新工科背景下“機床與數控機床”課程教學改革探索

莫東鳴

(重慶工業職業技術學院 機械工程與自動化學院，重慶 401120)

0 引言

進入21世紀，新一輪科技革命與產業變革大幅度地改變了人類生活、生產方式，“中國制造2025”與“工業4.0”等一系列國家戰略，使工程教育面臨著工程“新業態”的重大挑戰，促使“新工科”誕生[1]。新工科專業是指針對傳統工科專業，加入互聯網和工業智能等技術進行升級改造的新興專業。在新工科背景下，機床在制造業的應用也勢必發生相應的改變。傳統機床生產出來的產品越來越難以滿足大眾日新月異的消費需求，數控機床在智能制造行業中擔當主角的現象也在召喚教育行業對新機床、數控機床、加工中心應用技能人才的培養。然而，在新工科背景下，行業、企業用人需求的新變化對相關專業核心課程的教學適應性及質量也提出了更高的要求，基于以上實際情況，對高職院校數控技術專業“機床與數控機床”課程進行適應新工科教育的教學改革迫在眉睫。

“機床與數控機床”是高職院校數控技術、機械設計與制造等專業的核心課程。該課程從金屬切削機床基本原理入手，同時結合機械原理、計算機控制和伺服驅動等技術，即數控機床教學內容，以實際應用為導向，使學生認識金屬切削機床的分類、結構和原理，培養學生在生產制造領域應用普通金屬切削機床與數控機床的能力，并為掌握機床維護保養技術打下理論基礎。

1 課程現狀分析

數控機床是以機電一體化為典型特征的加工設備，它充分結合了各種精密機械、數控系統、各種電子部件、液壓系統等精密器件，融合了機械設計、電氣自動化、數控技術等多種學科知識。數控機床的結構發展演進過程經歷了結構布局和材料選用等方面的技術進步，典型的數控機床結構演進從早期的2軸進給平床身、斜床身等經典結構，發展到4軸可用于加工回轉類零件高效率車削的加工中心，進一步發展為4軸聯動、5軸聯動的多功能車銑復合加工中心；伴隨著工業化進程的發展，機床的進化也呈現出在各個時代的技術特點：從普通機床誕生伊始的機械驅動/手工操作的機床1.0，到1954年第一臺數控機床代表的電力驅動/數字控制機床2.0，再到20世紀80年代的計算機數字控制的機床3.0，到當前正在向賽博物理機床(Cyber-physical machine)/云解決方案的機床4.0，這些機床更新換代的變化，使得課程教學具有一定的復雜性、抽象性與多樣性[2]。目前，“機床與數控機床”課程的主要板塊包括：“普通金屬切削機床”與“數控機床”。目前，教材中“普通金屬切削機床”板塊，主要介紹機床2.0電力驅動機床類型；教材的數控機床板塊，主要介紹機床2.0數字控制的機床、計算機數字控制的機床3.0，教材對機床4.0部分還未介紹，需要教師在教學資料中進行更新、補充，這些變化都要求教師不僅需要具有廣闊的學科知識，還需要在授課內容中增加前沿科技信息介紹與相關案例[3]。以下具體從教學內容及課時分配、實驗項目的設置兩部分分析課程現狀。

1.1 各教學環節學時分配

目前，高職院校該課程的教材大多選取何萍、黎震主編的《金屬切削機床概論》，各教學項目學時分配情況如表1所示，教學環節包含了課堂理論教學與實驗實踐兩種類型。緒論介紹了金屬切削機床的產生背景、我國機床產業的發展歷史與全球機床產業的現狀，并介紹了機床的分類和機床型號的編制方法。項目1主要介紹機床的傳動系統圖等基礎知識；項目2—5介紹普通機床的常用類型，即車床、磨床、齒輪加工機床等機床的工作原理、結構與分類；項目6為數控機床的學習環節，介紹了機床的分類方法，常用數控車床、數控銑床、加工中心的機械結構組成及工作原理。

