張桂花 范有雄 高 淼

（武漢軟件工程職業(yè)學(xué)院，湖北 武漢 430205）

隨著云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等新技術(shù)的廣泛使用，信息走進(jìn)各行各業(yè)，上至航天，下至校園。信息化已成為國家戰(zhàn)略，教育信息化正迎來重大歷史發(fā)展機(jī)遇?！秶抑虚L期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要》提出，教育信息化是推進(jìn)教育改革與發(fā)展的戰(zhàn)略制高點(diǎn)，信息技術(shù)對教育發(fā)展具有革命性影響［1］。而《教育信息化“十三五”規(guī)劃》進(jìn)一步提出，課程改革要放在信息時代背景下來設(shè)計(jì)和推進(jìn)［2］，這就給高職院校課程改革提出了新的時代內(nèi)涵。“數(shù)控編程與智能化”課程正是對接《中國制造2025》智能制造產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級而開發(fā)的項(xiàng)目課程，旨在培養(yǎng)學(xué)生智能化、信息化和自動化加工能力。而高職教育教學(xué)的痛點(diǎn)和難點(diǎn)在于：高職學(xué)生普遍存在基礎(chǔ)知識薄弱、學(xué)習(xí)興趣不足、自主學(xué)習(xí)能力欠缺、缺乏創(chuàng)新能力等種種問題，傳統(tǒng)課堂那種填鴨式灌輸知識的方式往往出現(xiàn)教師難教、學(xué)生難學(xué)的困境，教學(xué)效果很難提升。且已有的“數(shù)控編程與智能化”課程信息化教學(xué)設(shè)計(jì)尚停留在嵌入加工視頻和動畫的多媒體課件理論教學(xué)和仿真加工軟件虛擬加工的實(shí)踐教學(xué)階段，而教學(xué)仍為教師的單向輸出。基于上述原因，有針對性地把握高職學(xué)生的特點(diǎn)，根據(jù)學(xué)生的學(xué)情和認(rèn)知規(guī)律，對課程教學(xué)全過程進(jìn)行信息化教學(xué)改革，借助信息化資源抽象為形象，降低學(xué)習(xí)難度；利用信息化手段聚焦教學(xué)內(nèi)容，突出學(xué)習(xí)重點(diǎn)；依托信息化工具化被動為主動，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，有效提升教學(xué)效果。因而“數(shù)控編程與智能化加工”課程信息化改革顯得尤為急迫，既是產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級對高素質(zhì)人才培養(yǎng)的需要，更是破解高職教育教學(xué)痛點(diǎn)和難點(diǎn)的良方。

一、教學(xué)分析

一個好的信息化教學(xué)設(shè)計(jì)必須是基于學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)需求分析、學(xué)習(xí)內(nèi)容分析和學(xué)習(xí)者分析而展開的，只有真正了解學(xué)生的學(xué)習(xí)需求、已有知識經(jīng)驗(yàn)和心理認(rèn)知特點(diǎn)，才能確定合理的教學(xué)目標(biāo)，界定教學(xué)內(nèi)容的重點(diǎn)、難點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)。

本例中課程團(tuán)隊(duì)通過問卷星對在校生展開座談，跟蹤調(diào)查畢業(yè)實(shí)習(xí)生，走訪企業(yè)專家，充分調(diào)研學(xué)生的認(rèn)知水平、學(xué)習(xí)特點(diǎn)、對本課程的總體評價(jià)以及他們的學(xué)習(xí)需求，借助問卷星的統(tǒng)計(jì)與分析功能，課程團(tuán)隊(duì)了解到學(xué)生對智能制造興趣濃厚，善于動手實(shí)操，樂于學(xué)習(xí)專業(yè)新技術(shù)，愿意從事技術(shù)工種，且已學(xué)會簡單循環(huán)指令和機(jī)器人示教技能，實(shí)現(xiàn)臺階軸類零件的加工，但學(xué)習(xí)動機(jī)不強(qiáng)，工藝設(shè)計(jì)能力不足，程序編制易錯，五項(xiàng)關(guān)鍵素質(zhì)（工匠精神、創(chuàng)新能力、信息技術(shù)能力、綠色觀念、質(zhì)量素質(zhì)）［3］欠缺。

