數控原理與系統課程教學改革與實踐

賈茜+汪木蘭+劉樹青+宗亞妹

[摘 要]為培養適應社會發展需要的應用型數控人才，針對數控原理與系統這門專業核心課程及相關實踐環節，需要進行教學改革。在理論教學中，應突出“源于實踐，聯系實踐，指導實踐”的教學理念，結合多種教學方法進行授課。在實踐教學中，引入以學生為主體的項目教學法，引導學生動腦、動手、通過交流與合作來完成項目任務。該課程的教學改革有利于提高學生學習的積極性，增強學生的動手實踐能力，培養學生的系統工程意識和團隊意識。

[關鍵詞]數控原理；教學改革；項目教學

[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2017）04-0056-03

數控機床是一種精密的機電一體化產品，它綜合了機械、計算機、微電子、自動化等領域的最新技術，是制造業發展的基礎和不可或缺的重要環節。隨著數控機床在現代機械制造系統中所占比重的增加，國內對于優秀數控人才的需求也在不斷增加，尤其是高水平的數控機床設計、編程和維護的復合型人才缺口很大。[1]

在適應社會發展，培養應用型人才的背景之下，南京工程學院對數控技術相關課程進行了改革和探索，以提高學生的理論和實踐水平，增強學生的工程實踐能力，培養學生的系統工程意識。本文從數控原理與系統課程入手，圍繞如何提高該課程的教學效果和教學質量展開了一系列的討論和研究。

一、課程內容及特點

數控原理與系統是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，也是一門理論性強、知識面廣、綜合性強、技術發展迅速的課程。[2]該課程分為理論教學和實踐教學兩部分。理論教學以數控系統內部信息流為主線，從數控加工程序的輸入開始，到位置控制輸出為止，介紹了刀具補償原理、輪廓插補原理、進給運動的控制、主軸驅動及控制、PLC及輔助功能實現等內容。實踐教學包含課內實驗和后續兩周的數控機床安裝調試實習。該課程是對數控系統工作原理的全面系統闡述，也是進行數控編程及加工、數控機床故障診斷與維護的理論基礎。數控原理與系統課程的教學效果直接影響后續課程的開展，影響到學生今后從事數控系統的開發、數控加工、安裝調試和維護的能力。

二、“源于實踐，聯系實踐，指導實踐”的教學理念

數控原理與系統的授課內容與數控機床的編程和操作聯系緊密，并且直接影響數控加工的質量和效率。為此，我們提出了“源于實踐，聯系實踐，指導實踐”的教學理念。

在理論教學中，在學生掌握基本理論知識的基礎上，我們充分結合數控加工的實際情況和具體實例進行分析和講解，并采用多媒體教學、軟件仿真、課堂討論等多種教學手段加深學生對知識的理解和掌握。在實踐教學中，我們引入以學生為主體的項目教學法，將課程所涉及的知識和技能通過一個明確的“項目任務”布置給學生，學生根據任務要求，運用所學的知識和技能，采用“團隊學習”的方法，動腦、動手、交流和合作，最終完成項目任務。[3]

貫徹“源于實踐，聯系實踐，指導實踐”的教學理念，綜合運用多種教學方法和手段，既可以避免由于教學手段單一而造成的內容枯燥、缺乏系統性的問題，又密切了理論知識與生產實踐的聯系，提高了學生學習積極性和主動性，還有助于學生工程實踐能力和團隊意識的培養。

三、采用多種方法提高理論教學效果

傳統的理論教學注重公式的推導，算法流程的分析，強調單個知識點的掌握，往往忽視理論知識與實踐的聯系。為了克服傳統教學方法的不足，結合數控原理與系統課程的特點，我們采用多種教學方法和手段進行理論教學改革，加深學生對知識的理解和掌握，密切理論知識與數控機床安裝、調試及加工操作之間的聯系，增加學生解決實際問題的經驗和能力。下面分別以數控系統刀具半徑補償和輪廓插補原理的教學為例，采用教師講授、學生討論、軟件仿真、對比分析等多種方法，進行教學改革和探索。

（一）刀具半徑補償的教學實例

刀具補償在數控加工中有著非常重要的地位。該功能將控制對象由刀具中心或刀架參考點變換到刀尖或刀刃邊緣。刀具補償可以簡化數控加工程序的編寫，提高程序的利用率，對刀具磨損和換刀具有重要作用。刀具半徑補償是刀具補償中的難點。由于常用編程軌跡的連接方式和轉接過渡方式有多種，因此，刀具半徑補償的執行過程也分為三個階段24種情況。

面對如此復雜的情況，我們在授課過程中采用教師講授與學生討論相結合的方法。教師先推導幾種典型情況下轉接點的坐標計算公式，接著引導學生分析和推導其他情況下刀具半徑補償的計算方法。然后，讓學生通過仿真軟件模擬每一種情況下刀具的運行軌跡，獲得轉接點坐標，并與之前的推導結果進行印證。最后，以學生數控加工實習所完成的零件為例，介紹刀具半徑補償從建立、進行到撤銷的全部過程，以及數控系統中刀具半徑補償的相關參數設置及功能調試的要點。課堂實踐表明，講授、討論、軟件仿真以及加工實例講解相結合的方法取得了較好的教學效果，學生聽課的積極性普遍提高，對知識的理解比較深刻。