1.2 實驗項目的設置與內容提要

“機床與數控機床”的學習能為學生將來使用、維修機床打下基礎，作為高職學生，課堂上必須設置實驗項目，通過實驗加強學生對企業常用機床的應用實踐能力，觸類旁通，為他們理解各類型機床、數控機床、加工中心提供實體操作機會。本門課程共設實驗項目3個，每個實驗項目占2個學時，實驗項目的設置與內容提要如表2所示。

從以上教學內容及課時分配、實驗項目的設置兩部分，具體分析課程現狀：

首先，從教學各項目學時安排來看，“金屬切削機床”這部分共有36學時，占總課時的62.1%，“數控機床”部分共有22學時，占總課時的37.9%。從普通機床與數控機床在市場的占有率及使用率來看，隨著2002年我國加入WTO,我國數控機床進入高速發展時期。至2016年，我國機床工業的產出數控化率和機床市場的消費數控化率接近80%[4]。在教學中，應該把教學重點向“數控機床”部分傾斜。因此，應該在教學中對項目6、項目7增多學時分配。

表1 課程內容及課時分配

表2 課程實驗項目的設置

其次，從教學內容安排來看，普通金屬切削機床的學習內容涵蓋了車床、銑床、磨床、滾齒機、鏜床等其他機床類型，內容較廣，而數控機床部分，只在實驗實踐部分針對加工中心介紹了其機床系統構成，缺少合適的數控機床教學案例，尤其是機床4.0對應的機床類型，可以增加車銑復合數控加工機床、多軸數控加工中心的機床作為學習案例。對理論與實驗實踐教學環節安排分析可見，課程理論教學部分分配占比為90%，實驗實踐占比為10%，實驗實踐環節占比較低，從利用現有實驗設備、實驗平臺，以及培養高職學生的角度來看，都應加強學生的實驗實踐學習比重。

2 具體改革內容

2.1 優化課程教學大綱

新工科的目的是為了培養能夠適應、甚至引領未來工程需求的創新性卓越工程技術人才[5]。課程教學大綱是實現人才培養目標的重要抓手和著力點，要緊緊圍繞這一培養目的開展相關課程設置。新工科背景下的數控技術人才培養目標，即培養能在生產第一線從事操作、裝配、調試機床機械、電氣及軟體，既能動腦又能動手的高素質技術技能型人才[6]。對應教學內容，學生除了應該熟練掌握普通機床與數控機床的分類、結構、操作、數控原理及系統知識，還應加強數控機床部分計算機控制技術、檢測傳感等方面的知識與技能。與此同時，可以按照機床發展歷程，增添機床4.0部分涉及的4軸聯動和5軸聯動的銑削加工中心、多功能銑車復合加工中心、應用虛擬軸的并聯或串并聯結合5軸聯動機床、3D打印機床實踐案例，補充“增材加工+切削加工”功能的增減材混合加工新型結構機床的實例。因此，在教學大綱中，要相應地根據當前行業機床使用趨勢、人才培養目標、教學內容進行增添、融入與優化。教學安排上，可更側重數控機床部分的教學，由于教學學時的限制，可以多分配學時給數控機床部分內容，對于前面的普通金屬切削機床的各種類型也可略有涉及。

2.2 課程思政

“立德樹人”是高等學校的根本任務，課堂教學是學校教育的主陣地；“機床與數控機床”是機械設計與制造專業的核心專業課，制造加工大多要通過各種金屬切削機床與數控機床進行，使用機床與數控機床是工業生產的基礎，在授課中應注重思政內容與課程內容的融會貫通。在以往的授課中，“機床與數控機床”的教學一般偏重于理論講解，講解內容主要針對“機床結構及機床分類”，忽視了對學生在專業課程中正確的世界觀、人生觀、價值觀的樹立及引導。應在課程中引入思政元素，激發學生科技報國的決心，在實際工作崗位中弘揚工匠精神，為科技進步刻苦鉆研、刻苦實踐，教育學生恪守職業道德,甘于奉獻社會[7]。

