数控仿真技术应用于数控加工编程课程教学中的研究

叶伯涛

兰州装备制造技师学院

摘要：通过数控仿真技术模仿数控加工过程，有助于学生掌握数据编程与提升加工职业能力。在传统的教学中，经常出现理论与实践分离的现象，导致学生在学习过程中不能充分掌握较为抽象的数控编程与加工知识点，同时学校也并未利用现有资源进行相应地仿真教学，因此，将数控仿真技术应用于《数控编程与加工》课程中十分重要，不仅可以有效提升课程的教学质量，而且还可以为相关地专业课程改革提供参考。本文主要以《数控编程与加工》课程为研究对象，针对现阶段《数控编程与加工》课程中存在的问题，在研究理实一体化教学的相关理论基础上，提出应用数控仿真技术创建出与数控加工生产实际紧密联系的学习情景，并在教学过程中严格遵循“理虚实”一体化的教学策略。

关键词：数控编程与加工；数控仿真技术；“理虚实”一体化；仿真教学

数控技术涉及的领域相对较广，是现阶段智能系统的主要动力来源，在制造业中的应用较为广泛。随着数控加工技术的领域不断拓展，大部分企业未来适应生产需要，开始不断地更新数控机床，但是随着数控设备的更新，由于企业中缺乏高素质数控机床操作和维修人员，导致这些设备无法充分发挥作用，使其数控加工岗位人才紧缺的现象出现，急需一批具备扎实学识和职业能力的数控加工人才投入到企业生产中[1]。此外，在传统的教学方式影响下，使得数控技术应用专业的学生跟不上企业发展的步伐，无法胜任此种岗位。因此，通过数控仿真技术改进课堂的教学方式，增强教师教学效果，是人们备受关注的问题。

1数控仿真技术与“理虚实”一体化教学的概念

1.1数控仿真技术

就数控仿真技术而言，其主要是通过计算机技术来模拟仿真数控加工操作过程，在该技术中，存在三维建模技术、数控代码处理技术、动画仿真技术和碰撞干涉检测技术。在将这些技术进行有机融合后，可以对数控加工程度的G代码进行转换，使其成为虚拟加工的刀具加工轨迹，从而实现加工过程的仿真。在计算机技术飞速发展的背景下，人们已经将数控仿真技术完整的融入至数控仿真软件，以便于进行相应地数控加工操作教学[2]。

1.2“理虚实”一体化教学

“理虚实”主要是指在理实一体化教学时，通过将虚拟仿真训练项目与真实的设备操作项目结合的方式，实现理论知识与实际操作的结合，让学生在虚拟仿真实训室及真实实训车间进行学习，是理实一体化教学模式与虚拟仿真教学相结合的产物。其中，“理”主要表示课程中的理论知识，包括内容、概念、原理等；“虚”主要是指仿真环境，也就是通过相应地虚拟软件将真实的训练环境虚构出来；“实”主要是指课程中相关的专业能，以及岗位要求的职业素养等。“一体化”主要是指“理论教学与虚拟仿真一体化”，“虚拟仿真和实践操作一体化”。在本次研究中，“理虚实”一体化教学方法主要是在《数控编程与加工》课程理实一体的基础上，通过数控仿真技术来实现理论教学与虚拟仿真相结合，虚拟仿真与实践教学相融合，从而推出一种三位一体的教学方式。

2《数控编程与加工》课程教学中存在的主要问题

2.1学生未建立知识与职业行动的共振

在现阶断的《数控编程与加工》课程中，大部分学生对该课程没有较大的兴趣，并且对该课程的教学方式不认可，其主要体现在学生的不能充分利用知识来解决职业实践中的问题，并不知道怎样运用这些知识，使得学生缺乏相应地学习积极性与自主学习意识[3]。

2.2教学活动未体现中职学生知识学习与行动伴生关系

对于职业教育而言，其本质是培养学生的职业能力，知识的传授需要在职业活动中进行，也就是说知识学习与实践训练是伴生关系。在现阶段的《数控编程与加工》课程教学中，理论与实训的授课教师不一致，并且抱有不同观点，理论课的教师普遍认为学生的基础知识较为薄弱，缺乏相应地学习积极性，而大部分学生认为此项课程相对抽象，实训教师则是在教学的过程中国演示操作过程，并没有教会学生怎样通过所学的知识进行演示。

