博览会上，德国工业4.0 工作组作了 《保障德国制造业的未来——关于实施工业4.0 战略的建议》的总结报告，报告提出了工业4.0 的概念。为对接德国“工业4.0”，自2015 年5 月国家有关部门印发了一系列有关制造业发展的文件，包括《中国制造2025》（国发 〔2015〕28 号）《制造业人才发展规划指南》（教职成〔2016〕9 号）。根据文件中指出的制造业发展存在的人才缺口问题，自2017 年2 月，教育部积极推进新工科建设，形成了“复旦共识” “天大行动”，探索工程教育的中国模式、中国经验，培养人才，助力中国制造业发展。

山东农业工程学院坚持“以农为基，以工为主，农工融合”的办学定位，形成了以工学为主体、农业工程为特色的学科专业体系。学校对2019 级机械电子工程专业（本科）进行了“新工科”专业教学改革，着力培养一批能在机械电子工程领域（特别是智能农业装备与系统方向）从事设计开发、运行管理、技术服务等方面工作的高素质创新型应用人才。

《中国制造2025》提出要开发一批精密、高速、高效、 柔性数控机床与基础制造装备及集成制造系统，加快高档数控机床、增材制造等前沿技术和装备的研发。《制造业人才发展规划指南》列出的“制造业十大重点领域人才需求预测”，也包含高档数控机床领域。作为机械电子工程专业的一门专业课，数控编程及加工综合了“机械制造技术”“现代机床设备”“数控编程加工”等多学科的知识，是智能加工的初级形式，与智能加工有着密切关系，在新工科建设中，对其进行教学研究具有重要意义。

1 数控编程及加工课程的现状与问题

山东农业工程学院机械电子工程专业的数控编程及加工课程开设在第6 学期，教材选用高等教育出版社陈洪涛主编的数控加工工艺与编程（第三版），主要讲授数控加工工艺基础、数控编程基础、数控车床镗铣床和加工中心的加工及其程序编制，以及数控电火花线切割加工等理论知识，并安排数控加工实验。

课程现状和存在的问题主要有以下几点：

（1）学习内容多，课时少，教学方法较为传统：为适应新工科建设，学校在学生人才培养方案中增加部分智能控制相关课程，对数控编程及加工的学时进行了适当压缩，总学时由原来的48 学时改为32 学时，理论16 学时、实践16 学时，理论授课与实践分开进行。理论教学采用课堂多媒体教学，通过幻灯片讲授数控加工工艺基础、数控编程基础、数控车床镗铣床和加工中心的加工及其程序编制等知识，以教师讲授、学生被动接受的灌输式教学为主；实践教学主要分为两个模块，包括基于数控仿真软件的数控车床及铣床的仿真操作教学和数控加工实际操作。

（2）理论学时在前，实践学时在后，理论与实践不能结合：数控编程及加工课程理论授课与实践分开进行，先理论后实践的教学模式使学生的理论学习与实践分离。在理论学习过程中，学生因为对数控加工没有直观认识，没有带着任务和问题有针对性地进行学习，缺乏学习目的、兴趣和动力，难以掌握数控技术理论知识。在进行实践教学的时候，数控技术理论知识不扎实的问题又会反过来影响实践，比如因为没有掌握编程知识，学生无法独立读懂、编写数控程序，导致学生实践学习参与度低。这种先理论后实践，理论与实践脱离的教学方法难以激发学生的学习兴趣，保证教学质量。

（3）片面重视数控加工程序的编制，忽视零件数控加工工艺的分析：数控编程及加工教学过程片面重视数控加工程序的编制，偏重编程指令格式及应用的讲解，忽视对零件数控加工工艺的分析。在实际数控加工中，数控编程指令需根据数控加工工艺编写，没有具体合理的加工工艺，数控编程无从谈起。在实际生产中，数控加工工艺制定也是工作人员必备、新入职人员又缺乏的能力。

