项目教学法在中职课程教学设计中的探索与实践——以《多轴数控机床编程与操作》为例

徐兰英，叶帼珊，冯思晨，伍 强

（1.广东技术师范大学 机电学院，广东 广州 510665；2.广东技术师范大学 汽车与交通工程学院，广东 广州 510665）

0 引言

教育部、人力资源和社会保障部、工业和信息化部预测2025 年中国高端数控机床技术工人的缺口将达到450 万[1].除了数量上的需求之外，企业对人才的质量要求也逐步提高.中等职业学校作为数控机床操作型人才的主要来源，承担着培养高技能型人才的重要责任.《多轴数控机床编程与操作》是中职数控技术应用专业的专业核心必修课程，在专业课程体系中占有重要的地位.调研发现当前中职《多轴数控机床的编程和操作》课程教学存在学生关键能力未得到提升、教学内容与岗位实际不符、教学评价体系无法达到效果等诸多问题，严重影响了人才的培养质量.

项目教学法既不同于技能训练课程，也不同于任务本位课程，它能最为有效的凸显职业教育特色，培养学生职业能力[2].洪长礼首先对项目教学法的培训效果展开了探究，将项目教学法引入实践教学中[3]，此后越来越多学者致力于项目教学法的研究.苟维杰[4]将项目教学法应用到《数控机床与应用》课程中，在项目实施过程中通过学生分组、知识点讲解、演示引导、模仿训练、练习总结五个步骤提高学生的学习积极性.蒋景惠[5]比较了传统教学手段和项目教学法在数控车工实践教学中的应用，并演示了手工棋盘加工的项目教学过程.王茜[6]在论证了项目学习法在中职数控铣削教学中的优势和价值后，制定了开展项目教学的具体措施.这些研究为项目教学法实施过程及效果提供参考与验证，但并未充分结合企业岗位实际需求与工作过程，本文基于项目教学法，从《多轴数控机床的编程和操作》课程存在的问题入手，结合企业岗位实际需求选择教学项目，基于工作过程设计项目教学过程，以促进学生职业能力的培养.

1 《多轴数控机床编程与操作》课程整体设计

1.1 课程内容的分析

课程内容的选取需要充分考虑其典型性、层次性和趣味性，重新调整适用于当前中职学生的教学内容，对各章节内容适当取舍，优化组合[7].同时依据企业岗位实际需求及工作过程的调研结果，本文在市面上已有教材的基础上对课程内容进行了调整，具体体现在：新增针对安全生产基础知识、设备安全操作与维护保养、数控机床管理、制造类企业岗位简介等内容的讲解，加深学生的职业认知和安全意识；课程内容应以企业典型加工案例来展开，同时对多种知识点进行整合；增加高脚杯、餐盘模型、灯罩模型等生活用品、大力神杯、大肚弥勒佛等艺术品来增强项目的趣味性.课程内容的组织首先必须符合课程内容的层次性和学生的思维习惯，基于此本文将课程内容分为认识数控加工、数控车床编程与加工、数控铣床编程与加工三个模块.在认识数控加工模块结合数控操作员岗位三维模型绘制－多轴加工程序编制－设备操作与零件加工的工作过程进行编排，体现顺序性；数控车床编程与加工、数控铣床编程与加工模块分别由六个加工项目构成，各项目之间由浅到深，由易到难，各项目又分成若干个子任务，通过一步一步地完成子任务最终完成整合项目.在项目教学法中，项目与任务之间的关系是需要考虑的问题.项目与任务之间的关系主要有三种类型：循环式、分段式和对应式[8].本文采用循环式来形成项目与任务之间的关系.《多轴数控机床编程与操作》课程内容的完整架构（见图1）.