2.3教师项目教学未能体现从任务到项目的转变

对于项目教学而言，其需要充分体现出学生具体需要做的事情，并且需要对所需要做的内容进行可操作描述，行动所产生的最终结果应该是可测量的。在现阶段的《数控编程与加工》实训课程中，教师采用的项目教学方式并未充分体现任务到项目的转变，同城在还未充分掌握一项技能的同时就去学习另一项技能，在一定程度上提升了学生的学习难度，使得学生在行动的过程中不能产生相应地结果。

2.4教学中没有体现岗位职业能力培养理念

职业能力具有可描述性，通过常规的考试模式并不能准确描述学生的职业能力。在现阶段的《数控编程与加工》理论课程教学中，仍以传统的讲述方法为主，并通过期末考核的方式去判定一个学生职业能力。目前学生存在不知道怎样将所学的课程知识运用至实际操作中的情况，并且不能掌握一些制图软件的基本操作，对加强自身数控加工工艺、编程能力具有较强的渴望。由此可以看出，在现阶段的教学过程中，不能够根据相应地岗位培养学生的职业能力

[4]。

2.5沿袭教学方式难以培养学生知识运用迁移能力

在现阶段《数控编程与加工》课程教学中，存在理论课程和实训课程分离的情况，并且传授知识的教师不同，导致学生在学习过程中容易受到“死命令”的影响，使得学生在的面临问题不能活用自身所学的知识去解决。首先，在学生学习编程内容的过程中，通常会与实际脱节，不能身临其境的去感受。其次，在学生学习数控机床操作与实训的内容时，虽然教师开展了相应地项目化教学，但是却忽略了学生创新意识的培养，使得学生发散思维受到禁锢，导致学生缺乏自主分析问题、解决问题的能力。因此，在教学过程中，教师需充分发挥引导作用，让学生在面对产品加工实际工作中的问题时，能够自主发现问题、分析问题、解决问题，这对于提升学生的职业能力有着十分重要的作用。

3数控仿真技术在《数控编程与加工》课程教学中的应用分析

3.1《数控编程与加工》课程引入数控仿真技术的必要性

对于目前的学生而言，对课程理论知识的学习缺乏相应地积极性，主要偏好动手操作的内容。就现阶段的学学生而言，其基础知识较为薄弱，通常在学习理论知识的过程中提不起兴趣，反观对实训内容的积极性相对较高。此外，由于实训课程中的教学方式相对单一，使得大部分学生在职业能力培养的过程中并未的大系统的训练，在一定程度上限制了学生的思考，让其在学习的过程不能针对实际问题去获取相应地知识。总之，在《数控编程与加工》理论知识教学时，应在其中融入实践课程，让学生在学习理论知识的同时加强锻炼动手能力，以此来提升学生的职业综合能力素质。将数控仿真技术应用与课程教学中，可实现“理虚实”一体化教学，是现阶段培养学生理论联系实践能力，职业综合能力和素养的重要方式。

3.2《数控编程与加工》课程引入数控仿真技术的可行性

一方面，在将数控仿真技术引入《数控编程与加工》课程中后，可以培养学生的职业能力，并且还能营造相应地虚拟加工情境，为学生提供相应地仿真教学实验，使学生早仿真教学的过程中能够充分发挥其发散思维，通过仿真软件去学习数控机床的各种操作。同时，学生在进行仿真实验教学的过程中，采用小组合作的形式，在一定程度上提升了学生团队协作的能力。另一方面，在将数控仿真技术引入后，可以优化现阶段的课程教育方式，教师可以通过数控仿真技术中的斯沃数控仿真软件将较为抽象的数控加工案例以动态化的方式呈现在学生面前，使学生在仿真实验探究的过程中能够完成自主知识构建，在一定程度上降低了学生的学习难度。在实训课程中，教师可以利用斯沃数控仿真软件，通过“理虚实”一体化的教学形式与队员华的评价机制来激发学生的学习兴趣，有效提升教学质量。此外，在将数控仿真技术应用于《数控编程与加工》课程中后，可以实现现阶段人才培养的目标[5]。一般来说，数控技术应用专业的学生应充分掌握数控机床的实际操作过程与相应地编程能力，通过斯沃数控仿真软件便能实现。同时，开展UG+斯沃数控仿真软件的“理虚实”一体化仿真教学，不仅可以有效实现学校人才培养的目标，而且还能为企业提供具有较强职业能力的人才。

