研究生数控理论教学改革

本文作者：吴晓君 马松龄 张锦华 赵小国 单位：西安建筑科技大学

课程项目化是一种新的教学模式,是把项目与专业知识密切联系，教学方法上强调自主性、互动性、创新与成果应用[1]。现代数控系统在机械工程一级学科研究生课程体系中占有非常重要的地位。课程从工程实践的角度出发，系统地介绍现代数控系统构成、插补原理、伺服驱动、检测、预估控制、系统参数调试和数控加工指令。现代数控系统课程面向硕士专业学位研究生，既要考虑研究生的基础性，又要顾及专业性，还要面向机械工程应用特点，使学生对数控机床等高精度数字轨迹控制有全面认识，并能正确运用相关理论及方法去解决工程中的实际问题。课程理论性很强，又与机电系统有密切联系，要求研究生具有较好的基础知识，较强的理论分析能力和实际动手能力。科研创新能力的培养是研究生教育的灵魂[2]，而课程教学是研究生培养中的一个重要环节，适宜的课程教学方法将有助于研究生创新思维、创新能力的培养[3]。进行项目化教学方式改革，不仅系统介绍数字控制理论及先进的数控系统，而且引入数控开发项目，即项目化教学方式，使研究生对现代数控系统有全面深刻的认识。

一、教学方式改革的必要性

现代数控系统课程在本科生阶段已有概述，研究生阶段继续课堂教学已不适合。来自不同学校的机械类学生基础不同，研究重点不同,如果仅仅采用课堂教学的方式，即使利用丰富的多媒体手段，也难于将前述的知识环节系统地整合起来，使得研究生对本课程内容的理解仅仅限于表面。而且，课堂教学方式难免将学生接受学习转变到被动的机械学习，或者将接受学习与创造性对立起来，与研究生教育的初衷相悖。课堂教学应适应研究生教育的定位。研究生教育是要培养高素质的创新人才,核心是培养学生的实践能力和创新精神[4]。在现代数控系统授课计划中，必须制订适应课程的实践性教学环节，形成与理论教学的相互配合，使先进理论得到应用。如果只是针对不同的知识点设计相应的数控加工、仿真模拟等实验内容，仍将脱离本课程的本质，导致本末倒置。比如，教授现代数控系统插补这一环节，原大纲数控系统实验的内容只是简单重复了工艺实习中数控加工，不能传授给研究生本课程中所强调的系统性。

二、项目化教学改革实践

对现代数控系统进行数控开发项目教学改革的探索，在课程学习中引入自主开发的数控建筑模型开发系统，目的是提高学生学习课程的效率。该数控系统采用单片机作为控制核心，以3台伺服电机为执行元件，经过滚珠丝杠和同步带传动，并采用光电编码器、光电开关等传感器作为信息反馈器件，基于嵌入式分层控制方法，设计出建筑模型的控制系统，该系统能够体现出系统的数字控制思想。以该数控系统的开发过程为主线，将现代数控系统的各个理论、技术环节穿插其中。

（一）建设内容项目化教学探索是师生共同实施一个特定项目而进行的教学活动，在风险可控的前提下，开发或改进某项的功能，是“行为导向”教学法的一种[5-6]。现代数控系统项目化教学中的项目是设计一个有固定开始时间和结束时间的数控系统开发设置工作，有具体的数控功能要求。实践性：项目的主题与工程密切联系，使研究生的学习更加具有针对性。自主性：提供学生根据自己研究方向选择内容和展示数控形式的决策机会，从而有效地促进研究生的创造能力和科研训练。综合性：与一般课程的实验不同，项目化开发过程具有学科交叉性和综合能力运用的特点，可将现代数控思想与科研项目尽可能结合。项目开发型教学注重评价研究生在学习活动中对数控系统各个环节的理解、创新、实际动手解决问题的能力，与研究生教育目标一致。综上所述，在现代数控系统的研究生教学过程中，内容既要注意与前期基础专业学科衔接，又要避免不必要的重复。在讲授时，既要注重理论与实际的结合，进行项目化教学方式改革，同时要适当补充教材以外的相关最新知识、新技术。引入开发项目化教学方式，尤其是把自行研发的数控建筑模型开发系统这一让学生感兴趣的内容引入到课程中，将极大地提高研究生开发实践的主动性，并且在高性能数控系统802S中完成项目化教学实践。将现代数控系统的各知识环节系统地连接起来，能有效地将理论和实践生动地整合为一体。

（二）实施步骤实施步骤为4个部分，即教师理论教学，学生查阅相关资料，组合动手完成调试项目，最终完成建筑模型的编程和多轴驱动。数控系统开发中机械系统环节需要完成机械传动的设计及零件的设计等工作，采用的是滚珠丝杠、同步带传动和同步带轮传动。在项目化教学过程中，设定建筑模型机械系统的设计目标，引导学生完成滚珠螺旋传动机构等精密结构建模。该系统的驱动采用伺服电机提供动力，设计驱动电路。在教学过程中，让研究生动手调试分配器驱动3台电机的过程，使用单片机通过编程输出一定占空比的PWM信号，用于控制电机的转速，以及三自由度的实时脉冲分配。设计该系统的检测系统，提出数控系统设计目标，指导研究生将相对式光电编码器、光电开关等传感器作为信息反馈器件，分别获得精密机械部件实际位移和周围环境状态。

三、特色和优势

对教学内容改革，以突出数控系统的理论及工程背景，更新整合课程内容，强化理论学习与项目化实践之间的联系。介绍新知识，跟踪新技术，开扩学生视野和思路，为学生进一步学习、研究，将所学数控知识应用于工程实际打下良好的基础。进一步细化项目化内容，将授课与数控开发项目结合起来，扩大动手部分的内容，提高开发的质量，这对丰富研究生科研训练也大有裨益。（1）理论与实践相结合。研究生已经具有一定的独立科研能力，理论与实践相结合能更好的启发学生创新思维。本课程组进行项目化教学方式改革，将授课内容分为必要的基本理论知识和项目开发实践两部分，并以多种形式进行理论的讲授和实践训练。（2）课程与科研相结合。对参与相关科研项目的学生，引导其用完成项目任务的方式，重新思考问题，鼓励其创作学术论文。以往的研究生教学经验证明，这样的研究生教学探索可以应用于理论实践一体化教学，丰富研究生科研训练形式。（3）着重学生创新思维的培养。结合建筑模型数控开发系统和数控系统故障查询，进行项目化设计，要求研究生发表独创性意见。（4）授课内容与时俱进。增加西门子数控系统内容，不断更新补充相关领域最新的研究结果和今后的发展方向。

四、结语

高等院校在中国高等教育格局中承担着重要的人才培养任务[7]。现代数控系统课程进行项目化教学方式改革，有利于机械学科课程体系结构的调整和建设，较好地体现研究生教育的特点，其深度和实践环节有利于学生掌握坚实宽广的理论知识，能够体现数控技术发展的前沿。实施项目化教学方式2年来，研究生和教师共同获得实用新型专利2项，发明专利1项，同时完善了研究生项目开发学习的硬件环境，完成具有示范作用的课程教学文档，包括教案、课件等。实践证明，现代数控系统项目化教学探索，能够体现机械制造及其自动化发展的前沿，可以实现理论实践一体化教学，丰富了研究生科研训练形式。