“數控及伺服技術”課程教學實踐探索

陳荷燕，賈茜

(南京工程學院工業中心，江蘇南京211167)

工程教育與工程生產實踐的關系經歷了否定之否定的螺旋式發展，從以師徒傳承式的經驗指導實踐到專家學者傳授式的工程科學理論知識的教育，進而發展到融合理論知識學習與工程實踐為一體的CDIO模式。CDIO是英文單詞構思Conceive、設計Design、實施Implement、運行Operate，其核心理念是“做中學”和“基于項目教育和學習”［1］，在繼續加強基礎理論學習的基礎上，向關注生產實踐回歸，以全生命周期的項目開發形式為載體來培養學生多元能力。

本文對我校工業中心機械設計制造及其自動化專業(數控加工與維修方向)的專業核心課程數控及伺服技術進行教學實踐探索，著眼于該課程需要學生學到哪些知識，形成和提高哪些能力，采用什么樣的教學方法和手段保證學生更好地掌握這些知識和能力，即工程教育者要面對的“做什么”和“如何做”的問題，以及如何建立能更客觀、公正、提高學生學習積極主動性的教學考核機制。

1 CDIO理念下的課程內容體系

“數控及伺服技術”課程的前身是“數控原理與系統”和“伺服系統”兩門課程，這兩門課程授課次序有先后，但數控裝置與伺服系統之間信息關聯緊密，另外，機床檢測裝置也與機床的各運動驅動系統緊密相關。課程整合前，學生習得的知識呈零散化和碎片化，無法對某一項目有整體性和系統性的認知與把握。整合后，教師把較抽象的、難理解掌握的伺服系統課程中的理論知識貫穿到學生較熟悉的數控機床上，讓學生充分體會伺服系統的橋梁作用，加強了課程的專業針對性，減少了課時，進而形成系統、整體的知識體系。

數控及伺服技術課程內容分為3大組成部分:

1)數控機床的控制原理。數控機床的控制原理是本課程的基礎，使學生了解數控系統的基本結構，掌握數控系統的基本工作原理，包括數控裝置內部數據流轉換過程中的譯碼與診斷、刀補計算，以及插補運算等。

2)數控機床的檢測裝置。位置控制系統是指以機械位置或角度作為控制對象的自動控制系統［2］367。在數控機床中，位置檢測裝置檢測位移和速度，發送位置檢測反饋信號給數控裝置或伺服裝置。本部分主要介紹數控機床常用的檢測裝置:旋轉變壓器、感應同步器、光柵、編碼器和磁柵，根據學時多少靈活分配。

3)數控機床的伺服驅動技術。數控機床伺服驅動系統是以機床移動部件(如工作臺、主軸或刀架)的位置和速度為控制量的自動控制系統［3］242，是一種精密的位置跟蹤與定位系統［4］201，伺服進給運動和主軸運動是機床的基本成形運動。本部分要求理解和掌握步進伺服系統、直流伺服系統、交流伺服系統的相關知識，學會采用仿真和基于實驗臺的方式理解各系統的靜、動態性能，基于實驗室已有設備了解驅動裝置與數控裝置之間的信號連接，以及進給運動參數設置。

2 CDIO理念下的課程授課方法體系探索

在傳統教學模式中，學生提問、建立假設并驗證其假設的機會較少，將所學理論知識與工業現場操作相結合的機會更少。CDIO的教學理念則是讓學生以主動的、實踐的、課程之間有機聯系的方式學習工程，以綜合的培養方式使學生在工程基礎知識、個人能力、人際團隊能力和工程系統能力4個層面上達到預定目標。筆者在數控及伺服技術課程教學過程中以CDIO工程教育理念為指導，對課程教學方法進行實踐探索，逐步構建了由課內理論教學、實驗教學、課外項目研究小組和網絡教學平臺組合為一體的授課體系。

2.1 課內理論與實驗教學

從學習效果出發，將常規的理論課堂適度地搬到實驗室，避免理論知識講解過程中抽象的“空對空”。但由于實驗室里的實驗裝置大多是成套完善的，給予二次開發的空間不足，導致綜合性實驗項目難以開展。數控及伺服技術課程探索將課內實驗項目與課外項目相結合，把較系統的、涉及知識面較多的課外項目分解成若干個實驗項目，平時學生以小組的形式在小助教的協助下完成所選實驗項目。逐項完成若干實驗項目后，就具有了完成較系統的課外項目的基本理論知識和相關實驗儀器操作能力。

2.2 “課外項目研究小組”教學方法

為了貫徹CDIO“做中學”和“基于項目教育和學習”的教學理念，我校工業中心開展了基于CDIO教學理念的課外能力進階的系列化探究式項目教學，以項目教學為載體，培養學生的系統觀。依據項目涉及的專業知識和項目的規模，設置了一級、二級和三級項目，其中二級項目引導課程模塊(相關核心課程組)的學習，三級項目引導單門課程內容的學習。

數控及伺服技術課程將課外項目研究小組作為課堂教學的有力補充，充分利用學生課余時間和實驗室設備，以專業方向涉及的真實工業領域的項目為基礎，根據項目生命周期進行系統設計，讓學生體驗一個項目完成的全過程，培養其人際交往和團隊協作能力。同時，教師可以把學生親身參與的項目作為教學案例，既能有的放矢地進行教學，又能增強教學互動性。