基于以上調(diào)研分析，根據(jù)《制造業(yè)人才發(fā)展規(guī)劃指南》［3］和校企合作開發(fā)的課程標(biāo)準(zhǔn)，確定本次課教學(xué)目標(biāo)如圖1，教學(xué)重點(diǎn)為數(shù)控編程及智能化加工，教學(xué)難點(diǎn)為加工工藝設(shè)計(jì)。聚焦工藝優(yōu)化、數(shù)控編程和智能加工三大核心能力和五項(xiàng)關(guān)鍵素質(zhì)培養(yǎng)，旨在培養(yǎng)真正能駕馭機(jī)器人生產(chǎn)的智能工“將”。

圖1 教學(xué)目標(biāo)

圖2 某伺服電機(jī)軸訂單

二、教學(xué)策略

教學(xué)策略是為實(shí)現(xiàn)某一教學(xué)目標(biāo)而制定的、付諸于教學(xué)過程實(shí)施的整體方案，它包括合理組織教學(xué)過程，選擇具體的教學(xué)方法和材料，制定教師與學(xué)生所遵守的教學(xué)行為程序等［4］。一個有效的教學(xué)策略是根據(jù)既定的教學(xué)目標(biāo)，依據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)準(zhǔn)備、認(rèn)知風(fēng)格、學(xué)習(xí)進(jìn)度、學(xué)習(xí)技能等方面的個別差異來進(jìn)行動態(tài)調(diào)整優(yōu)化，使教學(xué)效果趨于最佳。

本例中基于上述教學(xué)目標(biāo)，在教學(xué)策略上，因建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論［5］強(qiáng)調(diào)學(xué)生的學(xué)習(xí)活動必須與任務(wù)或問題相結(jié)合，以探索問題來引導(dǎo)和維持學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)興趣和動機(jī)，創(chuàng)建真實(shí)的教學(xué)環(huán)境，讓學(xué)生帶著真實(shí)的任務(wù)主動學(xué)習(xí)，并通過完成任務(wù)不斷地獲得成就感，激發(fā)求知欲望，逐步形成一個感知心智活動的良性循環(huán)，充實(shí)和豐富自身的知識、能力。且職業(yè)成長遵循從初學(xué)者到專家的邏輯發(fā)展規(guī)律［6］，其發(fā)展過程分為初學(xué)者、高級初學(xué)者、有能力者、熟練者和專家五個階段。職業(yè)教育的任務(wù)是通過科學(xué)的方法，把學(xué)習(xí)者從較低發(fā)展階段順序帶入到更高級的階段，其過程是“從完成簡單任務(wù)到完成復(fù)雜任務(wù)”的能力發(fā)展，而不僅僅是“從不知道到知道”的知識學(xué)習(xí)和積累，必須找到合適的載體（學(xué)習(xí)情境和學(xué)習(xí)任務(wù)）才可能有序、高效地實(shí)現(xiàn)這一發(fā)展過程。所以，遵循建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論和職業(yè)成長規(guī)律采用任務(wù)驅(qū)動法組織教學(xué)。創(chuàng)設(shè)真實(shí)職業(yè)情境，教學(xué)場地選擇真實(shí)智能制造生產(chǎn)線，挑選華大電機(jī)公司伺服電機(jī)軸（如圖2）生產(chǎn)任務(wù)為載體，此任務(wù)為典型軸類零件加工，可用復(fù)合循環(huán)指令G71將輪廓粗精加工成型。將教學(xué)任務(wù)按照企業(yè)工藝師的工作流程與標(biāo)準(zhǔn)分解成工藝設(shè)計(jì)、程序編制、智能生產(chǎn)三大子任務(wù)（如圖3）。教學(xué)過程對接企業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)流程，分為錘工藝-磨程序-馭智能-悟素質(zhì)四大環(huán)節(jié)，引導(dǎo)學(xué)生在各個環(huán)節(jié)完成相應(yīng)子任務(wù)的過程中主動探究、合作學(xué)習(xí)、發(fā)現(xiàn)并解決問題，提升核心能力和關(guān)鍵素質(zhì)，實(shí)現(xiàn)從高級操作工到智能工將的職業(yè)成長。

圖3 教學(xué)任務(wù)

