数控原理与系统课程教学改革与实践
贾茜+汪木兰+刘树青+宗亚妹
[摘 要]为培养适应社会发展需要的应用型数控人才，针对数控原理与系统这门专业核心课程及相关实践环节，需要进行教学改革。在理论教学中，应突出“源于实践，联系实践，指导实践”的教学理念，结合多种教学方法进行授课。在实践教学中，引入以学生为主体的项目教学法，引导学生动脑、动手、通过交流与合作来完成项目任务。该课程的教学改革有利于提高学生学习的积极性，增强学生的动手实践能力，培养学生的系统工程意识和团队意识。
[关键词]数控原理；教学改革；项目教学
[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2017）04-0056-03
数控机床是一种精密的机电一体化产品，它综合了机械、计算机、微电子、自动化等领域的最新技术，是制造业发展的基础和不可或缺的重要环节。随着数控机床在现代机械制造系统中所占比重的增加，国内对于优秀数控人才的需求也在不断增加，尤其是高水平的数控机床设计、编程和维护的复合型人才缺口很大。[1]
在适应社会发展，培养应用型人才的背景之下，南京工程学院对数控技术相关课程进行了改革和探索，以提高学生的理论和实践水平，增强学生的工程实践能力，培养学生的系统工程意识。本文从数控原理与系统课程入手，围绕如何提高该课程的教学效果和教学质量展开了一系列的讨论和研究。
一、课程内容及特点
数控原理与系统是机械设计制造及其自动化专业数控加工与维修方向的专业核心课程，也是一门理论性强、知识面广、综合性强、技术发展迅速的课程。[2]该课程分为理论教学和实践教学两部分。理论教学以数控系统内部信息流为主线，从数控加工程序的输入开始，到位置控制输出为止，介绍了刀具补偿原理、轮廓插补原理、进给运动的控制、主轴驱动及控制、PLC及辅助功能实现等内容。实践教学包含课内实驗和后续两周的数控机床安装调试实习。该课程是对数控系统工作原理的全面系统阐述，也是进行数控编程及加工、数控机床故障诊断与维护的理论基础。数控原理与系统课程的教学效果直接影响后续课程的开展，影响到学生今后从事数控系统的开发、数控加工、安装调试和维护的能力。
二、“源于实践，联系实践，指导实践”的教学理念
数控原理与系统的授课内容与数控机床的编程和操作联系紧密，并且直接影响数控加工的质量和效率。为此，我们提出了“源于实践，联系实践，指导实践”的教学理念。
在理论教学中，在学生掌握基本理论知识的基础上，我们充分结合数控加工的实际情况和具体实例进行分析和讲解，并采用多媒体教学、软件仿真、课堂讨论等多种教学手段加深学生对知识的理解和掌握。在实践教学中，我们引入以学生为主体的项目教学法，将课程所涉及的知识和技能通过一个明确的“项目任务”布置给学生，学生根据任务要求，运用所学的知识和技能，采用“团队学习”的方法，动脑、动手、交流和合作，最终完成项目任务。[3]
贯彻“源于实践，联系实践，指导实践”的教学理念，综合运用多种教学方法和手段，既可以避免由于教学手段单一而造成的内容枯燥、缺乏系统性的问题，又密切了理论知识与生产实践的联系，提高了学生学习积极性和主动性，还有助于学生工程实践能力和团队意识的培养。
三、采用多种方法提高理论教学效果
传统的理论教学注重公式的推导，算法流程的分析，强调单个知识点的掌握，往往忽视理论知识与实践的联系。为了克服传统教学方法的不足，结合数控原理与系统课程的特点，我们采用多种教学方法和手段进行理论教学改革，加深学生对知识的理解和掌握，密切理论知识与数控机床安装、调试及加工操作之间的联系，增加学生解决实际问题的经验和能力。下面分别以数控系统刀具半径补偿和轮廓插补原理的教学为例，采用教师讲授、学生讨论、软件仿真、对比分析等多种方法，进行教学改革和探索。
（一）刀具半径补偿的教学实例
刀具补偿在数控加工中有着非常重要的地位。该功能将控制对象由刀具中心或刀架参考点变换到刀尖或刀刃边缘。刀具补偿可以简化数控加工程序的编写，提高程序的利用率，对刀具磨损和换刀具有重要作用。刀具半径补偿是刀具补偿中的难点。由于常用编程轨迹的连接方式和转接过渡方式有多种，因此，刀具半径补偿的执行过程也分为三个阶段24种情况。
