聂学俊

北京工商大学材料与机械工程学院 北京 100048

2015年，中国制定了《中国制造2025》，旨在通过创新驱动、智能转型、强化基础、绿色发展加快从制造大国向制造强国转化[1]。在《中国制造2025》中高档机床与机器人已被明确列为需重点发展的十大领域之一。

数控技术是现代制造技术的基础，它的广泛应用引起了制造业领域的重大变革。数控技术的水准和普及程度已经成为衡量一个国家制造业水平的重要标志。随着我国由制造大国向制造强国转变，数控机床的普及率将会逐步提高，要实现“中国制造2025”的远景目标，离不开大量在制造、数控加工、数控机床等相关领域有较深造诣的人才队伍。加强数控技术教学、培养数控人才是实现机械制造业智能化的关键。

作为培养高层次、高素质人才的大学本科教学，为社会培养所亟须的数控人才义不容辞。如何培养出既有坚实的理论与学术基础，又具备一定的工程应用实践能力的社会所需数控人才，是我们专业教师需要认真思索的问题。

1 数控技术课程现状

数控技术是传统的机械制造技术与微电子、计算机、信息处理、现代控制理论、检测技术及光电磁等多学科技术的融合，需要多学科的预备知识。但由于课程的衔接关系和教学计划进度安排，不可能在学生基本知识全部具备后再开设本课程，因此造成本课程学习时学生知识储备不足的现状，学生专业基础参差不齐。

2 数控技术课程教学改革

数控技术是我校机械工程专业的一门专业课，为了实现“中国制造2025”目标，提高学生的数控技术应用能力，为国家培养具有创新能力的数控人才，因此，有必要对本课程的内容与实践教学进行改革创新。

2.1 了解学生特点和知识结构 适当调整数控技术课程内容

在开展数控技术教学活动前，对学生前期的知识结构进行分析研究，了解学生的特点和已有的知识结构，对数控技术教材内容做适当处理；在进行数控技术课程教学时，把后续课程涉及的知识点提出来(如单片机接口技术、PLC控制等)，将其在数控系统中的作用讲清楚，并提出要求，促使学生带着问题和任务学习后续相关课程，并且在卓越工程师实训及毕业设计中进行综合应用。

2.2 结合数控技术新发展 实施启发式教学

大学授课不能是简单、枯燥的知识传授，应该引导学生独立思考，进行所学知识的融合，这也正是启发式教学的主旨。在数控技术的授课中，可以将授课内容与国际的科技发展、国家的科技进步、教师的科研成果相结合，实施启发式教学。例如，当前微电子、计算机等技术发展神速，促进了数控技术的不断进步和发展。启发学生对数控技术发展方向和国内外数控技术差距的思考。又如，目前3D打印技术发展迅速，应用也十分广泛，由此启发学生思考3D打印机与课程所讲授的数控机床有何异同，能不能根据数控机床开发3D打印机。在随后学期开设的机械设计综合实训课程中，有学生想起此问题，并成功设计制作了三维激光雕刻机。在数控机床伺服系统一章，提到了各种伺服电机及进给伺服系统，内容多而杂。此时，引导学生采用自动控制原理分析系统的手段，应用已学控制系统理论知识对数控机床进给系统进行分析，从而启发学生应用同种手段和工具对数控机床的爬行现象进行分析等。启发式教学重在培养学生通过思考获取知识，进而解决实际问题并由此获得解决问题的方法和能力。

2.3 改革理论教学 采用PBL教学法 实施研讨式教学

PBL(Problem Based Learning)教学法[2]是以问题为导向的教学方法，PBL强调以学生的主动学习为主，它设计真实性任务，强调把学习设置到复杂的、有意义的问题情景中，通过学习者的自主探究和合作解决问题，从而学习隐含在问题背后的科学知识，形成解决问题的技能和自主学习的能力。

根据数控技术教学内容，既可以把有些较为发散、枯燥、学生理解起来难度不大但讲起来乏味的内容集中起来作为一个专题(如数控技术新发展)；也可以对一些难以接受的内容，在一章的课堂教学结束后，由学生进行总结(如数控系统插补算法总结与改进)；或者对于数控技术中一些实际的问题让学生进行讨论和思索，提出自己的想法(如数控系统刀具半径补偿算法改进)。在PBL的具体实施中，将学生分为5人一组的学习小组，每个小组针对一个专题在课下查阅一定数量的、最新的中外文献，进行总结归纳，提出自己的观点。在课堂上，小组成员要在限定的时间内在讲台上向全班学生讲解该专题，并接受班级学生的质询。通过这种方式，学生体会到了自主学习的乐趣，同时学生的总结、提炼和语言表达能力得到了锻炼，创造性思维得到培养，不再一味相信教材，可以质疑并提出自己的新思想。而学生所做的一切在课程的学期成绩中也会有体现。PBL法的精髓在于发挥问题对学习过程的指导作用，调动学生的主动性和积极性。实践证明，学生对此环节高度重视，并取得满意效果。