為了更好地開展課程思政，學院教師全員參加了高校教師課程思政教學能力培訓，開展了兩批次的校級課程思政示范課、示范專業培育建設，組織實施了三屆課程思政教學設計大賽，舉行了第一屆課程思政微課大賽，通過以上的建設、學習和比賽，提升了全校教師課程思政的教學能力。同時，學院還要求在各專業人才培養方案中增添課程思政的內容，要求各門課程的授課計劃中設置每節課3分鐘以上的思政內容。

教師在對“機床與數控機床”課程開展教案設計及授課過程中，可在課程中引入“大國工匠”的案例。例如：在講解數控機床時，可介紹我國國產數控機床市場在全球的競爭力，讓學生了解2015年國家全面推進實施制造強國戰略，“高檔數控機床和機器人”等領域被列為重點，增強學生學習的自信心與自豪感。同時，啟發學生認識到我國數控機床產業發展的短板——創新能力不足、核心技術缺失、專業人才不足等問題仍較為突出，激勵學生奮發圖強，為我國機床產業未來的發展努力學習。另外，還可向學生介紹機床產業中的工匠榜樣：從機修鉗工成長為數控設備維修專家的“中國質量工匠”劉云清；2019年，獲得全國五一勞動獎章的數控機床領域的“鏗鏘玫瑰”蓋立亞，用這些案例幫助學生在懂機床、用機床、修機床的三大領域立志成為高技能人才。

2.3 優化教學內容，創新教學方法

教學內容上，首先在“機床與數控機床”經典教學中，各類型機床的特征及結構基本是由教師直接在課堂講授，學生對實際的機床的組成及構成部分少有直觀的認識，很難將理論與實際結合起來，學習效果欠佳。隨著計算機技術等多媒體技術的發展，教師可以將傳統的教學資料改成活頁式教材、可視化VR教材，在教學資料中加入相關機床的最新信息。例如：在項目7數控機床的主傳動系統、進給傳動系統、換刀裝置、位置檢測裝置部分加入最新的“5軸聯動數控機床”等機床類型的圖片及相關資料，幫助學生理解課程中的各傳動系統，也為學生了解最新機床前沿打下基礎。

其次，調整理論教學內容和實驗教學比重，需要增加實驗教學的課時。“機床與數控機床”作為“數控機床加工編程”等后續加工操作課程的先導課程，最終要為培養學生的實踐、工程設計能力提供基礎。目前，學院“機床與數控機床”的實驗教學為6學時，包含車床、齒輪加工機床、加工中心3個實驗項目，可以看到實驗項目沒有覆蓋大部分的機床類型，沒有充分發掘學院現有的機床設備用以教學。在今后的教學內容安排上，可以增加學院聯合德國工商會、德國德馬吉森精機公司引入的“數控技術職業能力培養教學標準”、德國雙元制“金屬切削機械工”的職業培訓條例和大綱，在數控技術教改班等班級中，進行AHK-DMG MORI 5軸數控加工技術、車銑復合數控加工技術的培訓。在實驗教學內容的優化上，通過表2的分析可見，實驗項目多為觀察型實驗，設計型、驗證型實驗較少。在該部分的教學內容改革中，可以增加設計型綜合實驗，提升學生在實驗中的參與度，通過直接參與案例，引導學生進一步思考，加深對學習內容的理解，提高學生的邏輯思維能力和推導驗證能力。

教學方法上，傳統的教學方式為教師按機床類型逐章講授，然后布置作業，學生通過完成課后作業鞏固理論知識。新工科背景下這種教學模式已經不再適應新的教學內容及人才培養目標，應該創新教學模式，以多種教學方式協同育人，提倡在授課過程中引入“翻轉課堂”教學法，利用和優化“職教云”“云班課”等大部分教師在疫情期間已使用、已搭建的教學平臺，在課堂教學現場啟發、引導、互動式地開展教學，鼓勵學生討論問題，以項目小組為單位參與課堂和課后練習，提高學生學習興趣，從而提高教學質量。