4基于数控仿真技术的《数控编程与加工》课程教学设计

4.1基于数控仿真技术的仿真教学设计的原则

（1）理虚实”一体化教学相结合

在仿真教学设计的过程中，不仅需要实现理论教学与仿真教学融合，而且还需要将仿真教学与实践训练相结合。其中，理论教学与仿真教学相结合可以通过斯沃数控仿真软件来实现，通过创建虚拟加工情景，使学生可以在此种情境中自主进行数控编程与仿真加工，将理论知识进一步应用于仿真操作中，从而有效掌握数控编程与操作的基本原理。而拟仿真与实体加工相结合主要是通过UG+斯沃数控仿真软件来实现，在教师的引导下，可以让学生参与到实践探究活动中，并为其构建较为完整的知识体系，使学生在上机操作的过程中能够将仿真教学与实践训练联系在一起，以此来提升学生的专业技能与职业能力。

（2）先进技术与典型实例相结合

在数控加工行业的飞速发展之下，对数控技术应用专业的学生提出了更高地要求，各个院校之间也开始重视学生实践技能的培养。因此，在仿真教学过程中，选用的仿真软件需具有一定侧先进性，确保仿真情境的可靠性，以便于让学生掌握先进专业软件的使用方法。此外，在将仿真的软件应用于《数控编程与加工》课程的教学中时，应针对课程教学内容的特点，科学合理的将仿真软件与课程典型实例结合，将客课程教学内容中较为抽象的知识点形象化，以此来提升学生对数控编程知识的掌握，是学生能够熟练掌握数控编程与数控机床操作技能。

（3）实践训练与职业情景相结合

对于现阶段的高校而言，其主要重视学生专业技能的培养，实训教育的目的也是培养学生数控机床操作和编程的技能。因此，在开展实训教学的过程中，需在特定的情境中展开，不能让学生始终沉浸在仿真软件的虚拟加工情境中，而是需要坚持虚实结合，能虚不实的原则，将实训训练与职业情境相结合。此外，在制定教学内容与教学计划的过程中，应根据数控技术专业人才培养要求进行，将数控仿真技术的充分发挥出来，实现“教、学、做”相结合，进而提升学生的技能水平与职业素养。

4.2《数控编程与加工》课程仿真教学设计要素分析

对教学设计的基本要素进行分析，其目的在于保证教学方案的可行性、科学性。一般来说，完整的教教学设计基本要素主要有以下几个方面：

（1）教材分析

在高校数控技术应用专业中，《数控编程与加工》课程占据着较大的比重，该课程的教学目标在于使学生掌握典型零件的编程以及相应地加工方法，如车削、铣削和加工中心的编程与加工操作等。同时，还要求学生需要具备解决实际加工过程中突发情况的能力。该课程的理论部分为数控机床编程、西门子参数化编程，这两个部分又分为四个项目，前三个项目主要内容为数控机床编程，最后一个项目内容为UG软件编程。总的来说，该课程中理论部分内容相对简单，编程的典型实例与自主练习的内容占比相对较大，而实训内容部分主要涉及现阶段企业中常用的数控车床和三轴数控加工中心的编程与操作。但是对于中职学生而言，其基础知识相对薄弱，对理论内容没有太大兴趣，比较倾向于自主获取知识的方式，而中职学校的教学目标也是培养学生职业技能，因此，通过仿真软件巩固学生基础知识之分有必要，可为后续开展仿真实验教学奠定基础。

（2）学习者分析

学习者主要为现阶段的中职学生，对其认知水平和能力分析后，有助于进行教学案例的选择与设计。对于现阶段的中职学生而言，其大部分为没有考入高中的学生，其基础知识方面相对较弱，在进入职校后对自身的未来没有明确规划，缺乏对社会的认知，导致在学习过程中出现怠慢松懈的情况。

