智能制造背景下数控加工虚拟仿真实训教学探索*

孙平平 李龙刚 付艳苹

（潍坊科技学院 智能制造学院，山东 寿光 262700）

引言

《中国制造2025》 提出，我国装备产业要迈向全球价值链中高端，应该以智能制造为主攻方向，打造工业母机创新高地。在此推动下，作为工业母机的数控机床，逐步向高端化、智能化转型。与此同时，企业对数控机床操作工的需求也发生了变化，由单一向复合转型。但是，作为人才培养方的高校，有的在课程内容的设置、教学模式以及教学配备上依然沿用传统形式与单一形态，致使高校培养的人才与企业的需求不够契合，企业用工与高校就业需要进一步对接。

随着智能制造产业对人才需求的提高，把互联网、大数据和人工智能等信息技术融入实践教学中，进一步推动虚拟仿真项目的应用，为社会培养德才兼备、知识扎实、技能一流的复合型人才，是高校教学改革的重要方向[1]。为此，各高校应积极将虚拟仿真技术应用于实践教学环节，解决原有的由于硬件设施不足而导致的实训效果不佳的问题。虚拟仿真教学利用VR 技术，构建虚幻的条件与场景、逼真的操作对象、灵活多样的互动环节及学习内容[2]，能提高学生参与实验、实训的积极性，有效提高教学效果和质量[3]。

基于此，笔者所在院校的数控加工实训教学团队积极探究与时俱进的教学内容，借助虚拟仿真技术及线上线下交叉融合的教学手段，与前沿接轨，构建一套可操作的与当前智能制造产业高度融合，契合企业发展需求的人才培养模式。

一、数控加工实训课程存在的不足

数控加工实训是智能制造相关专业群的一门核心课程，在教学中主要以数控机床为实训平台，以加工工艺制订、加工程序编制、数控机床操作为核心内容。通过实训，学生能够综合运用所学知识，掌握数控加工技术，达到企业所需的技能。但是，在长期的教学中，数控加工实训课程存在以下不足。

（一） 部分课程内容逻辑性不够强，创新性不足，思政融合度不够高

1.逻辑性不强

部分课程内容的设置是先学习完所有编程指令再对工件进行加工。编程指令是异于常规语言的机器语言，抽象难懂，在成果导向不够明确的情况下长时期地学习编程指令，学习目的不够明确，这不利于学生认知结构框架的建构和逻辑思维体系的形成，不利于提升学生的学习兴趣和自主探究、自主学习的能力。

2.创新性不足

部分课程重点放在学生的数控编程能力及简单操作能力的培养，忽视了学生在面对数控机床故障时的应对能力及复合问题解决能力的培养。导致学生在面对高端机床时虽然了解相关理论，实际操作时却望“机”兴叹，解决工程实际问题的能力亟待加强。

3.与思政教育融合度不够高

部分数控加工实训课程与思政教育融合度不够高，重视的是知识传递和能力培养，课程思政建设有待加强，学生的爱岗敬业意识与工程素养需要提升。

（二） 部分课程教学模式设置不够合理，教学方法需要更新

1.教学模式不合理

有的课程教学采用先理论讲授、后实践操作，理论讲授主要是教师讲解，实践操作主要是学生练习。教师先讲，学生后练，如两者互动不够积极，容易形成教学孤岛，这种模式一方面使得理论知识缺少依托，学生难以内化；另一方面，学生在没有内化好所学知识就进行实践操作，会使得操作不当，不仅带来了较高风险，也在反复操作中导致了原材料、能源的大量消耗，不符合当前绿色生态教学的理念。

2.教学方法需更新

该课程的教学还是采用“教师教—学生学”这种知识链的单向传递法，这种教学方法难以适应当前应用型本科高校学生的学习习惯。

（三） 部分课程评价体系单一，不能有效达成以评促教、以评促学

部分课程的考核主要采用终结性评价的方式，仅凭完成的作品、实践报告来评定成绩。而理论知识的掌握情况、理论知识与实践操作的融会贯通程度、实践操作的熟练度、操作规范的遵守、团队协作能力及突发问题的应对能力等，都不能从终结性评价成绩衡量。应该加强过程性评价的纠错、引导、督促，使学生及时把握学习方向，提高学生的学习积极性及学习效果，尤其是对于自制力不强的学生。

