成果导向BOPPPS教学模式的应用研究——以数控技术课程为例

李耀辉， 师路欢

(许昌学院 电气与机械工程学院，河南 许昌 461000)

随着计算机信息技术和制造自动化技术结合得越来越紧密，作为自动化柔性生产重要基础的数控机床在生产机床中所占比例越来越大.而数控技术课程以智能控制与制造技术为导向，使学生具备数控技术方面的专业知识、较强的分析与解决问题能力和较高的专业素养[1-2].该课程的知识面广、理论性强、内容比较抽象和枯燥[3].教学过程中，存在以教师讲学生听为主，线上资源利用不足，学生在学习过程中积极性不高，教师也不能及时了解学生的动态等问题.这种教学模式不利于学生自主学习能力的培养和综合素质的提高[4].基于此，提出了一种基于成果导向虚实结合的BOPPPS教学模式，使学生重拾学习的信心，增加对课程的关注度，真正落实学生为中心、教师为引导的理念，进而培养学生的创新意识，落实学生的创新行为，最终实现学生综合素质的提高[5-6].

该教学模式将教学内容模块化，以典型工作任务的需求确定教学目标，以编程软件、仿真软件和数控机床为依托，驱动学生达到预定的教学效果，体现教学过程中学生真学真做，然后以成果为导向，引导学生自学自悟，真正“悟”出课程中所蕴含的道理和意义，利用超星网络教学平台和中国大学MOOC等优秀的线上教学资源，结合线下，加入质疑问难式、启发讨论式、自读自悟式教学模式，将其融入课前、课中和课后三个阶段，真正落实以学生中心的理念，从而培养学生创新意识，最终落实学生创新行为的培养.

1 教学内容模块化

传统的教学内容章节之间联系不是很紧密，模块化后把各个章节内容有机的、系统的结合在一起，消除了章节内容联系不紧密的弊端，使学生真正地理解教学内容之间的联系，“数控技术”模块化示意图如图1所示.将“数控技术”内容分成数控加工程序输入及预处理、轮廓插补原理、进给与主轴运动控制、数控加工程序编制4个模块.在教学过程中通过下发任务进行教学，将教学任务细分成四个子任务层：掌握加工程序的输入和预处理、掌握轮廓插补原理、熟悉进给与主轴运动控制和误差计算、掌握数控加工程序编制并能够进行常见零件轮廓的代码编写.基于子任务层，形成每个任务的知识点层和问题层.

2 BOPPPS融入过程——以“插补算法”为例

针对课程实施过程中 “插补算法”子任务，以“一点两线三围绕”为切入点，通过BOPPPS模块辅助教

图1 “数控技术”教学内容模块化

学[7-8]，并根据知识特点将导入、教学目标、前测、参与式学习、后测和总结六个环节分别融入课前、课中和课后三个阶段进行具体的实施.

2.1 导入

为了将学生的注意力引入到插补运算中，教师播放学习通中推送的东芝事件中数控加工案例视频，按照螺旋桨噪声减少→高精度数控机床→提高加工精度→进行插补运算这个过程，让学生猜想如何才能减小螺旋桨噪声，选择高精度数控机床如何提高加工精度，通过一问一答的形式逐步引出“插补运算”.用真实的案例体现插补算法的价值和意义，同时加强学生对插补理论的感官认识，从而在插补理论与实践应用之间架起沟通的桥梁.

2.2 教学目标

依据学校文件“毕业要求1工程知识”中的“掌握机械设计制造领域的专业知识，使学生了解其他插补方法”；“毕业要求3设计/开发解决方案”中的“能够综合运用专业知识对机械设计制造领域复杂工程问题的设计方案进行优化”，利用逐点比较法、数字积分法、数据采样插补方法提高零件轮廓加工精度；“毕业要求5 使用现代工具”中的“具有合理选择与使用机械工程实践中所需的现代工程技术、方法和工具的能力”，利用插补算法制造更为复杂且精密的零部件，将该知识点的主要内容划分为逐点比较法算法原理与计算方法、数字积分插补算法原理与计算方法、数据采样插补算法原理与计算方法、其他插补方法的原理和计算方法.基于此，要求学生对“常用插补方法的原理与计算”这一重点内容做到灵活运用，对难点内容“其他插补方法的原理与计算”做到清楚明了，从而确定该子任务的知识目标、能力目标和育人目标.

知识目标：了解轮廓插补的基本概念、基本理论和基本计算方法，掌握逐点比较法直线和圆弧插补、数字积分法直线和圆弧插补、数据采样法直线与圆弧插补的具体实现过程.

能力目标：根据插补方法提高学生的认知能力和实际应用能力，并能够根据插补流程完成Matlab程序的编制.

育人目标：激发学生的爱国情怀和民族自豪感，激励学生不忘初心，树立坚定的信念和正确的价值导向，使学生具备精益求精、尽善尽美的制造精神.作为当代一名机械专业本科生，关注国家制造业的发展，从而为毕业后从事机械制造业做铺垫，为国家未来的工业机械制造业贡献自己的力量.