面对如此复杂的情况，我们在授课过程中采用教师讲授与学生讨论相结合的方法。教师先推导几种典型情况下转接点的坐标计算公式，接着引导学生分析和推导其他情况下刀具半径补偿的计算方法。然后，让学生通过仿真软件模拟每一种情况下刀具的运行轨迹，获得转接点坐标，并与之前的推导结果进行印证。最后，以学生数控加工实习所完成的零件为例，介绍刀具半径补偿从建立、进行到撤销的全部过程，以及数控系统中刀具半径补偿的相关参数设置及功能调试的要点。课堂实践表明，讲授、讨论、软件仿真以及加工实例讲解相结合的方法取得了较好的教学效果，学生听课的积极性普遍提高，对知识的理解比较深刻。
（二）轮廓插补原理的教学实例
轮廓插补是数控系统的一个重要功能，是指根据零件轮廓尺寸，结合精度和工艺等方面的要求，在已知刀具中心轨迹转接点之间插入若干中间点的过程。[4][5]插补速度直接影响数控系统的处理速度，插补精度又直接影响数控系统的加工精度。在授课过程中，教师首先讲解几种常见轮廓插补算法的基本原理，然后通过实例与仿真软件相结合的方法进行验证和比较。例如，选择一段圆弧轮廓，分别采用逐点比较法、数字积分法、比较积分法等多种方法进行插补计算，求得一系列的插值点，并绘制各自的插补轨迹图。之后，比较各种插补轨迹与理论轮廓的误差，选择误差最小的插补算法。接着，利用仿真软件进行验证，直观地再现数控加工中走刀的全过程。结合理论讲授、对比分析、软件仿真等方法进行教学，能使学生对轮廓插补原理的理解更加透彻，学生对加工过程的轮廓误差也有更深入的了解，这有利于选择合适的插补算法，提高产品质量。
四、基于项目教学的实践教学环节
实践教学是数控原理与系统课程的重要教学环节，其分为课内实验和数控机床安装调试实习两部分。课内实验由于学时所限，其主要是安排验证性实验，以加深学生对理论课所讲授知识的理解和掌握，如刀具半径补偿计算实验、步进电机环分实验等。数控机床安装调试实习为期两周，是实践环节的重点。我们在实习中采用项目教学法，通过一个完整的“项目”，将数控原理与系统课程所涉及的知识和技能通过一个明确的“项目任务”布置给学生。学生根据任务要求，查阅资料，运用所学知识完成项目任务。项目教学法在实施过程中一般按照确定项目任务、制订工作计划、组织项目实施、检查考核评估、总结评比归档等五个步骤展开。[6]
（一）确定项目任务
“西门子808D数控铣床安装调试”是本实习的一个项目任务，主要由低压电器回路设计、电气安装调试、数控系统驱动器调试、变频器调试等部分构成。该项目与数控原理与系统课程中进给运动的控制、主轴驱动与控制以及PLC与辅助功能的实现等内容紧密联系。本次任务能够帮助学生理解和把握本课程及相关课程所涉及的知识点，掌握电气安装和数控系统调试的基本技能，培养学生分析问题和解决问题的思想和方法，训练学生协调、合作的能力。
（二）制订工作计划
明确项目任务后，学生查阅资料，分析项目要求，讨论解决方法，制订总体方案、实施步骤、进度计划及团队成员的分工情况。教师负责解答疑难問题，审阅项目计划书。
（三）组织项目实施
学生按照项目分工和实施步骤，完成各自的任务。具体的实施步骤包括：1.查阅资料，绘制西门子808D数控铣床电气原理图；2.根据电气原理图，进行电气控制柜元器件的选型、布局及接线；3.变频器调试；4.伺服驱动器的调试和伺服参数的设置；5.系统参数的设置及功能调试；6.PLC程序调试；7.系统数据备份及恢复。在项目进行过程中，学生是完成任务的主体，学生的学习过程从被动学习向主动学习转变，学生从“要我学”变为“我要学”，这有效提高了学生的学习的积极性。教师除了解答疑问，进行引导之外，还要掌握项目的进度和节奏，保证任务的顺利进行。
（四）检查考核评估
在项目进行过程中，指导教师要随时关注小组各成员的进展情况并进行记录，各子单元调试完成后也要进行相应的考核。项目任务结束后，要按小组进行答辩，每位成员介绍自己完成的工作，指导教师根据项目完成情况、个人工作量、回答问题情况以及之前的考核记录，给出分数。
