机械制造与自动化专业核心课程软件开发与应用(上)
——以天津工程职业技术学院为例

(天津工程职业技术学院，天津 300280)

十二五期间，天津市教委启动了“高等职业院校提升办学水平建设”工程，天津工程职业技术学院机械制造与自动化专业根据制造业发展趋势，制定方案，积极申请，获批进行优质特色专业项目建设。在优质特色专业建设中，课程建设是优质特色专业建设的重要内容之一，专业核心课程软件的开发是课程建设的一部分，经专业教学指导委员会研究，确定机械设计基础、液压传动技术、工程力学、电机拖动技术、机床电气控制技术、单片机应用技术课程为专业核心课程。进行核心课程软件开发，首先要研究每门核心课程的特点，找出教学难点，然后确定软件功能，构建软件框架，再进行脚本设计，最后根据脚本要求制作出高质量的核心课程软件。

一、分析课程特点，找出教学难点

机械设计基础课程有以下特点：通过学习机械中常见机构和通用零件的结构特点、运动特性、工作原理、基本设计理论、使用和维护，以及有关国家标准和规范，使学生掌握机械的设计原理、设计方法，具有一般设计机械的能力。而各种机械零件的结构特点、运动特性、工作原理是教学的难点。

液压传动控制技术课程是一门以液压为传动介质的各种机械传动与控制的技术，其特点是通过学习组成液压系统的执行元件、控制元件、动力元件、辅助原件、工作介质，能够设计简单的液压控制系统，完成液压系统的常见故障诊断和排除以及日常维护。教学难点是各种元件的结构特点、工作原理及运动过程。

工程力学课程特点是，学习机械结构的几何组成规律，在载荷的作用下构件和结构的刚度、强度和稳定性；研究结构正常工作必须满足刚度、强度、稳定性的要求和平面杆系的结构，保证设计结构在正常工作时产生的形变不超过允许范围，根据材料的性能特点，设计出安全可靠、经济合理的机械结构。学习难点是结构受力时产生的形变；杆件的承载能力分析；物体的受力分析；静定结构的内力分析；超静定结构的内力分析。

电机拖动技术课程是认识直流电机的结构和工作原理，学习他励直流电机运行及特点；他励直流发电机的运行特性；单相变压器参数的测定；三相变压器联接组别的判别；三相异步电机的启动及调速；电机的故障检测、判断及维修。教学难点是各种电机工作原理及运行过程，电机内部结构，电流瞬时情况及各部件的运动情况。

机床电气控制技术课程内容是，通过学习低压电器元件工作原理，电气控制的基本规律，使学生掌握识读电路图的正确方法，电气线路接线的基本方法；电气控制电路的检测方法；了解电路中电器元件、各触点的作用；具备典型低压电器元件的结构特点的分析和类型识别能力；低压电器元件的选用、安装与使用能力；电气控制电路的安装、调试能力；低压电器元件常见故障的判断、分析与处理能力；电气控制电路常见故障的判断、分析与处理能力。教学难点是电气元件工作原理、工作过程的分析，电器元件的导通、动作状态和电流流向。

单片机技术应用课程不同于其他课程，在单片机基础知识的基础上，它集电工电子、电机、传感器等知识技术于一体，按照用户提出的功能要求，设计硬件电路系统，并把开发出的程序应用在硬件电路中。它是一门软硬件结合、应用性很强的课程，需要通过反复实践才能熟练应用。单片机综合项目设计训练需要学生在课下进行，因学校资源有限，不能保证对每个学生进行课下指导，现有教学条件不能满足学生需求。

二、传统教学存在的问题

对于以上教学难点，传统的教学方法是：以挂图、模型为教具，对其运动特性、运动过程、工作原理进行描述讲解。简单的零件或机构可以讲解清楚，对于复杂机构的运动特性、工作原理就很难描述清楚，老师讲解时需要学生有较好的想象力，常常是想象的结果与实际相差很远，用讲解的方法就达不到好的教学效果。

目前多媒体技术在教学中的应用，仅仅是把文字和图片搬到屏幕上，仍然需要老师花费很多心思、用大量的语言去讲解机械结构的运动过程和工作原理，花费时间长，学生仍然理解不透，教学效果达不到要求。目前也有部分零件和简单机构的动画演示，但数量较少，有的不适合教学，不能很好的满足教学需要。

随着职业教育理念的加深，教学方法的改进，多数课程已经采用教、学、做一体化教学模式，但是复杂机构是怎样传递运动和力的，学生不能理解，学生只知道怎样做，不知道为什么这样做，即只知其然，不知其所以然。如果我们只是为企业培养操作工这也就够了，但我们培养的是高技能技术人才，学生必须知道各个零件、各种机构的运动过程和工作原理，在今后的工作中能够完成设备改造和技术革新，使机器运转更安全、工作效率更高，为企业创造更高的经济效益。

所以传统的教学方法存在较大缺陷：复杂机构、零件的工作原理、运动特性不能直观的展示给学生，不能有效解决教学中的难点；无论是挂图还是放映在屏幕上的图都是静态的，而不是动态的，无法显现机构每一时刻的运动状态；教师与学生之间的互动达不到预期效果；不能完成模拟训练；学生不能自行测试。