根據(jù)預(yù)設(shè)的教學(xué)重點(diǎn)，引入交互式三維仿真加工軟件，解決G71指令格式和參數(shù)復(fù)雜易出錯和安全生產(chǎn)規(guī)范欠缺問題，降低學(xué)習(xí)難度；并利用云班，對生成性教學(xué)資料實(shí)時點(diǎn)評，投屏錯誤指令，開啟找茬游戲，確保程序編寫正確，并進(jìn)行闖關(guān)游戲測試，強(qiáng)化知識點(diǎn)的記憶，突出教學(xué)重點(diǎn)一。借助微課資源和學(xué)生錯誤操作的生成性教學(xué)資料，養(yǎng)成學(xué)生規(guī)范操作意識，化虛為實(shí)；并通過智能加工單元控制軟件實(shí)時監(jiān)測單元狀態(tài)，將學(xué)生從傳統(tǒng)繁重的機(jī)械加工中解放出來，強(qiáng)烈體驗(yàn)通過信息技術(shù)控制智能制造的“駕馭”之樂，突出教學(xué)重點(diǎn)二。

而加工工藝設(shè)計(jì)因概念抽象難懂，各加工工藝知識涉及面廣且實(shí)踐性強(qiáng)，一直是機(jī)械專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)的難言之痛。為破解教學(xué)難點(diǎn)，本例采用動畫進(jìn)行工藝分析，多次動畫對比工藝方案與機(jī)器人夾持方案，將傳統(tǒng)教學(xué)中難以用語言描述清楚的問題形象直觀地表示出來，化難為易，化虛為實(shí)；借助輔助加工軟件模擬刀具路徑并計(jì)算工時，通過投票參與讓學(xué)生掌握刀具路徑選擇原則和深刻理解綠色制造理念；針對傳統(tǒng)工藝參數(shù)選擇需要反復(fù)查詢多種表格和手工計(jì)算，引入Turning工藝參數(shù)APP，通過輸入工件材料、毛坯尺寸、應(yīng)用領(lǐng)域，直接得到工藝參數(shù)，化繁為簡。

三、教學(xué)過程

基于翻轉(zhuǎn)課堂理念，將教學(xué)過程延展為課前導(dǎo)學(xué)、課中內(nèi)化和課后拓展，全程采用即時過程性評價(jià)，激發(fā)學(xué)生主動參與每個教學(xué)活動和學(xué)習(xí)。

（一）課前導(dǎo)學(xué)

課前教師在云班課中發(fā)布教學(xué)活動安排（如圖4）和加工零件圖。學(xué)生登陸云班，以小組為單位自學(xué)手機(jī)云教材課件、微課、動畫，對零件進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)，完成工藝測試題，擬定刀具路徑，拍照上傳云班。富有挑戰(zhàn)的任務(wù)和豐富的學(xué)習(xí)資源點(diǎn)燃學(xué)生學(xué)習(xí)熱情，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)之本。

圖4 課前教學(xué)活動安排

（二）課中內(nèi)化

課中按企業(yè)生產(chǎn)流程分為錘工藝-磨程序-馭智能-悟素質(zhì)四大環(huán)節(jié)。

1.動畫投票錘工藝設(shè)計(jì)之技（45min）

分析學(xué)生課前工藝測試結(jié)果、工藝方案和刀具路徑，顯示只有10%的學(xué)生通過課前自主學(xué)習(xí)后具備多臺階軸的工藝設(shè)計(jì)能力，說明多臺階軸的工藝設(shè)計(jì)對學(xué)生確實(shí)有難度，突出表現(xiàn)在工藝分析不全面、工藝方案的合理性有待優(yōu)化、刀具路徑不經(jīng)濟(jì)等方面，而上述知識點(diǎn)概念抽象、內(nèi)容空洞，學(xué)生自學(xué)完后感覺似是而非。為此，教師調(diào)用動畫分析零件尺寸、形狀、位置精度等要素，學(xué)生可直觀得出此伺服電機(jī)軸上為轉(zhuǎn)子軸，安裝軸承、轉(zhuǎn)子、電刷、端蓋、機(jī)座等零件，重要的配合表面主要有Φ19.3、Φ28和Φ8.3的外圓，與Φ20.3軸承外圓有Φ0.03的同軸度要求，尺寸精度最高為IT8級，表面質(zhì)量為Ra1.6。