2.4 優化考核評價方法，著力培養應用型人才

“機床與數控機床”的學習對象為機床，與機床操作密切相關。傳統的考核方式以試卷考核為主，側重對學生理論知識記憶的考查。在新工科背景下，本課程的考查將分為兩部分，即“基礎單元技能考核”與“技術增強型考核”。

一是基礎單元技能考核，依據各類型機床的不同特點，選擇一個代表性的機床，觸類旁通，通過該代表性的機床，學習該類型機床的通用特性。專業教師通過聯合企業師傅，按照操作該機床的作業管理，除了考核該機床的結構、特性、原理，可增加操作生產說明書、安全生產行為規范、合作態度等與實際操作相關的內容。

二是技術增強型考核，可針對每一種機床類型的典型機床案例，要求學生在現有設備上完成工程技術的更新和優化，教師再根據學生提出方案的創新性和解決問題的能力進行評價。例如：在學習數控機床的傳動結構分類時，以往的學習是直接羅列幾種常用結構的名稱及構成，卻未說明各自適合使用的場合及特點。在考核方法上，這一環節的考查就采用書面選擇題或者簡答題的方式，學生靠機械記憶來學習這一知識點。在優化考核評價方法后，教師可以在這一環節的教學中，讓學生針對傳統的“電動機+皮帶輪+速比齒輪”的主傳動系統及“電動機+齒輪減速器”的進給系統的缺點是什么、如何消除中間傳動鏈的間隙誤差對機床加工精度的影響等問題設計機床優化方法，即引導學生對電主軸、電滾珠絲杠、直線電機等新技術以直接驅動方式的學習，這也是數控機床加工精度得以提升的基礎所在。以上考核方式的改革，可促進對學生工程能力、動手能力、創新能力的考查，更適合應用型人才的培養。

2.5 加強校企合作，提升學生職業技能水平

高職院校要發展新工科教育，一定不能忘記人才的培養目標與區域經濟的發展、企業用人需求密不可分[8]。學院十分重視企業、行業的用人需求，多次開展相關教研課題進行相關企業的用人需求調研；緊緊圍繞《中國制造2025》和《重慶市推動制造業高質量發展專項行動方案(2019—2022年)》等發展振興戰略，重點對接重慶汽車領域內模具數字化設計與智能制造產業鏈中的關鍵核心技術：模具數字化設計、智能工裝設計、多軸編程與加工、工業機器人控制、智能傳感器檢測與控制、工業大數據分析、3D打印等，并以此為主攻方向開展人才培養和技術研究，打造復合型的高素質技術技能型創新人才。學院積極與元創、長安等企業緊密結合，服務于企業，目前已開發高新技術產品1項，成果轉化10項。另外，學院還組建了重慶市高校工程研究中心——數字化設計與制造工程研究中心，現擁有“智能制造實訓中心”“先進制造技術實訓中心”“FANUC數控系統應用中心”“DMG MORI中國認證智能制造中心”，學院充分利用社會資源與現有校內硬件資源，建設學生實踐基地。按照校企協同發展原則，聘請以上相關企業技術骨干為指導教師進入教學團隊，讓學生及時了解企業的生產實際及機床的實際使用情況，構建實踐教學為一體的課程教學體系。

3 結語

在新工科建設背景下，高職院校數控專業的專業核心課程“機床與數控機床”課程改革面臨著很多挑戰。文章從教學環節時長分配、實驗項目的設置兩方面進行了課程現狀分析，針對課程教學提出了：融課程思政于教學內容中；根據教學目的與教學內容優化課程教學大綱；優化教學內容，創新學習方法；優化考核評價方法，促進學生工程能力、動手能力、創新能力的考查；加強校企合作，打造復合型高素質技術技能型創新人才五點改革策略，助力高職院校同類課程教學改革的實施。