图1 《多轴数控机床编程与操作》课程内容的完整架构

1.2 课程目标的制定

在项目教学的理念中，更强调对知识整体学习和对知识的综合运用，立足于项目完成的整个过程进行评价，项目教学理念下知识与技能的目标，最大的不同是靠项目来联系知识点与技能，以项目为载体，重构以往的知识结构，将以往学习的各种知识进行关联.在项目教学的视角下，对《多轴数控机床编程与操作》课程三维目标的分析，同时结合数控专业人才培养中所强调的培养能完成企业职业岗位工作任务，熟悉职业岗位工作流程的职业技术人才，本文制定了具体的教学目标（见表1）.

表1 基于项目教学的《多轴数控机床编程与操作》课程目标

2 《多轴数控机床编程与操作》课程项目教学的实施

在《多轴数控机床编程与操作》课程项目教学整体设计中，一共设计了12 个项目，本节以模块三项目六“大力神杯”铣削加工项目为例，介绍项目教学法的具体实施过程.在教学实施阶段，课前学生通过线上自学进行预习、课中通过项目教学的“项目引入－项目计划－项目实施－项目展示－项目的评价”五阶段开展，课后进行应用拓展.

2.1 课前项目准备

由于大力神杯外观和形状较为复杂，在零件的三维建模、工件装夹以及程序编制上都具有挑战性.因此教师课前需明确“大力神杯”铣削加工项目的教学重点及难点（见表2）.学生课前登录雨课堂平台，进行线上考勤，查阅与“大力神杯”加工项目有关的学习资源，进行线上学习，主要包括：查阅项目任务指导书、学生工作页，观看教学视频，完成课前检测等.学生通过课前线上学习初步了解学习内容，激发学习兴趣，明确项目任务.

表2 “大力神杯”铣削加工项目教学重难点

2.2 课中项目实践

2.2.1 组织上课

通过雨课堂平台进行考勤，组织分组：班级36 人，通过自愿与教师安排相结合的原则进行组织，分为6 组，每组6 人，共用一台铣床加工设备，三台计算机；实训服装检查、并进行安全教育.

2.2.2 答疑解惑

在这一环节通过学生提问、教师解答的方式解决学生课前线上学习出现的疑问，同时，教师通过课前检测的结果反馈对关键性知识及重难点进行集中讲解.在答疑环节主要解决编程规范、工艺分析、刀具选择等问题：（1）教师在屏幕上演示大力神杯建模的基准选择和各项指令，重点讲解逆向建模技术，演示利用三维扫描仪进行点云数据提取、数据点云处理及逆向建模的方法.（2）教师提问学生制作大力神杯零件需要用到哪些工艺，总结工艺制定标准；（3）教师演示部分程序的编制，总结加工策略、驱动方法、所用刀具、加工参数设置、坐标设置的方法和规范；（4）教师发布编程任务的说明，让学生展示编程结果，教师边检查边纠正；（5）教师展示刀具图片，让学生判断哪个刀具在切工件会出现欠切或过切？提升学生对刀具选用的能力.

2.2.3 项目导入

学生观看世界杯足球赛阿根廷夺冠后手捧大力神杯欢呼庆祝的视频，教师借助这一素材引导学生意识到足球世界中的内涵精神：团队协作、意志品质、奉献及抗挫折能力.紧接着教师创设情境，发布任务：刚刚过去的第22 届世界杯足球赛引发了全球广泛关注，现接到一批订单，生产2000 个大力神杯的小挂件，大力神杯尺寸的相关图纸及加工要求已发布至雨课堂平台，请各小组按图纸要求完成大力神杯的加工项目.

2.2.4 项目计划

小组明确需要完成的项目之后，登录雨课堂平台查看加工图纸、任务指导书、学生工作页等.小组内选出一名小组长，小组长负责对整个项目实施过程进行监测，统筹协调，同时通过讨论，确定每位组员的岗位角色和具体工作任务，岗位角色分为分析员、三维建模师、程序编制员、仿真分析员、机床操作员、质量检测员六个，并明确各个角色的任务.各小组讨论分析加工特征，并根据现有的设备资源明确工序和编程路径.项目计划制定后，提交给教师，教师与学生进行探讨，引导学生找出方案存在的问题，以便学生优化方案.最终，在教师指导下，学生明确粗加工、半精加工和精加工所使用的工序命令，确定最终项目实施方案.