分析學(xué)生上傳的工藝設(shè)計(jì)，歸納為兩種（如圖5），教師調(diào)用動畫直觀展示各自的加工順序和機(jī)床的裝夾方案，學(xué)生很容易發(fā)現(xiàn)兩者的區(qū)別在于，方案二將右端的粗精加工分為夾持不同部位的兩道工序，以避免粗加工時因伸出長度過長使切削變形變大而影響加工精度，方案二的裝夾定位精度更高，進(jìn)而確定工藝方案為方案二。智能制造生產(chǎn)線工藝不同于普通生產(chǎn)線工藝，工件的裝夾和搬運(yùn)均由機(jī)器人完成，需要制定機(jī)器人夾持方案，學(xué)生提出了機(jī)器人夾持工件左端、中間、右端三種方案，教師再次調(diào)用動畫對比夾持方案的可靠性和與機(jī)床、刀具夾具等干涉情況，學(xué)生毫不費(fèi)力的選擇夾持工件中間為最佳方案。分析課前上傳的刀具路徑，主要有多次軸向、徑向和仿形刀具路徑三種，只有17%的學(xué)生上傳的刀具路徑合理，走刀時間短，成本低。對于到底哪種最優(yōu)，教師可借助輔助加工軟件按照確定的工藝方案模擬三種不同刀具路徑并計(jì)算工時，通過云班發(fā)起投票，請學(xué)生按照最短刀具路徑原則進(jìn)行選擇，90%的學(xué)生選擇多次軸向刀具路徑，該路徑總長為1045.061 mm，路徑最短；工時為04分24.94秒，用時最少。

因前導(dǎo)課程“機(jī)械制造工藝”已詳述工藝參數(shù)（切削速度、進(jìn)給量和背吃刀量）對加工精度、效率的影響和如何選擇，本例簡化過程引入Turning工藝參數(shù)APP直接選取工藝參數(shù)，學(xué)生輸入工件材料、各工序尺寸、粗精加工應(yīng)用領(lǐng)域，分別得到各工序的工藝參數(shù)（如圖6）。避免了傳統(tǒng)工藝參數(shù)選擇需要反復(fù)查詢多種表格和手工計(jì)算，過程繁瑣且計(jì)算容易出錯，但此方法僅僅根據(jù)刀具耐用度來選擇工藝參數(shù)，對工藝系統(tǒng)的其它方面影響則沒有考慮，故工藝參數(shù)是個理論參考值，而優(yōu)化的工藝參數(shù)需要在后續(xù)馭智能環(huán)節(jié)用參考值試制調(diào)整優(yōu)化獲得。多次動畫對比、投票參與、APP查詢讓學(xué)生深刻理解工藝設(shè)計(jì)之技和綠色制造理念，突破教學(xué)難點(diǎn)。

圖5 工藝方案

圖6 各工序的工藝參數(shù)

2.游戲仿真磨程序精細(xì)之藝（45min）

最優(yōu)刀具路徑和工藝參數(shù)通過G71指令實(shí)現(xiàn)，其格式和參數(shù)復(fù)雜。學(xué)生在交互式三維仿真加工軟件手機(jī)端幫助下手工編寫程序，在云班發(fā)送教師。教師即時評分，實(shí)時反饋程序編寫情況，對正確程序給予肯定，對錯誤程序給出改正提示，幫助學(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)。即時評價(jià)后發(fā)現(xiàn)40%的學(xué)生依然存在指令錯誤，教師對錯誤率較高和不科學(xué)的情況開啟找茬游戲，將錯誤指令投屏，讓學(xué)生現(xiàn)場找茬，確保所有學(xué)生的指令都正確。隨后闖關(guān)游戲測試（如圖7），強(qiáng)化記憶。

圖7 闖關(guān)游戲測試

為驗(yàn)證程序、降低安全隱患，學(xué)生進(jìn)入仿真加工環(huán)節(jié)。交互式三維仿真加工軟件具有報(bào)錯并終止操作功能，給出操作或程序錯誤信息，并自動評分，提醒學(xué)生生產(chǎn)規(guī)范，避免出現(xiàn)碰刀、對刀錯誤、未關(guān)機(jī)門、程序錯誤等常見錯誤操作，培養(yǎng)學(xué)生安全和質(zhì)量意識。教師巡回指導(dǎo)，對個性問題單獨(dú)輔導(dǎo)，對共性問題現(xiàn)場投屏糾錯，確保所有學(xué)生的工件正確仿真加工出來。