（3）教学目标分析

《数控编程与加工》课程的教学目标主要为：第一，培养学生的职业素养以及独立分析问题、解决问题的能力；第二，要求学生掌握数控车床、铣床、立式加工中心的加工工艺方法和基本编程方法；第三，要去学生具备独立安装数控车床、铣床、立式加工中心的刀具，并且掌握基本的操作，能够熟练运用三坐标测量仪。此外，在将数控仿真技术应用至该课程教学中后，还需要学生在仿真教学的过程中逐渐提升使用软件的能力，不断加强自身岗位职业能力[6]。

（4）教学策略分析

教学策略是教师为了实现教学目标制定的一系列教学计划与教学措施。在《数控编程与加工》课程的教学中，应遵循“理虚实”一体化的总体原则，根据学生的实际情况与课程的特点，制定相应地的教学计划，结合数控仿真技术，实现理论教学、虚拟教学、实践教学三个方面的机融合。此外，在教学过程中，需适当引入情境教学，将学生的学习兴趣有效激发出来。

（5）教学评价分析

教学评价是判断教学过程是否有效的一种方式，其主要分为诊断性评价、形成性评价、总结性评价三种。在实施仿真教学的过程中，需要对仿真教学的结果进行评，可通过过程性评价与总结性评价结合、教师评价与学生自评、互评相结合的方式，形成多元化评价模式，以此来判定仿真教学的可行性。

4.3《数控编程与加工》课程仿真教学案例确定

在学习《数控编程与加工》课程后，可为数控技术应用专业的学生步入工作岗位奠定理论知识和专业技能基础。由于课程中部分内容较为抽象，需要通过实践结合的方式才能保证学生能够更好地学习。因此，在通过数控仿真技术进行辅助教学的过程中，需从课程内容中选择与实际联系较为紧密的案例，将其中难以理解或者较为抽象的知识点作为仿真教学案例，进而降低学生学习难度。

（1）数控车床铣床编程仿真

数控车床铣床编程是《数控编程与加工》课程中较为重要的内容，其教学目标是要求学生能够熟练掌握数控车床铣床对刀和编程的基本方法。对于传统的教学方式而言，教师通常是个根据课本中零件图的加工要求，来编写相应的加工程序，然后对学生进行讲解，让学生根据教师的步骤完成其他零件图的编程。虽然大部分学生在学习古城中能够紧跟教师步伐，将一些零件的程序写出来，但是学生却不理解编写的程序是怎样加工的，加工后的零件是否与实物一样。一些学生则认为编程内容较为抽象，虽然书本中已经详细介绍程序的作用，但是却不能根据自身的想象构造出实际的加工过程。在向课程中引入数控仿真技术后，可以充分利用斯沃数控仿真软件的功能，创建相应地虚拟加工环境，使学生能够在课堂上进行仿真实践，将原本较为抽象的知识动态化，在一定程度上锻炼了学生的造作技能，这对于提升学生理论联系实际能力有着十分重要的作用。

（2）立式数控加工中心实训

立式数控加工中心实训也是《数控编程与加工》课程中较为重要的内容，其教学目标是要去学生掌握UG参数化编程的基本方法和数控加工中心的操作技能。在传统的教学过程中，虽然教师采用了项目化教学的方式，但是仍存在教师在上面演示，学生重复操作的情况，使得学生没能自主思考，使得实训接结果达不到预期目标。加之，学校机床设备缺乏，教师在演示的过程中难以顾及到所有学生，使得部分积极性较弱的学生不能参与到教学中。在向立式数控加工中心实训教学中引入仿真加工环节后，使学生在实际操作前先理解数控加工中心的基本操作步骤，同时，学生可在仿真加工环节验证加工程序并进行优化，不用担心程序出错造成损失，能够放心大胆的进行各种尝试，利于培养学生创新意识。