2.3 前测

首先带领学生回忆像素成像的基本原理和计算过程；接着，将像素成像原理与轮廓插补原理进行对比、分析，判断它们是否相同；进一步，让学生判断东芝事件所反映出的零件轮廓插补是否对设备精度存在一定的重要性.将以上调查结果投影到大屏幕上，大家集体讨论、观察规律、得出结论.该过程能够帮助同学们快速回忆插补算法中的相关知识点，让学生明白轮廓插补是该知识点的重点前测内容.最后，通过学生分组讨论和结果展示，不仅让教师能够了解学生对插补知识的储备并且及时对课程内容进行调整，还可以让不同层次的学生对自己知识掌握度有一个正确的认知，为后续的学习做准备.

2.4 参与式学习

2.4.1 教师根据零件轮廓尺寸，结合精度和工艺等方面的要求，展示在已知刀具中心轨迹转接点之间插入若干个中间点的过程，用Matlab编程实现逐点比较法插补实例，如图2所示，计算出每一段零件轮廓起点与终点之间所有插入点的坐标值，并控制刀具依据这些坐标值从起点运动到终点，引导学生猜想插补的原理和计算方法.学生观察图2中逐点比较法的插补过程，从理论上理解逐点比较插补，进而猜想逐点比较插补的分类以及不同插补原理之间的区别.

2.4.2 教师给出在刀具按要求轨迹运动加工零件轮廓的过程中，不断比较刀具与被加工零件轮廓之间的相对位置，并根据比较结果决定下一步的进给方向，使刀具向减小误差的方向进给，并提出可以选用哪些方法进行插补；在进行插补时，需要注意哪些关键因素；如何具体实现各种插补等问题.学生通过小组讨论，进而总结出：逐点比较法是偏差判别、坐标进给、偏差计算和终点判别；数字积分法是实现多轴联动，可进行空间直线和曲面的插补；数据采样法是使用一系列首尾相接的微小直线段逼近给定轮廓.让学生从自身的角度解决插补难题，以此来获得深层次理解.

图2 Matlab编程实现的逐点比较法插补的实例

2.4.3 教师根据各组的讨论结果，分别用不同的插补方法演示插补的过程，引导学生理解逐点插补在不同象限的直线和圆弧插补算法的不同，以及不同插补方法之间的联系和区别.学生根据教师提出的问题，回想不同插补方法的演示过程，将不同的插补方法放在一起讨论分析，得出不同插补方法的原理、计算方法和应用环境.

2.4.4 学生根据教师不同插补方法的演示过程、小组讨论结果和教师进行角色互换，对本知识点的重要内容进行总结，并分析这些插补方法之间的联系和区别.为此，让学生从自身的角度去解决插补难题，来获得对插补算法深层次的理解.

2.5 后测

根据课堂任务，使学生能够掌握数控插补的概念、任务、原理和过程.通过基础测试题目：数控插补的任务是在轮廓起点和终点之间插入若干个中间点，这若干个中间点的特点是什么以及当偏差函数取不同值的时候都会向X或Y轴进给“一步”，其中“一步”的含义是什么，以此来检测学生对基础知识的掌握程度；通过综合测试题目：试用逐点比较法对这段圆弧进行插补，写出每一步偏差计算过程，检测学生的逻辑思维和对本节新知识的理解和应用能力，以此来加深学生对知识点的理解和掌握，拓宽知识体系，加强插补知识的逻辑性和系统性.在这个过程中教师观察每个学生在测试过程中的表现，并进行反思.

2.6 总结

经过多次循环之后，根据知识点掌握的情况查漏补缺，通过课堂测试进行反思.从插补任务复杂度、插补概念混淆度、心理原因等因素让学生自我分析这些错误，形成总结报告，最后教师根据综合性测试题目，要求学生编写实现圆形插补的Matlab程序，并布置下次课的任务，以实现新旧内容的衔接.

图3 课程目标达成情况统计

3 BOPPPS教学模式的成效

完成课程所有任务后(含期末考试)，学生要对整个课程的教学目标和效果进行满意度评价，对2018级学生的学习情况进行达成度计算，结果如图3所示.各个课程目标均在0.6以上，课程目标1已经超过了0.7，说明改革后的教学模式使学生能够更好地掌握课程基础理论和基本方法，深入影响了学生对课程价值的态度；课程目标3接近0.9，说明采用改变后的教学模式，在教学过程中将思政元素和专业知识有机的融合，提高了课程的趣味性，调动了学生的积极性，激发了学生对课程的热爱和兴趣.

4 结语

在整个教学过程，教师能实时掌握学生动态，根据学生的表现及时调整授课的侧重点，通过在线答疑、词云互动等测评活动，及时掌握学生出现的问题，进而改变布置的任务，使学生能够更好地完成学习任务并进行反馈，从学生的学习动力、自信心、理解能力、重视程度、新旧知识交替是否到位等问题，找出更加适合数控技术课程的教学方式.