终结性评价的方式难以客观地衡量学生的学习效果，这影响了学生才能的充分发挥和素质的全面提高[4]；同时，教师也难以借助该评价开展教学反思和信息反馈，难以达成以评促教、以评促学的教学目的。

二、数控加工虚拟仿真优势

（一） 拓宽实训教学维度，延展实训教学深度

在传统的数控加工实训教学中融入虚拟仿真，使得该实训教学由“理论讲授—实践操作”，转变为“理论讲授—虚拟仿真—实践操作”三维协同模式，拓宽实训教学的维度。虚拟仿真起承上启下作用，承上——依托理论讲授内容进行虚拟仿真训练；启下——学生借助虚拟仿真掌握数控技术、程序编制、工件加工方法、机床故障诊断与维修技术后，才能够在真实机床进行实践操作。

传统的实训教学因设备的有限性，使得部分学生的参与度不高。部分学生对知识的理解及技能的掌握因参与度不高仅能停留在表面，难以深入研究，这导致实训的内容往往只停留在工件的编程加工上。而进行虚拟仿真加工，借助电脑，学生即可进行多方面、多层次的加工训练，在训练中渗透碎片化的知识点，能将所学知识快速内化并掌握操作技能。教师也能延展实训内容的深度，提供高阶性的实训项目，加大学生的训练强度，并能对标企业需求。而能力更强的学生则可借助虚拟仿真软件进行个性化培养，为进行深层次内容的教学作好铺垫。

（二） 打破实训时间、空间的局限性，破解实训教学的瓶颈

因数控机床在企业的普适性特点，使得很多专业开设了数控加工实训课程，如笔者所在的院校，就有机械设计制造及其自动化、机械电子工程、车辆工程及智能制造工程3 个专业开设该门课程。然而，学校的数控实训中心仅有数控车床12 台、数控铣床5 台、加工中心1 台，根据教学计划及每个班标准人数40 人计算，每人在实训期内能操作数控车床的学时数为18 个，显然，如此短的时间只能让学生对数控车床完成局部认知、基本操作，这离熟练操作及解决复合问题的要求还有距离。但是，借助虚拟仿真技术，学生只需一台电脑，即可自由选择自身知识的薄弱点进行训练，虚拟仿真的随时随地可操作的特点，打破了实训时间、空间的局限性。

同时，数控加工的操作风险约束着实训教学的大规模开展，学生在不熟知机床的原理及操作规范的情况下容易引起操作失误，这也制约了实训教学的开展。而虚拟仿真软件与真实机床的结构、功能及操作无二，通过虚拟仿真训练，学生熟练掌握机床的原理及操作规范后，再操作真实机床，可有效避免学生操作真实机床时出现的风险，这解决了数控加工实训教学的难题。

（三） 提高学生理解能力、自主学习能力

应用型本科高校的学生知识储备与学习能力需要提升，而数控加工知识比较晦涩难懂，部分学生的学习兴趣不高。而数控虚拟仿真软件，界面友好，感知形象，场景交互性强，成果快速呈现，它能刺激学生感官，激发学生的学习兴趣，激发学生主动思考、深入探究。此外，虚拟仿真可以多次反复练习，不消耗能源、原材料，学生可反复操作、独自思考，这给足学生内化知识的时间，切合学生的学习规律。教育家赞可夫认为，教学一旦触及学生的情感和意志领域，触及学生的精神需要，便能发挥其有效的作用[5]。所以，学生自信心建立和学习兴趣提高了，探究意识增强，理解能力、自主学习能力也随之提高，从而形成良好的教学循环。