4.4《数控编程与加工》课程仿真教学实施设计

（1）教学资源准备

1.软件资源

选用的软件主要为UG软件（Unigraphics NX），该软件是西门子公司开发的一种用于制造业的软件，具有先进性，具备CAD/CAE/CAM的软件功能。UG软件具备的功能主要包括：CAD建模、CNC加工、运动仿真等，不仅被广泛的使用在制造业生产中，而且还是现阶段中职院校数控技术应用专业学生必须掌握的软件。

2. 斯沃数控仿真软件

该软件是集数控车、铣及加工中心为一体的仿真软件，其功能较为较大，是现阶段数控机床中常用的软件之一。该软件集成FANUC、SINUMERIK、华中等多种数控系统，并且其操作面板与实际机床大致相同，学生可以通过此种软件选择与学校实训基地中相同的数控系统进行仿真加工训练。此外，由于此种系统的功能较为全面，所创建的数控机床情景与真实情景相差不大，并且能够增设加工工件，是仿真加工过程接近于真实情景。在将此种软件引入学生的仿真加工实训中后，有助于学生将理论知识与实践相结合，这对于提升学生知识水平与技能水平有着十分重要的作用[7]。

（2）硬件资源

1.在计算机教室中安装UG和斯沃数控仿真软件。

2.建立手动车床、数控车床及数控加工中心实训基地。

（3）仿真教学实施设计

1.理论课程仿真教学实施设计

根据现阶段中职学生的实际情况以及课程内容的特点，提出基于数控仿真技术的“理虚实”一体化仿真教学办法。此种教学方法是在《数控编程与加工》理论与实训课程的基础上，提出“理虚实”一体化仿真教学实施方式，并通过斯沃数控仿真软件来将理论教学与虚拟教育整合在一起，在教师的指导下，对学生展开仿真教学，其具体流程如图1所示。

图1 仿真教学实施流程图

①课前准备

课前准备环节主要是准备相应地教学资源以及通过斯沃数控仿真软件创建加工环境。

②知识导入

该环节的知识导入方式与传统教学知识导入方式具有一定差异，此种教学方式的知识导入主要是通过教师演示斯沃数控仿真软件，来完成仿真加工操作。结合较为逼真的仿真加工情境，来激发学生的好奇心，从而提升学生的学习兴趣，使学生能够充分的投入至课堂教学中，进而提升教学效果。

③任务介绍

该环节主要是由教师向学生讲解课程的主要主要内容，向学生介绍此次仿真教学的主要课堂任务，学生根据相应地任务说明书完成此次仿真任务。

④仿真探讨

在教师的引导下，学生自主完成斯沃数控仿真软件操作，并根据分配的课堂任务完成斯沃数控仿真软件的操作和案例的仿真加工。在学生理解理论知识与软件操作过程中，通过小组的形式的讨论仿真案例，将仿真过程中出现的相关问题解决。

⑤教学评价与总结

在学生完成相应地仿真任务后，需对学习成果进行相应地评价，主要采用学生进行自评互评的方式来实现。在评价过后，对课程中出现的重点、难点进行总结，并反思，以此来从中找出教学过程存在的不足，为改进教学方案提供依据。

（4）实训课程仿真教学实施设计

根据现阶段中职学生的实际情况以及课程内容的特点，提出基于数控仿真技术的“理虚实”一体化仿真教学办法。此种教学方法是在《数控编程与加工》理论与实训课程的基础上，融入数控仿真技术，以此来开展相应地仿真实训教学，其流程如图2所示。

图2 数控加工中心仿真实训教学实施流程图

①新课导入

此环节通过视频形式展示UG自动编程和仿真的过程，带领学生复习所学的数控编程与加工知识，同时对UG自动编程产生初步认识，使学生对后续的教学内容做到心中有数。

②确定项目内容

此环节的目的是分析数控加工实训仿真教学的项目内容，使学生对后续学习任务有清晰的认识，同时理清思路，做好准备。

③任务布置

此环节教师给学生进行分组，确定每组小组长并明确小组长的职责，由小组长安排每位组员的学习任务，通过小组合作探究的方式完成各项目，培养学生沟通交流、团队协作的能力。

④任务开展

此环节是整个数控加工实训仿真教学的核心环节，学生在此环节中以小组开展学习任务，通过集思广益，优劣互补的学习方式完成各学习任务，培养学生自主探究和团队意识，提升学生的岗位职业能力[8]。