2.2.5 项目实施

在项目实施环节按照图纸分析－三维建模－工艺分析－程序编制－仿真分析－机床加工的过程展开.

在图纸分析阶段，教师呈现“大力神杯”实物，向学生提供纸质版项目任务指导书、学生工作页，再次向学生强调任务一图纸分析的具体任务，并结合实物简单讲解零件几何特征.然后，各小组的分析员协调小组各成员明确各部分的技术要求，分析零件各表面特征，预设将要用到的三维绘图命令.

在三维造型阶段，教师通过计算机上的红蜘蛛系统发布大力神杯三维建模文件，三维建模师组织各小组成员使用建模软件中的设计功能完成零件的三维建模.在此过程中，学生若有疑问，可寻求教师的指导，教师提供帮助，解决学生在建模过程中遇到的疑问.

在工艺分析阶段，分析员根据图纸技术要求，结合教师讲解，主持小组成员讨论加工过程，确定“大力神杯”零件的加工方式、加工路径及工艺参数，如使用的夹紧装置、夹紧装置的类型、进给路线、进给速度，主轴转速度，切削速度和切削深度等.小组结合现有的资源，综合分析制定加工工艺方案，教师听取学生的汇报，检查每组制定的加工工艺方案的具体内容，提出改进意见.

在零件程序编制阶段，程序编制员组织小组成员共同讨论分析确定最优编程方案，并采用POWERMILL 软件对大力神杯进行程序编制（见图2）.编程的步骤为：先导入大力神杯模型、建立坐标系、选用毛坯、选择加工刀具及加工方法、再进行加工操作、设定好加工参数、最后生成加工刀具路径.教师在此过程中，巡回指导，及时指出学生编程中出现的问题.

图2 大力神杯编程过程图

在程序仿真阶段，教师通过VERICUT 软件，演示仿真程序的步骤和方法，提醒学生用红色表示过切、碰撞和其他干扰，用蓝色表示残留体提示.各组仿真分析员组织小组成员运用VERICUT 软件进行模拟仿真加工（见图3）.

图3 大力神杯仿真过程

在机床加工阶段，在进行机床加工任务之前，教师强调安全操作、8s 管理等注意事项，机床操作员及小组长负责统筹本小组的成员完成机床加工这一任务，使用三爪自定心卡盘装夹毛坯，做好校正等准备工作后，将传输程序到机床，按启动按钮进行刀体五轴加工.图4 为大力神杯机床加工过程.在此过程中教师进行巡回指导，防止出现撞刀等情况，若出现此类情况及时解决.

图4 大力神杯机床加工

2.2.6 项目展示与评价

大力神杯零件制作完成后，教师组织各小组进行项目展示与评价，每个小组推选一位代表汇报本组项目的方案、项目的分工、项目的完成情况及完成项目过程中遇到的问题及解决方法，并进行项目成果展示，其余小组及教师根据该组的汇报情况进行打分.汇报完成之后，组织各小组进行质量互检，质量互检完成后对各小组及教师综合汇报表现及质量完成情况对各小组进行综合打分，选出最具完成度的小组；小组互评后进行个人自我评价及组内互评，综合表现选出小组最具贡献力的成员.最后由教师针对本次项目的实施进行总结与评价.

2.3 课后总结与拓展

项目完成后，学生要对本次项目开展的全过程进行梳理，在梳理的过程中找出项目实施过程中存在的不足，并提出改进意见，撰写个人项目总结并形成小组项目总结报告.学生在截止日期前登录雨课堂平台，按要求完成课后作业，教师及时批改，针对学生较为突出的问题进行解答.在此基础上，教师在讨论区提出拓展性问题，通过设置讨论题，将课堂知识延伸到课外，拓展学生的知识面，学生积极参与到讨论中，感受学习的魅力.