（4）课程考核以闭卷笔试为主：试卷注重考查学生数控加工技术的基本知识，学生往往通过死记硬背课本知识来应付考试，实际编程、加工能力难以得到提高。

2018 年2 月教育部发布的《普通高等学校本科专业类教学质量国家标准》强调，大学生本科专业教育质量评价要突出学生中心、产出导向、持续改进。学校目前的数控编程及加工教学现状，仍然以教师教授为中心，不能较好地激发学生的学习兴趣，提高学生的操作能力，难以培养出满足需求的人才，为更好地建设新工科专业，数控编程及加工课程改革势在必行。

为解决传统数控编程及加工教学偏编程、不重工艺和加工的问题，更好地提高学生实际工程技能，通过参考相关研究，对数控编程及加工课程进行了教学改革，改革后的数控编程及加工课程采用项目化教学法，在理论学习之前先对学生进行数控加工通识教育，激发学生对数控编程及加工的学习兴趣和动力，学习过程中，注意引导学生学习数控加工工艺知识，并在学生毕业设计中引入数控机床设计及数控加工相关题目，提高学生的数控机床设计、加工、操作能力和创新意识。

2 数控编程及加工课程项目化教学目标

为切实提高教学质量，针对学生因为没有带着任务、问题进行数控编程及加工学习的情况，决定在教学改革中采用项目化教学法，项目取材于学生校外实践基地，并设置了明确的课程教学目标。

（1）知识目标：熟悉数控技术的基础知识，了解数控机床结构及工作原理，掌握数控加工基础与编程知识。（2）能力目标：掌握简单的数控加工技术，能够进行简单的数控加工工艺设计、数控加工操作。（3）素质目标：具有认真仔细、实事求是、精益求精的学习态度、良好的实验习惯和对实际加工问题的观察、分析、判断、解决能力。

3 数控编程及加工课程项目化教学设计

数控编程及加工课程项目化教学改革，从课程内容、实施方法、评价方式和课程活动四个方面进行了教学设计。

（1）课程内容：根据项目化教学设计要求，对课程内容进行重构。课程教学内容打破常规的知识化章节形式，选择工业项目作为教学核心，以项目进度串联起课本知识点。工业项目从学生校外实习基地得到，有联合收割机混流风机的风机法兰、轴承座、风机轴和全开式水泵叶轮加工。

（2）实施方法：为实现项目化教学，教学过程采用多种教学方法。为让学生了解实际生产中的机械加工情况，本课程利用学生学年综合实践的机会，让学生到农业装备生产企业调研农业装备生产制造技术。开展项目化教学，可使学生带着问题有目的地学习。教学采用翻转课堂，学生提前学习，节省课堂教学时间，并在课堂教学中引入视频资源，使学生直观了解数控加工过程，在较短时间内达到教学目标。

（3）评价方式：课程基础知识评估仍以卷面考试为主（满分100 分），占40%。卷面考试虽然不是工程科目最好的考核方法，但对于基础知识，考试是较为客观的评估方式。试卷命题以工程应用为目的，对考试内容、 出题方法进行设计。项目执行考核评价占60%，考核评价过程如下：考核评价分为过程考核和总结考核两个部分。过程考核中，学生需要在工艺图纸设计阶段，讲解零件的设计思路，画出工艺图纸；在数控程序编制阶段，按照工艺图纸，编写数控加工程序；在实践环节，进行软件仿真加工和实际机床操作。教师需对每个环节进行评价打分，满分100 分，取各环节平均分作为过程考核分。项目完成后，学生上交项目完成总结报告和所加工零件，教师对零件质量和报告质量进行打分，作为总结考核分（零件质量考核占60%，报告质量考核占40%，满分100 分）。最后将过程考核分和总结考核分按60%、40%计算得到项目执行考核分数。评价过程涉及学生学习的每一个环节，侧重于评价学生数控加工技术的实际应用能力。