（五）总结评比归档
教师对各小组的完成情况进行总结，对表现突出的小组和个人进行表扬，引导学生之间相互交流、学习和借鉴。指导教师及分管领导召开项目总结会，交流项目教学过程中的经验、存在的问题以及改进的方向。最后将项目成果进行归档整理和展示。
五、总结
数控原理与系统课程是数控加工、安装调试和维修的基础。本文对该课程的理论教学和实践教学环节进行了改革和探索。在理论教学中，突出“源于实践，联系实践，指导实践”的教学理念，将抽象的理论知识与具体的实际问题、现象结合起来进行讲授。在实践教学中，我们引入项目教学法，将学生作为教学的主体，通过具体的项目任务，帮助学生将理论知识融会贯通。教学实践表明，数控原理与系统课程的改革提高了学生学习的积极性和主动性，增强了学生分析问题、解决问题的能力以及实践动手能力，培养了学生的系统工程意识。
[ 参 考 文 献 ]
[1] 徐娅萍，王润孝.数控机床课程教学的改革与实践[J].西北工业大学学报（社会科学版），2007（4）：78-80.
[2] 吴爱萍，汪木兰.《数控原理与系统》课程实践教学体系与改革[J].中国现代教育装备，2007（3）：22-24.
[3] 汪木兰，周明虎，李建启.以项目教学为载体制订先进制造技术卓越工程师培养方案[J].中国现代教育装备，2010（12）：15-19.
[4] 何晓微，林砺宗，陈永平. 数控插补教学演示系统的开发[J].机械与电子，2002（3）：57-59.
[5] 李源，周来水. 数控教学系统研究与开发[J].机械工程与自动化，2007（6）：142-146.
[6] 陈荷燕，汪木兰，刘树青.项目教学法在机床电气与PLC课程教学中的运用[J].中国现代教育装备，2010（13）：12-14.
[7] 陈弛文，何友成，王见华.《数控加工实训技术》说课设计[J].大学教育，2014（1）：139.
[责任编辑：陈 明]
[摘 要]为培养适应社会发展需要的应用型数控人才，针对数控原理与系统这门专业核心课程及相关实践环节，需要进行教学改革。在理论教学中，应突出“源于实践，联系实践，指导实践”的教学理念，结合多种教学方法进行授课。在实践教学中，引入以学生为主体的项目教学法，引导学生动脑、动手、通过交流与合作来完成项目任务。该课程的教学改革有利于提高学生学习的积极性，增强学生的动手实践能力，培养学生的系统工程意识和团队意识。
[关键词]数控原理；教学改革；项目教学
[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2017）04-0056-03
数控机床是一种精密的机电一体化产品，它综合了机械、计算机、微电子、自动化等领域的最新技术，是制造业发展的基础和不可或缺的重要环节。随着数控机床在现代机械制造系统中所占比重的增加，国内对于优秀数控人才的需求也在不断增加，尤其是高水平的数控机床设计、编程和维护的复合型人才缺口很大。[1]
在适应社会发展，培养应用型人才的背景之下，南京工程学院对数控技术相关课程进行了改革和探索，以提高学生的理论和实践水平，增强学生的工程实践能力，培养学生的系统工程意识。本文从数控原理与系统课程入手，围绕如何提高该课程的教学效果和教学质量展开了一系列的讨论和研究。
一、课程内容及特点
数控原理与系统是机械设计制造及其自动化专业数控加工与维修方向的专业核心课程，也是一门理论性强、知识面广、综合性强、技术发展迅速的课程。[2]该课程分为理论教学和实践教学两部分。理论教学以数控系统内部信息流为主线，从数控加工程序的输入开始，到位置控制输出为止，介绍了刀具补偿原理、轮廓插补原理、进给运动的控制、主轴驱动及控制、PLC及辅助功能实现等内容。实践教学包含课内实驗和后续两周的数控机床安装调试实习。该课程是对数控系统工作原理的全面系统阐述，也是进行数控编程及加工、数控机床故障诊断与维护的理论基础。数控原理与系统课程的教学效果直接影响后续课程的开展，影响到学生今后从事数控系统的开发、数控加工、安装调试和维护的能力。