比如緊扣本專業方向的項目“兩軸數控系統實驗系統設計”，該系統主要由計算機、高速運動控制器、交流伺服驅動系統和機床機械本體組成，通過上位機控制軟件處理加工程序代碼，生成與伺服驅動器控制模式相對應的有效脈沖信號或模擬電壓信號，驅動伺服電機運行，實現對工作臺的運動控制。此項目可以把數控加工程序的譯碼與診斷、刀具半徑補償計算、二維各種插補算法實現輪廓控制、數控機床伺服軸的驅動與控制和閉環數控系統位置控制器設計與實現等實驗項目囊括在內，正好滿足數控及伺服技術課程的三級實驗項目要求，而項目“數控系統兩軸實驗系統設計”可作為包括了數控及伺服技術課程的“數控機床綜合運用模塊”的二級項目。通過這些項目的實施，貫徹了CDIO的理念，強化了實踐環節，使得學生有機會在產品/系統生命周期的情境中運用專業理論知識，并加深理解和牢固掌握專業基礎理論知識。

2.3 “網絡教學平臺”教學方法

網絡教學平臺能解決教學內容多與課時有限的矛盾，延伸了課堂教學。網絡教學平臺結構包括教學大綱、授課計劃、教學材料、課程通知、答疑討論、教學筆記、課外項目研究小組、課程作業、學生團隊學習成果等。其中“答疑討論”以論壇形式開展與本課程相關專業話題的討論;“教學筆記”有利于教師和學生及時對教學、研究活動進行經驗總結和反思;“課外項目研究小組”對應于2.2節所述內容，以網絡為媒介加強了教師與學生的溝通;“課程作業”欄目以問題為導向，要求學生自主收集和整理資料，對問題進行分析并提出解決方案，從而將課堂教學活動延伸到課堂之外;“學生團隊學習成果”展示學生們在學習本課程中團隊學習的成果，包括項目方案、樣機制作過程視頻和相關圖片、研究報告等。

網絡教學平臺為師生提供了一個共同參與、互動交流的虛擬空間。該空間內，教師為主導，學生為主體，改變“封閉式教育”為“開放式教育”，改變“接受式學習”為“探究式學習”，由“要我學”轉為“我要學”，充分提高學生的學習能力和綜合素質，進而提升崗位勝任力。

2.4 “教師+小助教模式”教學方法

以“教師+小助教模式”的教學方法來激發學生的內驅力和培養學生的自主學習能力。教師選擇優秀學生加入小助教團隊，先對小助教開展教學實驗、實訓、項目的培訓，然后讓小助教在教學中輔助教師。這既能鍛煉參與做小助教的優秀學生，激發其內驅力和自主學習能力，又可緩解有限教學資源與較大學生規模之間的矛盾。此外，教師有更多時間鉆研教學、自我提高，不斷改進教學方法，提升教學質量和效果。

依上所述，該教學方法體系的構建，使學生不僅能在以項目為載體的工程領域的具體情境中掌握本課程的相關知識、提高個人職業技能，還能在項目實施過程中參與團隊合作，掌握人際交往技能。

3 CDIO理念下課程的教學質量監控

數控及伺服技術課程理論知識及其應用實踐采用了課外項目的形式，對該課程的教學質量監控則采用純理論的課程考核和項目的考核。1)純理論的課程考核。采用常規的紙質閉卷考試，考查學生對本課程知識的掌握和理解程度。2)項目的考核。課外項目的考核考查學生對本課程理論知識的實踐應用的熟練程度。考核不僅對項目成果質量有要求，還對項目的完成過程質量有要求。成果質量和過程質量相結合，可以更客觀地評定學生，也可鞭策學生。平時，教師不定時地對學生進行輔導和過程考核。結項時，教師隨機抽檢項目方案過程中的一部分，學生要想通過考核，則必須把握整個方案實現過程所涉及的理論層面上的知識和實驗技能。這種考核方式在一定程度上能促進學生提升團隊合作能力、溝通能力和系統思維能力。

4 結語

本文對數控及伺服技術課程進行基于CDIO理念下的教學內容、授課方法體系和教學質量監控方法的實踐探索，使課程教學由抽象變為更實際，由枯燥學習轉為生動學習，由被動學習轉為探索學習。但仍有一些問題亟需解決:1)教學資源(師資隊伍和教學設備)的有限與學生規模比較大之間的矛盾;2)課程教學對工程經驗要求較高與教師工程實踐能力較弱之間的矛盾。因此，學校需積極培養“雙師型”教師，使教師能適應工業技術創新的快速步伐，確保課程教學過程與生產科研不脫節，讓教師能不斷地更新工程知識，提高項目解決能力，同時為學生提供較好、較新的一線工程實踐案例，使CDIO的教育理念與創新型工程應用人才的培養得到有機契合。

［1］王碩旺，洪成文.CDIO:美國麻省理工學院工程教育的經典模式——基于對CDIO課程大綱的解讀［J］.理工高教研究，2009(4):116－119.

［2］郁建平.機電控制技術［M］.北京:科學出版社，2006.

［3］陳蔚芳，王宏濤.機床數控技術及應用［M］.北京:科學出版社，2008.

［4］錢平.伺服系統［M］.2版.北京:機械工業出版社，2011.