⑤成果展示与评价

此环节在学生学习任务完成后，以小组为单位展示任务完成情况。教师根据学生个人表现、小组表现及任务完成情况进行评分。同时，收集学生出现的问题，进行分析总结。

（5）多元化教学评价设计

1.理论课程仿真教学评价。理论仿真教学课程评价采用过程性评价与总结性评价相结合，个人表现与小组整体表现相结合，教师评价与学生评价相结合的多元化考核评价模式。过程性评价包括学生的课堂表现和小组整体表现，总结性评价包括学生完成仿真教学任务和期末测试的结果。主要从学生课堂表现、学生任务完成情况和学生期末测试成绩对理论课程仿真实施效果进行评价，评价内容及分值占比详见表1。

表1 理论课程仿真教学评分内容及占比情况

评价类型	课堂表现	任务完成情况	学生期末测试
具体内容	学生上课专注度	学生任务完成情况	学生期末测试成绩
	学生回答问题积极性	小组整体任务完成 情况
	小组整体表现
分值占比	20%	30%	50%

2.实训课程仿真教学评价评价学生的技能训练应有统一的标准，同时也要考虑学生个体差异，将个人贡献融入评分中，提供学生个性和特长发展的空间。因此，仿真加工实训课程评价既要注重学生的个人表现，也要强调小组的整体表现；既要量化评价学生的学习结果，也要质性的评价学生的学习过程，采用定量与定性相结合，实现评价的多样化。同时，鼓励学生与学生间，小组与小组间积极互动，采用自评与互评的方式，激励学生积极交流沟通，促进学生的发展，评价内容及分值占比详见表2。

表2 实训课程仿真教学评价内容及分值情况

评价类型	模型绘制	工艺分析	编制程序		仿真以及实体加工
	个人建模；小组合作	工艺完成情况；个人贡献；小组合作	程序编制的完成情况；个人贡献；小组合作	仿真加工完成情况；实体加工完成情况；正确安装刀具库；加工零件精度测量；小组合作
分值 占比	15%	15%	20%	50%

结语：

在将数控仿真技术应用于《数控编程与加工》课程教学中后，实现了理论

知识学习与职业行动的结合，突破了传统教学方式的局限，对于提升学生的学习兴趣、学习积极性、岗位职业能力等有着十分重要的作用。此外，在利用数控仿真技术中的UG软件、斯沃仿真软件对教学案例进行相应地仿真后，可以将整个零件的加工流程清晰的展现在学生面前，并且教师还能通过计算机实时监测学生的完成情况，并对其进行相应地指导，不仅使学生有效融入课堂中，而且还有效激发了学生的学习积极习惯，在一定程度上提升了课程教学的质量。

参考文献：

[1] 陶辉. 仿真软件在数控技术专业课程教学中的应用研究[J]. 现代农机,2022(4):109-110.

[2] 苟建峰. 仿真软件在《数控技术应用》课程教学中的应用研究[J]. 教育教学论坛,2015(30):165-166.

[3] 黄瑾之,覃皓乾. 斯沃数控仿真软件在数控铣床课程上的应用——以圆弧凸台零件的仿真加工为例[J]. 现代农机,2021(4):70-72.

[4] 石站果,郑继明. 数控仿真技术在数控加工编程课程教学中的应用研究[J]. 内燃机与配件,2021(12):220-224.

[5] 卜寿一,吴明明,周逸群,等. 数控仿真软件在高校"数控实训"课程中的应用[J]. 南方农机,2022,53(22):181-184.

[6] 张顺. 数控仿真软件在中职数控机床编程与操作课程教学中的应用[J]. 速读（下旬）,2019(12):42.

[7] 郑茂溪,卢满怀,王宝蝠,等. 斯沃数控仿真软件在数控教学中的应用[J]. 科技风,2019(32):83.

[8] 王龙,胡灿,郭文松,等. 浅谈数控仿真软件在数控教学中的应用[J]. 新疆农机化,2020(6):44-46.