二、“源于实践，联系实践，指导实践”的教学理念
数控原理与系统的授课内容与数控机床的编程和操作联系紧密，并且直接影响数控加工的质量和效率。为此，我们提出了“源于实践，联系实践，指导实践”的教学理念。
在理论教学中，在学生掌握基本理论知识的基础上，我们充分结合数控加工的实际情况和具体实例进行分析和讲解，并采用多媒体教学、软件仿真、课堂讨论等多种教学手段加深学生对知识的理解和掌握。在实践教学中，我们引入以学生为主体的项目教学法，将课程所涉及的知识和技能通过一个明确的“项目任务”布置给学生，学生根据任务要求，运用所学的知识和技能，采用“团队学习”的方法，动脑、动手、交流和合作，最终完成项目任务。[3]
贯彻“源于实践，联系实践，指导实践”的教学理念，综合运用多种教学方法和手段，既可以避免由于教学手段单一而造成的内容枯燥、缺乏系统性的问题，又密切了理论知识与生产实践的联系，提高了学生学习积极性和主动性，还有助于学生工程实践能力和团队意识的培养。
三、采用多种方法提高理论教学效果
传统的理论教学注重公式的推导，算法流程的分析，强调单个知识点的掌握，往往忽视理论知识与实践的联系。为了克服传统教学方法的不足，结合数控原理与系统课程的特点，我们采用多种教学方法和手段进行理论教学改革，加深学生对知识的理解和掌握，密切理论知识与数控机床安装、调试及加工操作之间的联系，增加学生解决实际问题的经验和能力。下面分别以数控系统刀具半径补偿和轮廓插补原理的教学为例，采用教师讲授、学生讨论、软件仿真、对比分析等多种方法，进行教学改革和探索。
（一）刀具半径补偿的教学实例
刀具补偿在数控加工中有着非常重要的地位。该功能将控制对象由刀具中心或刀架参考点变换到刀尖或刀刃边缘。刀具补偿可以简化数控加工程序的编写，提高程序的利用率，对刀具磨损和换刀具有重要作用。刀具半径补偿是刀具补偿中的难点。由于常用编程轨迹的连接方式和转接过渡方式有多种，因此，刀具半径补偿的执行过程也分为三个阶段24种情况。
面对如此复杂的情况，我们在授课过程中采用教师讲授与学生讨论相结合的方法。教师先推导几种典型情况下转接点的坐标计算公式，接着引导学生分析和推导其他情况下刀具半径补偿的计算方法。然后，让学生通过仿真软件模拟每一种情况下刀具的运行轨迹，获得转接点坐标，并与之前的推导结果进行印证。最后，以学生数控加工实习所完成的零件为例，介绍刀具半径补偿从建立、进行到撤销的全部过程，以及数控系统中刀具半径补偿的相关参数设置及功能调试的要点。课堂实践表明，讲授、讨论、软件仿真以及加工实例讲解相结合的方法取得了较好的教学效果，学生听课的积极性普遍提高，对知识的理解比较深刻。
（二）轮廓插补原理的教学实例
轮廓插补是数控系统的一个重要功能，是指根据零件轮廓尺寸，结合精度和工艺等方面的要求，在已知刀具中心轨迹转接点之间插入若干中间点的过程。[4][5]插补速度直接影响数控系统的处理速度，插补精度又直接影响数控系统的加工精度。在授课过程中，教师首先讲解几种常见轮廓插补算法的基本原理，然后通过实例与仿真软件相结合的方法进行验证和比较。例如，选择一段圆弧轮廓，分别采用逐点比较法、数字积分法、比较积分法等多种方法进行插补计算，求得一系列的插值点，并绘制各自的插补轨迹图。之后，比较各种插补轨迹与理论轮廓的误差，选择误差最小的插补算法。接着，利用仿真软件进行验证，直观地再现数控加工中走刀的全过程。结合理论讲授、对比分析、软件仿真等方法进行教学，能使学生对轮廓插补原理的理解更加透彻，学生对加工过程的轮廓误差也有更深入的了解，这有利于选择合适的插补算法，提高产品质量。
四、基于项目教学的实践教学环节
