赵文辉 孙兴伟 杨赫然 李姗姗 赵海宁

[摘           要]  数控加工综合实验是机械设计制造及其自动化专业非常重要的实践环节，对培养社会所需的数控人才的作用不可替代。依托国家科技支撑计划相关课题，进行虚实结合的数控实验教学改革，开发数控机床虚拟装配教学资源、数控加工虚拟仿真软件，并开展应用。具有虚实结合、案例导向、开放设计、过程考核等特色，教学效果良好。

[关    键   词]  虚实结合;数控实验;虚拟仿真;过程考核

[中图分类号]  G642                 [文献标志码]  A            [文章编号]  2096-0603（2019）25-0110-02

数控设备的应用在制造业发挥着重要作用，社会对掌握数控技术的复合型人才的需求增加。如何高质量地培养出社会所需的数控人才已成为相关学科面临的一大课题。多数高校数控实验设备大致有教学型数控机床和数控实验台两类。西南科技大学向倩等设计了一套既可用于数控故障诊断，又可用于生产加工的开放式数控综合实验系统[1]。冯淑敏等进行了数控系统综合实践实验室建设[2]。

随着现代机械装备向自动化、智能化方向发展，其集成度高、系统复杂，采用真实装备进行实验教学存在一些问题。装备价格昂贵，前期投入大，运行过程中资源消耗大，设备后期维护成本高，有些设备操作风险高。受资金、场地的限制，装备台套数有限导致学生参与程度低或者只能观看一些演示实验，无法满足学生实际动手能力培养的需要，开放、自主设计、创新型实验更是难以开展。优质实验资源无法开放共享。上述问题使采用真实装备进行大规模实验教学不具可行性，以致学生的实践动手能力不强、创新意识不足，制约了对高素质人才的培养。

现代信息技术特别是虚拟仿真教学的发展，改变了传统的只能依靠研习图纸、参观实习、师傅依经验传教的实践人才培养模式。虚拟仿真实验的建设与应用可以实现真实实验不具备或难以完成的教学功能，实现教学资源的低消耗、实验过程的零污染、实验容量的无限化，丰富实验教学的内容，消除实验的危险性，增加学生动手操作的机会。

2018年3月，教育部办公厅发文深入推进信息技术与高等教育教学深度融合，加快网络优质教育资源建设与应用，推进虚拟仿真实验教学项目。本文依托国家科技支撑计划相关课题，进行虚实结合的数控实验教学改革，开发数控机床虚拟装配教学资源、数控加工虚拟仿真软件，并開展应用。

一、数控加工虚拟仿真实验

学生对大型复杂机械装备制造过程的内部运行规律无法进行实验或深入理解，并且传统真实实验设备很难实现学生自主设计实验。虚拟仿真实验利用新兴的虚拟现实技术，较好地模拟、再现了真实实验不具备或难以完成的实验场景，构建了某些无法通过其他手段构建的实际工况。

本文开发数控机床虚拟装配教学资源（图1）、数控加工虚拟仿真软件（图2）。学生可以在虚拟环境中开展实验，可自主设计实验、自主修改实验参数、自主进行实验配置，达到所要求的认知与实践教学效果，实现真实实验不具备或难以完成的教学功能，还可以对大型复杂机械装备制造过程进行全流程的虚拟设计及虚拟实验，使学生对机械基础和装备制造的全过程有清楚和深入的掌握，促进知识的转化与拓展。因此，这一教学资源能很好地培养学生的自主设计实验能力、创造思维能力、实验分析能力、运用现代信息技术能力，能最大限度地利用好实验教学资源。

二、虚实结合数控加工综合实验

（一）实验方案

虚拟仿真实验密切围绕教学计划，与真实实验形成整体。实验内容主要包括典型数控机床结构认知实验，了解数控机床的基本结构组成部件及工作原理;数控程序编制实验，熟悉典型数控系统的NC程序结构，熟练掌握常用数控代码的使用;数控加工仿真实验，模拟刀具加工轨迹，了解数控机床的操作方法（实验方案如图3）。

