新工科背景下“机床与数控机床”课程教学改革探索

莫东鸣

(重庆工业职业技术学院 机械工程与自动化学院，重庆 401120)

0 引言

进入21世纪，新一轮科技革命与产业变革大幅度地改变了人类生活、生产方式，“中国制造2025”与“工业4.0”等一系列国家战略，使工程教育面临着工程“新业态”的重大挑战，促使“新工科”诞生[1]。新工科专业是指针对传统工科专业，加入互联网和工业智能等技术进行升级改造的新兴专业。在新工科背景下，机床在制造业的应用也势必发生相应的改变。传统机床生产出来的产品越来越难以满足大众日新月异的消费需求，数控机床在智能制造行业中担当主角的现象也在召唤教育行业对新机床、数控机床、加工中心应用技能人才的培养。然而，在新工科背景下，行业、企业用人需求的新变化对相关专业核心课程的教学适应性及质量也提出了更高的要求，基于以上实际情况，对高职院校数控技术专业“机床与数控机床”课程进行适应新工科教育的教学改革迫在眉睫。

“机床与数控机床”是高职院校数控技术、机械设计与制造等专业的核心课程。该课程从金属切削机床基本原理入手，同时结合机械原理、计算机控制和伺服驱动等技术，即数控机床教学内容，以实际应用为导向，使学生认识金属切削机床的分类、结构和原理，培养学生在生产制造领域应用普通金属切削机床与数控机床的能力，并为掌握机床维护保养技术打下理论基础。

1 课程现状分析

数控机床是以机电一体化为典型特征的加工设备，它充分结合了各种精密机械、数控系统、各种电子部件、液压系统等精密器件，融合了机械设计、电气自动化、数控技术等多种学科知识。数控机床的结构发展演进过程经历了结构布局和材料选用等方面的技术进步，典型的数控机床结构演进从早期的2轴进给平床身、斜床身等经典结构，发展到4轴可用于加工回转类零件高效率车削的加工中心，进一步发展为4轴联动、5轴联动的多功能车铣复合加工中心；伴随着工业化进程的发展，机床的进化也呈现出在各个时代的技术特点：从普通机床诞生伊始的机械驱动/手工操作的机床1.0，到1954年第一台数控机床代表的电力驱动/数字控制机床2.0，再到20世纪80年代的计算机数字控制的机床3.0，到当前正在向赛博物理机床(Cyber-physical machine)/云解决方案的机床4.0，这些机床更新换代的变化，使得课程教学具有一定的复杂性、抽象性与多样性[2]。目前，“机床与数控机床”课程的主要板块包括：“普通金属切削机床”与“数控机床”。目前，教材中“普通金属切削机床”板块，主要介绍机床2.0电力驱动机床类型；教材的数控机床板块，主要介绍机床2.0数字控制的机床、计算机数字控制的机床3.0，教材对机床4.0部分还未介绍，需要教师在教学资料中进行更新、补充，这些变化都要求教师不仅需要具有广阔的学科知识，还需要在授课内容中增加前沿科技信息介绍与相关案例[3]。以下具体从教学内容及课时分配、实验项目的设置两部分分析课程现状。

1.1 各教学环节学时分配

目前，高职院校该课程的教材大多选取何萍、黎震主编的《金属切削机床概论》，各教学项目学时分配情况如表1所示，教学环节包含了课堂理论教学与实验实践两种类型。绪论介绍了金属切削机床的产生背景、我国机床产业的发展历史与全球机床产业的现状，并介绍了机床的分类和机床型号的编制方法。项目1主要介绍机床的传动系统图等基础知识；项目2—5介绍普通机床的常用类型，即车床、磨床、齿轮加工机床等机床的工作原理、结构与分类；项目6为数控机床的学习环节，介绍了机床的分类方法，常用数控车床、数控铣床、加工中心的机械结构组成及工作原理。

1.2 实验项目的设置与内容提要

“机床与数控机床”的学习能为学生将来使用、维修机床打下基础，作为高职学生，课堂上必须设置实验项目，通过实验加强学生对企业常用机床的应用实践能力，触类旁通，为他们理解各类型机床、数控机床、加工中心提供实体操作机会。本门课程共设实验项目3个，每个实验项目占2个学时，实验项目的设置与内容提要如表2所示。

从以上教学内容及课时分配、实验项目的设置两部分，具体分析课程现状：

首先，从教学各项目学时安排来看，“金属切削机床”这部分共有36学时，占总课时的62.1%，“数控机床”部分共有22学时，占总课时的37.9%。从普通机床与数控机床在市场的占有率及使用率来看，随着2002年我国加入WTO,我国数控机床进入高速发展时期。至2016年，我国机床工业的产出数控化率和机床市场的消费数控化率接近80%[4]。在教学中，应该把教学重点向“数控机床”部分倾斜。因此，应该在教学中对项目6、项目7增多学时分配。