三、教学设计更优化

（一） 课程内容的整合与优化

1.内容逻辑性

由于原有的部分教学内容逻辑性不够强，需对其进行知识板块的重构，因编程指令的学习是为了解决案例的完成，所以将指令分配到相关的案例中去，由案例引导学习指令，贴合学生的学习方向，符合OBE 理念。该课程案例由简单到复杂再到拓展，教学内容循序渐进、难度递增，遵循学生的学习规律，有利于培养学生主动建构知识体系和提升实践的能力。通过简单案例学习基础知识；复杂案例聚焦程序性、策略性知识，解决了实际工程问题的处理能力、具备了创新意识，体现了课程的高阶性、创新性；拓展案例针对能力较强的学生因材施教，设置进阶难度，增加挑战性[6]。这种设置契合了高技能复合型人才的培养要求，解决了课程的难点。

2.内容的创新性

学生在通过案例进行加工的同时，还要具备操控机床和应对机床故障的能力。如下页图1 所示，学生需要掌握数控机床的电气安装及接线、数控系统参数调试、数控机床故障诊断与维修等技术。因此，教师可借助虚拟仿真软件，自定义每个故障并设置需要解决的故障，然后发送给学生，学生根据报警号或故障表象进行排故。课程内容整合重组、更新优化后时效性更强，更能提升课程教学的产出和成效，契合产业发展需求。教学内容既能使知识能力素质有机融合，培养学生解决复杂问题的综合能力和高级思维，又能反映前沿性和时代性[7]。适用于对学生实施个性化教学，达到因“才”施教的目的。对于基础知识牢固的学生，在完成拓展应用的同时，可与企业对接，进行实际生产，并将实际案例反哺于教学。

图1 传统教学内容与改革后教学内容对比图

3.将思政元素融入教学内容

该课程从知识、技能传授，转向知识、技能传授与价值引领的关联，强化专业知识与思想政治教育的融合[8]。

课前，教师制作融入了思政内容的微课，可利用微课制作简短小故事，在故事中潜移默化地去感化学生，于润物无声中实现思政教育，培养学生努力上进、乐观坚定、心怀家国等精神。

课中，在虚拟加工时严谨贴切地导入思政元素，让学生体悟制造之路的趣味及艰辛。在对机床的性能及操作规范熟悉后再进行实践操作，利用真实的机床完成工件的加工。此过程把家国情怀、团队精神、文化自信等教育理念与知识、技能传授实现有机融合。

课后，在网络教学平台发布关于中国高端数控机床的现状及发展趋势的相关信息，增强学生专业认同意识。

（二） 教学模式、教学方法的革新

1.“理虚实”三维协同

基于虚拟仿真的优势，数控加工实训教学，在传统的理论讲授与实践操作之间嵌入虚拟仿真，采用“理论讲授—虚拟仿真—实践操作”三维协同的教学模式。首先，教师进行理论讲授、答疑解惑的贯通式互动教与学[9]。其次，理论讲授后，借助斯沃数控仿真软件进行虚拟教学，让学生在虚拟机床中反复练习和揣摩，熟悉操作流程，创新加工方法，使得操作质量更好、精度更高、效率更快。最后，进行实践操作。从而达成用理论知识指导虚拟仿真，以虚拟仿真累积的经验进行实践操作，借实践操作深化理论知识的学习，形成良好的教学循环。