（4）课程活动：毕业设计是工程学科教育教学的重要环节。为加强学生对数控编程及加工课程的学习，巩固提高其知识能力，在学生毕业设计阶段融入数控加工技术，进行数控机床结构、控制系统设计开发，关键零件的数控工艺制定、加工程序编写和加工操作等，通过机床设计，数控加工，加深学生对数控原理、装置、伺服系统、数控机床结构和数控加工技术等模块知识的理解。

4 课程项目化教学改革实践

（1）在学习之初，为学生确定如下课程目标。在课程学习过程中，学生要针对数控加工项目，按照课程学习进度，读图、分析零件图纸、制定加工工艺、编写加工程序、选取毛坯和刀具、用软件进行仿真加工，最终在数控机床上加工出满足设计图纸要求的零件，将课程教学过程与项目执行过程融为一体。学生要确定零件加工工艺方案、加工参数和加工路径，完成项目工艺卡片和加工程序等技术性文件，教师以此对学生进行考核总结。

（2）确定数控加工项目，项目内容的确定和分配遵循“实用性、可行性和综合性”原则。实用性要求项目要贴近实际生产实践，让学生切实体会到学有所用；可行性是指项目要难度适中，学生经过一定努力能够完成；综合性是指项目要尽量多包含与数控技术有关的知识点，让每一个项目都能使学生巩固数控技术知识点。

（3）在理论学习之前先对学生进行数控加工通识教育。通过观看数控加工视频和参观数控加工车间，让学生对数控加工有一个直观认识。指导学生在通识学习过程中构思项目的加工方法，激发学生分析图纸、制定加工工艺和编写加工程序的兴趣，使学生带着问题进行后面的理论学习。

（4）改革理论学习。精选理论知识内容，如对基本概念、基本原理、编程技术、原理进行讲解，强化知识在加工工艺分析和编程中的有效性。为弥补理论学时不足的问题，在理论教学方面，采用线上、线下结合的模式。适当引入“翻转课堂”教学方法，教师根据教学安排，通过布置课后问题的形式指导学生预先在网上学习相关知识，课堂上对这些问题进行问答、讨论，激发学生的学习兴趣和自学能力。线上线下学习与课堂讨论可以提高学生的学习效率，在保证教学质量的同时，缩短线下授课时间。

（5）数控编程及操作实践性强，考验学生的实际操作能力，是数控编程及加工的重要部分，为使学生较好地掌握数控编程及操作，要保证学生有足够的时间进行上机操作。在学生完成理论学习，能进行基本的工艺分析和编程后，安排学生针对项目运用数控仿真系统进行仿真加工，教师要利用案例教学法对学生进行引导，对学生数控仿真软件和数控机床的使用进行必要知识和技能的培训。

（6）数控加工。根据学生平时的学习成绩，有针对性地将学生分成不同小组，3～5 人一组，成立数控加工小组，分别负责工艺制定、数控程序编写和数控加工。产品加工完成后，分别对过程中制定的零件加工工艺和零件成品的加工精度进行评价打分。

5 结语

（1） 在理论学习之前增加数控加工通识教育，使学生对数控加工有了直观了解，激发学生学习数控加工技术的兴趣，使学生能够带着问题进行理论学习，能够在理论学习过程中进行操作想象，听课时更有目的性，更有情境感。

（2） 理论学习过程以数控加工项目为切入点，课程每一部分对应项目的一部分任务，并将任务完成结果作为评价学习情况的重要参考，使数控加工项目与数控编程知识学习密切结合，实现理论学习与实践相结合，提高学生实践能力和工程素养。

（3） 将数控机床设计和数控加工融入毕业设计中，进一步巩固了学生对数控加工技术的学习，使学生从数控机床的结构、 工作原理到数控加工技术，有了全面了解，其中数控加工工艺的制定和数控加工操作使学生对未来本行业的工作有了初步认识，使其在毕业就业后能很快融入实际生产工作中。