利用虚拟仿真实验教学平台的互动功能，及时收集总结学生的反馈意见，进一步改进实验内容与教学方式。

虚拟实验过程中，采用基于问题、案例的互动式、研讨式教学，倡导自主式、合作式、探究式学习方法，学习过程中可与教师互动交流。通过虚拟仿真实验训练后，再进行针对性的实际机床操作，能迅速掌握数控编程与机床操作能力，提高实验操作效率。学生在虚拟环境中开展实验，可自主设计实验、自主修改实验参数、自主进行实验配置，达到所要求的认知与实践教学效果，实现真实实验不具备或难以完成的教学功能。

（二）教学方法

1.案例导向

实验采用案例导向，系统提供几十个实际工程图纸，学生选择其中的1个图纸进行工艺分析，再选择其中的1个工序编制数控程序。学生带着问题开始实验，实验过程中，想办法解决问题，实验结束后，总结在现有条件下解决问题的办法，分析比较其他解决方案。

2.开放设计

传统实验由于受实验装置、实验场地、实验人员的限制，以验证性实验居多。学生按照固定步骤按部就班完成实验内容，实验效果有限。虚拟仿真实验，允许学生犯错，有更大的发挥空间。在虚拟机床上操作，没有危险，初学者可以大胆尝试，更能锻炼学生的创造性思维。

3.互动讨论

传统实验学生按照老师教的步骤完成实验，互动讨论较少。而在网络化的虚拟仿真实验中，学生之间可以互相讨论，教师可以回答共性问题，形成良性互动。学生还可对教师的实验教学情况进行评价。

4.过程考核

传统的实验中，教师大部分根据实验报告对实验进行考核，缺乏过程考核。虚拟仿真实验系统可记录实验过程，能全面反映实验完成情况。实验过程中教师检查和跟踪学生的学习进度，总结学生的学习情况，改进教学效果。通过线上实验课件预习、机床拆卸和装配虚拟仿真操作、制定零件数控加工工艺、编制数控加工程序、数控加工刀具轨迹仿真、模拟实际机床加工和检测等12个操作步骤完成该实验内容，每个步骤对学生的学习情况都有记录和测试。

（三）教学实践

机械工程学院实验室有Haas天大精益立式加工中心3台，数控车床5台，数控设备本身不少。机自专业数控加工综合实验24学时，1个年级10多个班级300多名学生。机床相对学生来说还是不足，学生得不到充分的练习。

2016-2017学年机自14級、2017-2018学年机自15级，开展数控编程与加工操作虚拟仿真实验应用。虚拟仿真实验利用新兴的虚拟现实技术，较好地模拟再现真实实验不具备的实验场景。学生在学习理论课程之后、真实实验之前，通过虚拟仿真实验，进一步理解各知识点原理，熟悉实验过程、实验器械。学生经过虚拟仿真实验后，快速掌握实验内容，用较短的时间更好地完成真实操作。通过仿真实验与实际操作实验的虚实结合、相互补充、优化配置，全面提升学生在实验教学环节中的自主学习能力和实验效果。

三、结语

数控加工综合实验是机械设计制造及其自动化专业非常重要的实践环节，本文开发数控机床虚拟装配教学资源、数控加工虚拟仿真软件，“虚实结合”开展数控编程加工综合实验。实验基于工程案例导向，实验过程开放互动，根据12个操作步骤进行过程考核，教学效果良好。

参考文献：

[1]向倩.基于FANUC数控综合实验系统的设计与研究[D].绵阳：西南科技大学，2016.

[2]冯淑敏，吴雁.数控系统综合实践实验室建设[J].课程教育研究，2016（1）：215-216.

[3]王颖，胡坤，钟南京，等.开放互动式虚实结合的实验教学模式的探索[J].大众科技，2018，20（8）：98-100.

[4]袁小平，陈烨，陈世海，等.基于“虚实结合”的电子技术实验课程群体系建设与实践[J].实验技术与管理，2018，35（8）：216-220.

[5]何俊，邓成军.面向卓越工程师培养的数控综合实验改革[J].实验室研究与探索，2017，36（3）：221-225.

[6]白泉，边晶梅，于贺，等.虚实结合的土木工程专业实践教学体系构建研究[J].高等工程教育研究，2018（4）：67-71.

[7]林秀曼，谢舒潇，吴芸.基于网络教学平台的大学生学习能力促进研究[J].电化教育研究，2013（9）：57-61.

编辑 马燕萍