找茬和闖關(guān)游戲打磨學(xué)生編程精細(xì)習(xí)慣，交互式三維仿真加工軟件手機(jī)端直觀呈現(xiàn)指令含義，電腦端反復(fù)糾錯，強(qiáng)化工匠意識，突出教學(xué)重點(diǎn)一。

3.實(shí)戰(zhàn)演練馭智能制造之法（70min）

技師利用直播系統(tǒng)示范智能制造單元的規(guī)范操作流程，提醒易錯點(diǎn)和注意事項(xiàng)，解決實(shí)訓(xùn)場地設(shè)備的限制和現(xiàn)場教學(xué)易失秩序問題。

學(xué)生在技師指導(dǎo)下操作智能加工單元控制軟件，傳入仿真好的程序，駕馭智能加工單元試制對刀，示教規(guī)劃機(jī)器人動作路徑，按工序加工工件，智能檢測工件，實(shí)時反饋檢測結(jié)果，修訂刀具補(bǔ)償，優(yōu)化工藝參數(shù)完成零件試制，每個環(huán)節(jié)均可掃描二維碼觀看微課。教師巡回指導(dǎo)，對學(xué)生錯誤操作拍照上傳云班，形成生成性教學(xué)資料。

技師用三維掃描儀檢測學(xué)生試制的工件，學(xué)生填寫檢測報(bào)告，調(diào)整工藝和程序，試制合格后投入批量生產(chǎn)，學(xué)生通過控制軟件（如圖8）實(shí)時監(jiān)測單元狀態(tài)。強(qiáng)烈體驗(yàn)通過信息技術(shù)控制智能制造的“駕馭”之樂，破解教學(xué)重點(diǎn)二。加工完后學(xué)生現(xiàn)場6S處理。

圖8 智能加工單元控制軟件

4.剖析反思悟關(guān)鍵素質(zhì)之道（20min）

生產(chǎn)完成后回放智能制造單元錯誤操作視頻和問題工件的試制視頻等生成性教學(xué)資料，引導(dǎo)學(xué)生踴躍上臺剖析問題，提醒學(xué)生牢記錯誤操作點(diǎn)，反思影響零件精度的操作細(xì)節(jié)，并乘機(jī)歸納智能工將必備之工藝、程序、智能加工技藝，強(qiáng)調(diào)關(guān)鍵素質(zhì)：綠色制造意識、工匠精神、質(zhì)量意識、創(chuàng)新能力、信息技術(shù)能力。

（三）課后拓展

為鞏固所學(xué)知識點(diǎn)和提升操作技能，要求學(xué)生課后鞏固性課堂測試和完成減速機(jī)軸零件的智能制造方案編制，上傳云班，供企業(yè)專家參考，提升學(xué)生參與智能制造的使命感。

教師整合課前課中課后情況即檢測報(bào)告、自動評分、云班表現(xiàn)、教師評分、技師評價(jià)（如表1），表現(xiàn)優(yōu)異的授予“智能工將”稱號。

表1 過程性評價(jià)權(quán)重表

四、教學(xué)效果

1.以伺服電機(jī)軸智能加工為載體，打造錘-磨-馭-悟智能、工將鍛造之旅，課上課下反饋積極熱烈，課后測評學(xué)生滿意度97%以上（如圖10）。

圖10 課堂滿意度

2.信息化手段降低了學(xué)習(xí)難度，工藝設(shè)計(jì)正確率100%，刀具路徑正確率90%，編程完成率100%（如圖11），作業(yè)中的工藝方案獲得企業(yè)好評，有效達(dá)成教學(xué)目標(biāo)。

圖11 信息化手段使用效果

通過動畫、Turning工藝參數(shù)APP、交互式三維仿真加工軟件、智能加工單元控制軟件等信息化資源和手段對課程進(jìn)行信息化教學(xué)設(shè)計(jì)，使枯燥抽象的知識和技能能生動、直觀呈現(xiàn)，將學(xué)生從傳統(tǒng)繁重的參數(shù)查詢、程序背誦、機(jī)械加工中解放出來，聚焦三大核心能力、五項(xiàng)關(guān)鍵素質(zhì)培養(yǎng)，打造真正的智能工將，開創(chuàng)具有可推廣性的智能制造高端人才培養(yǎng)模式。