（1） 理论讲授

理论讲授是对先导课程的碎片化知识点串联起来，与本项目的新知识点融合，构建新的知识体系，为下一步的案例或者项目的完成及可能要应对的问题作知识依托。

（2） 虚拟仿真

在掌握理论知识后，借助斯沃数控仿真软件进行虚拟操作的教学，该数控仿真软件是真实机床的直观呈现，涵盖了真实机床的所有功能，能让师生身临其境进行沉浸式教与学。教师借助该软件为学生示范该项目的运行，学生可以借助该软件反复操作，直至掌握该项目的操作。在葫芦的编程加工案例中，通过虚拟仿真操作掌握G73指令的格式、应用及加工方法。学生首先打开斯沃数控仿真软件，选择FANUC 0iT 系列车床，在回零（建立机床坐标系） 之后，安装工件与刀具，并进行对刀操作；然后输入程序，并进行校验、试运行，点击“自动—循环启动”功能键完成葫芦的加工；最后，加工完成后可通过菜单栏的工件测量功能检测零件的尺寸、精度是否符合要求，同时“点击文件—另存为—工程文件”，查看操作失误及扣分之处，根据输出信息的消息模式与评分模式的提示，修改程序并规范操作，重新按照上述步骤操作并对比工件加工的效率及精度。其中，工程报告文件也是作为自评、互评的重要依据。

（3） 实践操作

2.线上线下交叉融合

线上教学已成为课程教学的重要辅助手段，而虚拟仿真教学这一教育形式正好契合线上教学的特点。根据知识传授特点，课程的理论讲授、虚拟仿真训练采用线上线下交叉融合方法；实践操作采用线下教学方法。线上线下融合提升教学效果。

（1） 翻转课堂

数控加工实训课程操作性较强且所需的专业知识宽泛，需要学生掌握机械制图、公差、制造工艺、机床等多方面的专业知识，若在课堂线下讲授这些内容，会受到实训时间的制约，且学生已经在相应的课程学过这些知识点，只是还没有融通起来进行应用。所以，教师将这些先导课程的知识点以微课形式上传到学习平台，翻转到课前复习回顾，学生线上融会贯通并完成知识检测。

（2） 对分课堂

课中教师首先讲授理论新知识并答疑解惑课前内容，然后进行虚拟仿真训练，在通过虚拟仿真训练掌握理论知识、熟悉机床的工作原理、操作规范及故障应对方案后，最后再进行真实机床的操作。此过程采用对分课堂——PAD 教学法。将教师的讲解（Presentation） 与学生的讨论（Discussion） 对分课堂，使所学知识内化吸收（Assimilation），该过程线下完成。

教师精讲：教师讲解时遵循“精讲留白”原则，如在葫芦的编程加工案例中，只讲G02/G03/G73 指令的格式、应用及参数的含义。

学生内化独学：至于指令中各参数数值的设定以及怎样将G73 指令与精加工路径结合编制整个葫芦的程序，则留出空白，由学生根据教师所讲及前面的知识“储备摸索—虚拟仿真加工尝试—反思后填补”。

小组讨论：先组内同学讨论，就不能解决的问题展开讨论并提出解决路径，如在G73 中已经将切削次数增大到使每次的切削量很小了，为什么在软件的任务栏一直提示小心碰刀。如果这一问题具有普遍性，教师可引导小组间讨论，并适时纠正错误，确定出适合的方案及参数数值。期间教师要对学生填补的空白及讨论后确定的方案持肯定、赞扬的态度，提高学生自主学习的积极性，挖掘学生自主探究的能力。

随着社会主义市场经济体制的进步和完善，咨询行业越来越规范管理，工程造价咨询企业应该在业务范围拓展及创新发展上下功夫，才能找到未来出路。①要逐步扩大造价咨询机构服务的社会面，从局部化、碎片化的单一咨询服务逐步向投资控制、价值管理、项目管理、资产管理的咨询服务转变，全方位、全过程地参与到工程造价的管理与实施中来。积极走出去拓宽业务范围，参与到“一带一路”建设大环境中。②工程造价咨询企业应当全面开展全过程工程咨询，积极融合PPP投资咨询、BIM应用、勘察、设计、监理、招标代理等业务开展联合经营，设立合伙制工程造价咨询企业，赢得更大的市场，使企业在激烈的市场竞争中，立于不败之地。

对分课堂中，教师只是起引导作用，而课堂真正的主角是学生，通过改变传统的“教师教—学生学”的单向传授法，学生的学习效果及创新思维得到提升。在传统的教学中，学生往往在实训成果上交时，整个班级的成果大致相同。采用对分课堂后，学生的成果丰富，类型多样，比如在讲了圆弧指令及封闭切削循环后，学生可以自主学习国际象棋、子弹头等不规格圆弧的编程，实践创新能力有了一定程度的提高。