表1 课程内容及课时分配

表2 课程实验项目的设置

其次，从教学内容安排来看，普通金属切削机床的学习内容涵盖了车床、铣床、磨床、滚齿机、镗床等其他机床类型，内容较广，而数控机床部分，只在实验实践部分针对加工中心介绍了其机床系统构成，缺少合适的数控机床教学案例，尤其是机床4.0对应的机床类型，可以增加车铣复合数控加工机床、多轴数控加工中心的机床作为学习案例。对理论与实验实践教学环节安排分析可见，课程理论教学部分分配占比为90%，实验实践占比为10%，实验实践环节占比较低，从利用现有实验设备、实验平台，以及培养高职学生的角度来看，都应加强学生的实验实践学习比重。

2 具体改革内容

2.1 优化课程教学大纲

新工科的目的是为了培养能够适应、甚至引领未来工程需求的创新性卓越工程技术人才[5]。课程教学大纲是实现人才培养目标的重要抓手和着力点，要紧紧围绕这一培养目的开展相关课程设置。新工科背景下的数控技术人才培养目标，即培养能在生产第一线从事操作、装配、调试机床机械、电气及软体，既能动脑又能动手的高素质技术技能型人才[6]。对应教学内容，学生除了应该熟练掌握普通机床与数控机床的分类、结构、操作、数控原理及系统知识，还应加强数控机床部分计算机控制技术、检测传感等方面的知识与技能。与此同时，可以按照机床发展历程，增添机床4.0部分涉及的4轴联动和5轴联动的铣削加工中心、多功能铣车复合加工中心、应用虚拟轴的并联或串并联结合5轴联动机床、3D打印机床实践案例，补充“增材加工+切削加工”功能的增减材混合加工新型结构机床的实例。因此，在教学大纲中，要相应地根据当前行业机床使用趋势、人才培养目标、教学内容进行增添、融入与优化。教学安排上，可更侧重数控机床部分的教学，由于教学学时的限制，可以多分配学时给数控机床部分内容，对于前面的普通金属切削机床的各种类型也可略有涉及。

2.2 课程思政

“立德树人”是高等学校的根本任务，课堂教学是学校教育的主阵地；“机床与数控机床”是机械设计与制造专业的核心专业课，制造加工大多要通过各种金属切削机床与数控机床进行，使用机床与数控机床是工业生产的基础，在授课中应注重思政内容与课程内容的融会贯通。在以往的授课中，“机床与数控机床”的教学一般偏重于理论讲解，讲解内容主要针对“机床结构及机床分类”，忽视了对学生在专业课程中正确的世界观、人生观、价值观的树立及引导。应在课程中引入思政元素，激发学生科技报国的决心，在实际工作岗位中弘扬工匠精神，为科技进步刻苦钻研、刻苦实践，教育学生恪守职业道德,甘于奉献社会[7]。

为了更好地开展课程思政，学院教师全员参加了高校教师课程思政教学能力培训，开展了两批次的校级课程思政示范课、示范专业培育建设，组织实施了三届课程思政教学设计大赛，举行了第一届课程思政微课大赛，通过以上的建设、学习和比赛，提升了全校教师课程思政的教学能力。同时，学院还要求在各专业人才培养方案中增添课程思政的内容，要求各门课程的授课计划中设置每节课3分钟以上的思政内容。

教师在对“机床与数控机床”课程开展教案设计及授课过程中，可在课程中引入“大国工匠”的案例。例如：在讲解数控机床时，可介绍我国国产数控机床市场在全球的竞争力，让学生了解2015年国家全面推进实施制造强国战略，“高档数控机床和机器人”等领域被列为重点，增强学生学习的自信心与自豪感。同时，启发学生认识到我国数控机床产业发展的短板——创新能力不足、核心技术缺失、专业人才不足等问题仍较为突出，激励学生奋发图强，为我国机床产业未来的发展努力学习。另外，还可向学生介绍机床产业中的工匠榜样：从机修钳工成长为数控设备维修专家的“中国质量工匠”刘云清；2019年，获得全国五一劳动奖章的数控机床领域的“铿锵玫瑰”盖立亚，用这些案例帮助学生在懂机床、用机床、修机床的三大领域立志成为高技能人才。

2.3 优化教学内容，创新教学方法

教学内容上，首先在“机床与数控机床”经典教学中，各类型机床的特征及结构基本是由教师直接在课堂讲授，学生对实际的机床的组成及构成部分少有直观的认识，很难将理论与实际结合起来，学习效果欠佳。随着计算机技术等多媒体技术的发展，教师可以将传统的教学资料改成活页式教材、可视化VR教材，在教学资料中加入相关机床的最新信息。例如：在项目7数控机床的主传动系统、进给传动系统、换刀装置、位置检测装置部分加入最新的“5轴联动数控机床”等机床类型的图片及相关资料，帮助学生理解课程中的各传动系统，也为学生了解最新机床前沿打下基础。