实践教学是数控原理与系统课程的重要教学环节，其分为课内实验和数控机床安装调试实习两部分。课内实验由于学时所限，其主要是安排验证性实验，以加深学生对理论课所讲授知识的理解和掌握，如刀具半径补偿计算实验、步进电机环分实验等。数控机床安装调试实习为期两周，是实践环节的重点。我们在实习中采用项目教学法，通过一个完整的“项目”，将数控原理与系统课程所涉及的知识和技能通过一个明确的“项目任务”布置给学生。学生根据任务要求，查阅资料，运用所学知识完成项目任务。项目教学法在实施过程中一般按照确定项目任务、制订工作计划、组织项目实施、检查考核评估、总结评比归档等五个步骤展开。[6]
（一）确定项目任务
“西门子808D数控铣床安装调试”是本实习的一个项目任务，主要由低压电器回路设计、电气安装调试、数控系统驱动器调试、变频器调试等部分构成。该项目与数控原理与系统课程中进给运动的控制、主轴驱动与控制以及PLC与辅助功能的实现等内容紧密联系。本次任务能够帮助学生理解和把握本课程及相关课程所涉及的知识点，掌握电气安装和数控系统调试的基本技能，培养学生分析问题和解决问题的思想和方法，训练学生协调、合作的能力。
（二）制订工作计划
明确项目任务后，学生查阅资料，分析项目要求，讨论解决方法，制订总体方案、实施步骤、进度计划及团队成员的分工情况。教师负责解答疑难問题，审阅项目计划书。
（三）组织项目实施
学生按照项目分工和实施步骤，完成各自的任务。具体的实施步骤包括：1.查阅资料，绘制西门子808D数控铣床电气原理图；2.根据电气原理图，进行电气控制柜元器件的选型、布局及接线；3.变频器调试；4.伺服驱动器的调试和伺服参数的设置；5.系统参数的设置及功能调试；6.PLC程序调试；7.系统数据备份及恢复。在项目进行过程中，学生是完成任务的主体，学生的学习过程从被动学习向主动学习转变，学生从“要我学”变为“我要学”，这有效提高了学生的学习的积极性。教师除了解答疑问，进行引导之外，还要掌握项目的进度和节奏，保证任务的顺利进行。
（四）检查考核评估
在项目进行过程中，指导教师要随时关注小组各成员的进展情况并进行记录，各子单元调试完成后也要进行相应的考核。项目任务结束后，要按小组进行答辩，每位成员介绍自己完成的工作，指导教师根据项目完成情况、个人工作量、回答问题情况以及之前的考核记录，给出分数。
（五）总结评比归档
教师对各小组的完成情况进行总结，对表现突出的小组和个人进行表扬，引导学生之间相互交流、学习和借鉴。指导教师及分管领导召开项目总结会，交流项目教学过程中的经验、存在的问题以及改进的方向。最后将项目成果进行归档整理和展示。
五、总结
数控原理与系统课程是数控加工、安装调试和维修的基础。本文对该课程的理论教学和实践教学环节进行了改革和探索。在理论教学中，突出“源于实践，联系实践，指导实践”的教学理念，将抽象的理论知识与具体的实际问题、现象结合起来进行讲授。在实践教学中，我们引入项目教学法，将学生作为教学的主体，通过具体的项目任务，帮助学生将理论知识融会贯通。教学实践表明，数控原理与系统课程的改革提高了学生学习的积极性和主动性，增强了学生分析问题、解决问题的能力以及实践动手能力，培养了学生的系统工程意识。
[ 参 考 文 献 ]
[1] 徐娅萍，王润孝.数控机床课程教学的改革与实践[J].西北工业大学学报（社会科学版），2007（4）：78-80.
[2] 吴爱萍，汪木兰.《数控原理与系统》课程实践教学体系与改革[J].中国现代教育装备，2007（3）：22-24.
[3] 汪木兰，周明虎，李建启.以项目教学为载体制订先进制造技术卓越工程师培养方案[J].中国现代教育装备，2010（12）：15-19.
[4] 何晓微，林砺宗，陈永平. 数控插补教学演示系统的开发[J].机械与电子，2002（3）：57-59.
[5] 李源，周来水. 数控教学系统研究与开发[J].机械工程与自动化，2007（6）：142-146.
[6] 陈荷燕，汪木兰，刘树青.项目教学法在机床电气与PLC课程教学中的运用[J].中国现代教育装备，2010（13）：12-14.
[7] 陈弛文，何友成，王见华.《数控加工实训技术》说课设计[J].大学教育，2014（1）：139.
[责任编辑：陈 明]