3 《多轴数控机床编程与操作》课程项目教学的实验设计及效果分析

3.1 实验设计

本次实验的研究对象选取广东省F 市职业技术学校数控技术应用专业1 班为实验组，2 班为对照组，实验组采用项目教学法，对照组按照教师讲解、演示—学生实操的教学过程开展教学.本次实验周期为十周，最终依据实验组及对照组的课程成绩、问卷调查结果对本次教学效果进行分析.

3.2 学生前后测成绩对比分析

收集实验组和对照组学生的《多轴数控机床编程与操作》前后测成绩作为实验数据，前测内容为模块二项目二—锥面轴零件编程与加工的理论考核与实践考核；后测内容为期末理论考核与实践考核，然后使用SPSS 配对样本t 检验对所得出的实验数据进行统计和分析.

在这两项测试之后，对实验组和对照组学生的测试成绩分别进行了配对样本t 检验.通过对实验组和对照组前后测成绩的横向与纵向对比来分析项目教学效果的显著性.分析内容为实验组内部在实验前后的成绩，实验组与对照组前后测成绩对比，其中E1 代表了实验组学生前测成绩，E2 代表了实验组学生后测成绩，C1 代表了对照组学生前测成绩，C2 代表了对照组学生后测成绩.数据分析如下（见表3）.

表3 实验组与对照组前后测成绩统计分析

从表3 可知，实验组的后测结果（平均分78.387）明显高于前测结果（平均分70.310）.但是，由于前测和后测的内容不同，为了验证项目教学法的有效性，有必要对实验组和对照组的后测结果进行比较.由于后测试卷是期末测试卷，测试内容范围较大，难度较前测试卷稍高，对照组2 班后测成绩（均分70.166）略低于前测成绩（均分71.052），但成绩波动幅度不大.由于两组的测试问题相同，实验组和对照组在前测中的平均分差异不大（P=0.334），说明两组学生在教学前的学习基础相似.在后续教学中，教师改变了教学方法这一变量，在实验组中采用项目教学法，对照组保持原来的教学方法不变，并保持其他变量不变.对照组前后测成绩无明显差异（双尾值大于0.05），实验组前后测成绩具有显著性差异（双尾值小于0.05），且后测成绩明显高于前测成绩（见表4）.由此可见，项目教学法对学生数控机床编程与操作课程考核成绩的提升有着显著的作用.实施项目教学法后，实验组学生的理论知识的掌握和操作技能均有了较大幅度的提升.

表4 实验组与对照组配对样本检验

3.3 学生教学满意度问卷调查

为了进一步了解学生对项目教学法的态度，学生满意程度，以便后续改善教学，针对实验组的38 名学生进行问卷调查，共发放问卷38 份、回收问卷38 份，有效问卷率100%，调查问卷结果（见表5）.

表5 调查问卷结果

由表5 可知，项目教学法能够提高学生的学习积极性，提高自我效能感，自主学习能力与合作能力在项目学习中得到提高，总体上项目教学法受到学生们的认可度较高，学习效率得到提升.

4 结语

《多轴数控机床编程与操作》课程注重学生动作技能、智慧技能等各项基本技能的习得与运用，传统的讲解、演示—学生实操的教学方法已然不适用于当前的中职课堂.项目教学法将教学过程分为“项目引入－项目计划－项目实施－项目展示－项目的评价”五个阶段，学生通过小组合作探究、个人独立思考、将所学的书本知识与实际操作结合起来，有计划、有组织、有决策地完成项目，通过完成项目来达到能力的提升.试验分析表明，项目教学方案在学生中的接受度较高，实施项目教学法后，学生的阶段性考核成绩及期末考核成绩均有所提高，学生的自主学习能力与合作能力在项目学习中得到提升，学生的职业素养更为突出，学生的综合表现优秀，总体教学效果令人满意.