其次，调整理论教学内容和实验教学比重，需要增加实验教学的课时。“机床与数控机床”作为“数控机床加工编程”等后续加工操作课程的先导课程，最终要为培养学生的实践、工程设计能力提供基础。目前，学院“机床与数控机床”的实验教学为6学时，包含车床、齿轮加工机床、加工中心3个实验项目，可以看到实验项目没有覆盖大部分的机床类型，没有充分发掘学院现有的机床设备用以教学。在今后的教学内容安排上，可以增加学院联合德国工商会、德国德马吉森精机公司引入的“数控技术职业能力培养教学标准”、德国双元制“金属切削机械工”的职业培训条例和大纲，在数控技术教改班等班级中，进行AHK-DMG MORI 5轴数控加工技术、车铣复合数控加工技术的培训。在实验教学内容的优化上，通过表2的分析可见，实验项目多为观察型实验，设计型、验证型实验较少。在该部分的教学内容改革中，可以增加设计型综合实验，提升学生在实验中的参与度，通过直接参与案例，引导学生进一步思考，加深对学习内容的理解，提高学生的逻辑思维能力和推导验证能力。

教学方法上，传统的教学方式为教师按机床类型逐章讲授，然后布置作业，学生通过完成课后作业巩固理论知识。新工科背景下这种教学模式已经不再适应新的教学内容及人才培养目标，应该创新教学模式，以多种教学方式协同育人，提倡在授课过程中引入“翻转课堂”教学法，利用和优化“职教云”“云班课”等大部分教师在疫情期间已使用、已搭建的教学平台，在课堂教学现场启发、引导、互动式地开展教学，鼓励学生讨论问题，以项目小组为单位参与课堂和课后练习，提高学生学习兴趣，从而提高教学质量。

2.4 优化考核评价方法，着力培养应用型人才

“机床与数控机床”的学习对象为机床，与机床操作密切相关。传统的考核方式以试卷考核为主，侧重对学生理论知识记忆的考查。在新工科背景下，本课程的考查将分为两部分，即“基础单元技能考核”与“技术增强型考核”。

一是基础单元技能考核，依据各类型机床的不同特点，选择一个代表性的机床，触类旁通，通过该代表性的机床，学习该类型机床的通用特性。专业教师通过联合企业师傅，按照操作该机床的作业管理，除了考核该机床的结构、特性、原理，可增加操作生产说明书、安全生产行为规范、合作态度等与实际操作相关的内容。

二是技术增强型考核，可针对每一种机床类型的典型机床案例，要求学生在现有设备上完成工程技术的更新和优化，教师再根据学生提出方案的创新性和解决问题的能力进行评价。例如：在学习数控机床的传动结构分类时，以往的学习是直接罗列几种常用结构的名称及构成，却未说明各自适合使用的场合及特点。在考核方法上，这一环节的考查就采用书面选择题或者简答题的方式，学生靠机械记忆来学习这一知识点。在优化考核评价方法后，教师可以在这一环节的教学中，让学生针对传统的“电动机+皮带轮+速比齿轮”的主传动系统及“电动机+齿轮减速器”的进给系统的缺点是什么、如何消除中间传动链的间隙误差对机床加工精度的影响等问题设计机床优化方法，即引导学生对电主轴、电滚珠丝杠、直线电机等新技术以直接驱动方式的学习，这也是数控机床加工精度得以提升的基础所在。以上考核方式的改革，可促进对学生工程能力、动手能力、创新能力的考查，更适合应用型人才的培养。

2.5 加强校企合作，提升学生职业技能水平

高职院校要发展新工科教育，一定不能忘记人才的培养目标与区域经济的发展、企业用人需求密不可分[8]。学院十分重视企业、行业的用人需求，多次开展相关教研课题进行相关企业的用人需求调研；紧紧围绕《中国制造2025》和《重庆市推动制造业高质量发展专项行动方案(2019—2022年)》等发展振兴战略，重点对接重庆汽车领域内模具数字化设计与智能制造产业链中的关键核心技术：模具数字化设计、智能工装设计、多轴编程与加工、工业机器人控制、智能传感器检测与控制、工业大数据分析、3D打印等，并以此为主攻方向开展人才培养和技术研究，打造复合型的高素质技术技能型创新人才。学院积极与元创、长安等企业紧密结合，服务于企业，目前已开发高新技术产品1项，成果转化10项。另外，学院还组建了重庆市高校工程研究中心——数字化设计与制造工程研究中心，现拥有“智能制造实训中心”“先进制造技术实训中心”“FANUC数控系统应用中心”“DMG MORI中国认证智能制造中心”，学院充分利用社会资源与现有校内硬件资源，建设学生实践基地。按照校企协同发展原则，聘请以上相关企业技术骨干为指导教师进入教学团队，让学生及时了解企业的生产实际及机床的实际使用情况，构建实践教学为一体的课程教学体系。

3 结语

在新工科建设背景下，高职院校数控专业的专业核心课程“机床与数控机床”课程改革面临着很多挑战。文章从教学环节时长分配、实验项目的设置两方面进行了课程现状分析，针对课程教学提出了：融课程思政于教学内容中；根据教学目的与教学内容优化课程教学大纲；优化教学内容，创新学习方法；优化考核评价方法，促进学生工程能力、动手能力、创新能力的考查；加强校企合作，打造复合型高素质技术技能型创新人才五点改革策略，助力高职院校同类课程教学改革的实施。