2.4 充分利用计算机仿真手段 达到教学效果最优化

数控技术课程内容多、理论多、算法多[3]，如果仅讲理论和算法，学生听起来会觉得很枯燥，没有参与感。这就需要将一些理论和算法在计算机上仿真实现，这样学生在观察仿真的过程中发现问题、提出问题，进而提出新的想法。仿真已成为当代教学必不可少的工具。

当然，课程教学的形式不限于此。教师根据课程教学目标、内容和学生的实际情况灵活运用各种教学原则，合理选择和运用现代教学媒体和网络资源，将各种多媒体信息和教学过程有机结合，充分调动学生的学习积极性，发挥“学生为主体，教师为主导”的作用，达到好的教学效果。

3 数控技术课程的实验改革

数控技术是一门理论与实践结合紧密的课程[4,5]，教材中有许多内容需要学生在实验和实践中将课程理论与实验的感性认识结合起来，进而深刻体会教材内容的奥妙之处，从而激发学生进行更加深入的思考，引起学生学习数控技术课程的兴趣和创造力，真正做到学以致用。

而CDIO的教育理念就是通过项目教学的模式使学生理论与实践有机结合，提高学生综合能力和创新能力[6,7]。应用CDIO教学法将数控技术实践教学中的各个实验以项目的形式进行。以综合应用软件、半实物仿真与实际实验环境和学生的知识结构将数控技术实验分为基础实验、综合实验和创新性实验三类。

3.1 数控技术课程的基础性实验

以数控机床结构认识、编程与加工实验为例，我校工科实践中心拥有数控车床、数控铣床等，学生可以实际操作机床并完成加工。在开设该实验时，每个学生都有实验大纲，里面包括了本次实验需要完成的任务和要求，由学生自己对工科中心的机床进行仔细观察，独立完成认识实验任务；对于数控机床(车床和铣床)的编程加工实验由学生自己设计图样，自己编程，输入到数控机床后进行加工，加工完毕后要求学生对加工产品进行分析，找出不足。每个学生的积极性非常高。在以后学期进行的实训课程中，学生就可以用数控机床加工一些简单的零件了。

在这个实验中，采用行动导向教学形式，在实验过程中充分发挥学生的主体作用和教师的主导作用，注重对学生分析问题、解决问题能力的培养，从完成实验大纲的任务着手，通过引导学生完成任务，从而实现实验教学目标。从学生接受知识的过程看，知识来源于实践，在实践中得到感性认识，经过反复实践才能上升到理性认识，并回到实践中，学生印象深刻。

3.2 数控技术课程的综合性实验

以数控技术中的插补实验为例。插补是数控技术的核心，算法多、公式多、抽象，但创新点也很多。在插补算法的理论学习结束后，为了加强学生对插补算法作用的认识，理解插补算法在数控系统中的实现过程，要求学生以常规的插补算法应用可视化高级语言编程，在计算机屏幕上动态显示插补轨迹，并由此分析相关插补算法的精度和速度，提出能否有更好的插补算法？这个实验既培养了学生自学高级语言编程的能力，又锻炼了学生的创新性思维，起到了好的效果。

同样，数控机床刀具半径补偿算法的计算机编程实验也考验了学生的自学能力和编程能力，并由此考虑到数控机床真正加工时刀具面临的各种实际问题，能否在编程中得以解决？这样，学生的思考能力得到进一步加强。

3.3 数控技术课程的创新性实验

由于实验条件所限，并不是所有实验都可以通过硬件开设出。借助MatLab/Simulink软件的强大仿真功能，进行伺服电机的半物理仿真和进给伺服系统的仿真。应用MatLab/Simulink提供的各种伺服电机的物理模型可以构建数控机床伺服电机半物理仿真模型，对伺服电机进行性能仿真和调速仿真，加深学生对各种伺服电机原理和性能的了解和掌握。再进一步将测控原理与数控技术相结合，构建数控机床进给伺服系统模型，对开环、半闭环、闭环进给伺服系统进行仿真，运用所学测控理论知识对所仿真的进给伺服系统性能提出参考建议。

仿真实验培养了学生的创新思维，深化学生对数控机床的整体认识，拓宽了学生的知识面，提高了学生的自学能力，提升了学习兴趣与教学质量。

由于数控技术课时及课程间的衔接关系，有些综合性和创新性实验需要学生在进一步学习相关课程后才能完成，如数控系统的操作面板设计，需要用到单片机接口技术的知识，数控机床自动换刀系统需要用到PLC方面的知识等。这些实验可以作为数控技术课程学习的后续环节，根据学生的学习能力，由学生自主完成。

4 结语

通过数控技术课程的教学和实验内容的改革与实践，实现数控技术课程的知识传授和学生综合能力的引导，理论和实际相结合，“教”与“学”互动，激发了学生的学习兴趣和思考能力，融洽了师生关系，为提高数控技术课程教学质量提供了有力的保障。