（二）輪廓插補原理的教學實例

輪廓插補是數控系統的一個重要功能，是指根據零件輪廓尺寸，結合精度和工藝等方面的要求，在已知刀具中心軌跡轉接點之間插入若干中間點的過程。[4][5]插補速度直接影響數控系統的處理速度，插補精度又直接影響數控系統的加工精度。在授課過程中，教師首先講解幾種常見輪廓插補算法的基本原理，然后通過實例與仿真軟件相結合的方法進行驗證和比較。例如，選擇一段圓弧輪廓，分別采用逐點比較法、數字積分法、比較積分法等多種方法進行插補計算，求得一系列的插值點，并繪制各自的插補軌跡圖。之后，比較各種插補軌跡與理論輪廓的誤差，選擇誤差最小的插補算法。接著，利用仿真軟件進行驗證，直觀地再現數控加工中走刀的全過程。結合理論講授、對比分析、軟件仿真等方法進行教學，能使學生對輪廓插補原理的理解更加透徹，學生對加工過程的輪廓誤差也有更深入的了解，這有利于選擇合適的插補算法，提高產品質量。

四、基于項目教學的實踐教學環節

實踐教學是數控原理與系統課程的重要教學環節，其分為課內實驗和數控機床安裝調試實習兩部分。課內實驗由于學時所限，其主要是安排驗證性實驗，以加深學生對理論課所講授知識的理解和掌握，如刀具半徑補償計算實驗、步進電機環分實驗等。數控機床安裝調試實習為期兩周，是實踐環節的重點。我們在實習中采用項目教學法，通過一個完整的“項目”，將數控原理與系統課程所涉及的知識和技能通過一個明確的“項目任務”布置給學生。學生根據任務要求，查閱資料，運用所學知識完成項目任務。項目教學法在實施過程中一般按照確定項目任務、制訂工作計劃、組織項目實施、檢查考核評估、總結評比歸檔等五個步驟展開。[6]

（一）確定項目任務

“西門子808D數控銑床安裝調試”是本實習的一個項目任務，主要由低壓電器回路設計、電氣安裝調試、數控系統驅動器調試、變頻器調試等部分構成。該項目與數控原理與系統課程中進給運動的控制、主軸驅動與控制以及PLC與輔助功能的實現等內容緊密聯系。本次任務能夠幫助學生理解和把握本課程及相關課程所涉及的知識點，掌握電氣安裝和數控系統調試的基本技能，培養學生分析問題和解決問題的思想和方法，訓練學生協調、合作的能力。

（二）制訂工作計劃

明確項目任務后，學生查閱資料，分析項目要求，討論解決方法，制訂總體方案、實施步驟、進度計劃及團隊成員的分工情況。教師負責解答疑難問題，審閱項目計劃書。

（三）組織項目實施

學生按照項目分工和實施步驟，完成各自的任務。具體的實施步驟包括：1.查閱資料，繪制西門子808D數控銑床電氣原理圖；2.根據電氣原理圖，進行電氣控制柜元器件的選型、布局及接線；3.變頻器調試；4.伺服驅動器的調試和伺服參數的設置；5.系統參數的設置及功能調試；6.PLC程序調試；7.系統數據備份及恢復。在項目進行過程中，學生是完成任務的主體，學生的學習過程從被動學習向主動學習轉變，學生從“要我學”變為“我要學”，這有效提高了學生的學習的積極性。教師除了解答疑問，進行引導之外，還要掌握項目的進度和節奏，保證任務的順利進行。

（四）檢查考核評估

在項目進行過程中，指導教師要隨時關注小組各成員的進展情況并進行記錄，各子單元調試完成后也要進行相應的考核。項目任務結束后，要按小組進行答辯，每位成員介紹自己完成的工作，指導教師根據項目完成情況、個人工作量、回答問題情況以及之前的考核記錄，給出分數。

（五）總結評比歸檔

教師對各小組的完成情況進行總結，對表現突出的小組和個人進行表揚，引導學生之間相互交流、學習和借鑒。指導教師及分管領導召開項目總結會，交流項目教學過程中的經驗、存在的問題以及改進的方向。最后將項目成果進行歸檔整理和展示。

五、總結

數控原理與系統課程是數控加工、安裝調試和維修的基礎。本文對該課程的理論教學和實踐教學環節進行了改革和探索。在理論教學中，突出“源于實踐，聯系實踐，指導實踐”的教學理念，將抽象的理論知識與具體的實際問題、現象結合起來進行講授。在實踐教學中，我們引入項目教學法，將學生作為教學的主體，通過具體的項目任務，幫助學生將理論知識融會貫通。教學實踐表明，數控原理與系統課程的改革提高了學生學習的積極性和主動性，增強了學生分析問題、解決問題的能力以及實踐動手能力，培養了學生的系統工程意識。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 徐婭萍，王潤孝.數控機床課程教學的改革與實踐[J].西北工業大學學報（社會科學版），2007（4）：78-80.

[2] 吳愛萍，汪木蘭.《數控原理與系統》課程實踐教學體系與改革[J].中國現代教育裝備，2007（3）：22-24.

[3] 汪木蘭，周明虎，李建啟.以項目教學為載體制訂先進制造技術卓越工程師培養方案[J].中國現代教育裝備，2010（12）：15-19.

[4] 何曉微，林礪宗，陳永平. 數控插補教學演示系統的開發[J].機械與電子，2002（3）：57-59.

[5] 李源，周來水. 數控教學系統研究與開發[J].機械工程與自動化，2007（6）：142-146.

[6] 陳荷燕，汪木蘭，劉樹青.項目教學法在機床電氣與PLC課程教學中的運用[J].中國現代教育裝備，2010（13）：12-14.

[7] 陳弛文，何友成，王見華.《數控加工實訓技術》說課設計[J].大學教育，2014（1）：139.

[責任編輯：陳 明]