（3） 自主课堂

受学生知识水平的掌握程度及知识基础的不同，使得学习成效不尽相同。对于课堂知识未掌握者，课后可通过虚拟仿真软件及虚拟开放实验室自主学习，教师根据需要线上与学生隔空互动，帮助学生掌握所学知识。同时对于已掌握课堂内容想拓展学习的学生，教师可线上发布任务并予以指导，满足个性化培养的同时提高了学生独立分析、解决问题的能力。

（三） 评价体系的完善

1.多维度

以成果导向为理念，构建素质与能力并重的多维度多元化的全过程评价体系。多维度是将传统的二维评价（即理论知识、实践操作） 拓宽为三维评价（即理论知识、虚拟仿真、实践操作），加入虚拟仿真评价的初衷是为督促学生借助虚拟仿真软件掌握数控加工的技术技能，为后续的安全操作实践奠定基础。

2.多元化

多元化是指增加评价指标，由原来的教师评价，增加为学生自评、学生互评、教师评价，并按照一定比例赋分，同时在这三项评价中，由原来的技能评价转换为素质与能力并重的效能评价，因此增加与素质评价相关的指标点，主要包括工作态度、行为习惯、社会责任和价值观等，如图2 所示。

图2 评价体系图

3.全过程

课前的理论知识测验单占比10%，线上通过网络平台测试；课中的线上虚拟仿真训练占比30%，成绩评定依据虚拟仿真加工视频与工程报告文件，虚拟仿真软件导出的工程报告文件中保留了学生操作过程中的所有数据，如在圆柱螺塞的加工案例中，工程报告文件中包含加工图片、毛坯及刀具的选择情况、编制程序、工艺路线、加工模式及评分模式，评分模式将该生的操控动作按照时间顺序排序，错误处会当即指出并用叹号警示，这种大数据的“留痕”可以帮助学生寻找问题的突破口，为自主解决问题提供思路；课中的实践操作，实践报告占比20%，操作过程及实践作品占比20%，因实践操作是小组讨论协作完成，所以在实践报告中，学生要如实将所在组的操作步骤、依据原理、最后的数据和总结等进行详细书写；操作过程及实践作品视作品的完成情况及个人表现进行学生自评（20%）、学生互评（30%）、教师评价（50%），评价指标有文明礼仪、安全纪律、行为习惯、工作态度、团队协作、工艺方案合理、程序正确等，该类指标根据案例不同而有不同的设置，可以科学、合理地评定学生的实践效能；课后线上的拓展项目占比20%，依据虚拟仿真视频及工程报告文件的评定得分。

四、结语

（一） 整合优化教学内容

将所有的指令对接到相应的工程案例中，学生在完成工程案例的同时自觉主动去探究指令的格式及应用，从而掌握了解知识点。众所周知，学习的过程即旧知识与新知识建立联系的过程，学生在解决案例的同时也是促使新旧知识交汇的过程，教师引导，学生主动探究学习，新知识得以内化吸收，旧知识得以重新理解，使得所学知识自成知识体系。

（二） 改革教学模式及方法

与虚拟仿真这一信息技术的融合使得数控加工的实训教学更灵活，可线下进行讨论式、启发式的教学，真正实现课堂教学中以学生为主体，教师只是起到组织、引导、促学的作用；也可将教学空间挪移到线上，进行隔空互动式的教学，给学生留有足够的思考及内化的时间，借此厘清知识点的衔接关系。

（三） 完善评价体系

考核评价采用网测、机测、实测等多种形式，并在测验单中增添多项指标，体系比较完备。在网测、机测中，学生的学习情况及学习效果借助网络平台进行，作为过程性考核的依据，并且保留学习痕迹，进行阶段性公布，使学生获悉自己的学习状态。基于大数据的量化评价不仅能减少人为的主观影响，而且能够根据评价数据进行监督，从而提升课程的教学质量。