改变以上有诸多缺点的教学方法，就需要开发专业核心课程软件，该软件集理论教学、模拟训练、设计训练、自行测试、考核于一体。把复杂机构的工作原理、运动特性，电器元件、动力元件、工作介质、受载荷后的工件变形等以动画的形式展现给学生，克服了用过多的语言描述，而学生有难以理解的缺点，让学生在视频中轻松学习，教学难点得到很好的解决。视频和语音相结合展示单片机技术课程在工程项目中的设计和制作，这种教学方式，及方便学生自学，也使学生在没有老师的情况下能够得到指导，拓展了学生的学习时间和空间，使学生随时能够学习、训练、设计电路，从而提高学生的创新能力和综合素质。

三、构建课程体系，确定课程内容

1.根据专业岗位技能需求，科学构建课程体系

根据学生知识、技能、态度的形成规律，以及机械制造与自动化专业三种职业能力之间的内在联系，围绕专业核心技术，学校与企业联手，以培养专业技术岗位能力为核心，与企业典型生产项目、典型生产设备的工作过程相对接，构建专业课程体系，具体分为以下五部分教学内容：

第一，公共学习部分：学习职业守则、职业道德、安全操作与劳动保护知识，培养学生基本素质，建立现代从业人员应具有的职业意识，增强职业核心能力，养成良好的职业习惯。

第二，专业知识和技能部分：按照培养三种职业专项能力的要求，将专业知识和技能分为数控机床加工技术、普通机械加工技术、机床电气维护与排故技术。

普通机械加工技术教学模块涵盖机械制图、工程力学、机械设计基础、机械制造基础与技术、公差与技术测量、金属加工工艺和加工设备操作课程，通过该部分教学内容的学习，使学生熟练掌握手工绘图、计算机辅助设计绘图技术，具有读图能力，获得中级制图员证书；能进行加工工艺规程编制，对各种生产工具能够熟练使用；能熟练地操作一种普通机床。

数控加工技术教学模块，培养学生数控编程与操作技能，通过计算机仿真、数控机床实际操作，真实零件加工等训练，使学生熟练掌握通用零件的数控机床加工技术；具备根据加工工艺正确选用工装夹具及数控刀具的能力；能够进行数控机床故障诊断、维护和调试。

机床电气维护知识和技能模块包括普通和数控机床的维修与维护，通过学习和训练使学生具备对普通机床和数控机床的机械结构、电气控制部分故障判断、故障分析和维修能力；掌握普通、数控机床的定期维护保养技术。

第三，拓展学习部分：找出学生个性差异，发挥学生的特长，挖掘学生的潜能，使学生掌握专业领域的发展趋势，适应职业的变化，满足学生能力提升的需求。

第四，生产性综合技能训练部分，根据职业岗位标准和个人就业意愿，分层次、分方向开展职业技能的专项训练与认证考核。重点进行数控加工技术、机械加工技术、机床电气设备维护三个方面的训练，依据相关职业标准，以考取职业资格证书为基本要求，在校内实训基地，给出具有完整工作过程的训练项目，完成综合实训，考取由人社部颁发的相关职业资格证书。

第五，顶岗实习课程：明确企业实际岗位要求，把每个岗位按照工作过程分解成若干任务或项目，根据任务或项目要求确定实习内容，学生根据企业的实际岗位自主选择，在企业技术人员和教师的共同指导下完成顶岗实习教学任务。

2.按照与企业对接原则确定课程内容

通过到企业调研、与企业技术人员讨论等形式，深刻了解企业岗位知识技能要求，确定课程内容。课程内容涵盖现代企业优秀文化理念和社会主义核心价值体系，职业素养和职业道德，机械制造工艺编制与实施能力；机械装配与安装、调试的能力；机械制造生产操作与精度检测技能；设备保养、维护和维修能力。从而培养具有较强的社会适应能力，具有良好职业素养和创新精神，较好服务于机械行业生产一线的技术技能型人才。

四、设计软件框架，进行软件开发

1.明确专业核心课程软件的结构和功能

经专业指导委员会研究，结合教学实际，确定专业核心课程软件具备以下结构及功能：能够完成理论教学；能够进行实际训练；实现模拟仿真；具有考核测试功能；具有可扩展课程功能。在机械设计基础、工程力学、液压传动控制技术、电机拖动及维修技术、机床电气控制技术、单片机技术应用六门课程的教学中能有效解决教学难点，教、学、做一体，实现讲练结合，教师能实时掌握学生学习动态和学习进度，实现良好的教学效果。

理论教学模块：设计出每个任务或项目的教学内容，指出教学难点，用图解和动画解决教学难点。

实训管理模块：完成设计方案的制定，根据所给参数，根据不同的课程要求，选配不同的机构和零件，绘制平面图和实体图，并完成实体零件的装配、液压回路的绘制或单片机的项目设计。

模拟仿真模块：通过模拟有多种机构组成复杂机器，让学生了解各种机构的运动情况，机构之间的运动传递情况，各种机构在机器中的位置和作用，确保设计出的机械结构效率更高、更安全。

考核测试模块：每门课对学生进行四次理论考试，教师可以授予学生考试的权限，以便对缺课多于三分之一的学生控制考试。软件能够追踪学生考试情况，对包括实际训练成绩在内的所有成绩综合统计和分析。

2.理论模块的脚本设计

专业核心课程软件结构和功能确定后，即可规划一级菜单、二级菜单及正文页面的内容，并确定用图、动画表示的知识点，理论教学模块的脚本设计以机械设计基础课程为例，首先把机械设计基础课程内容分为六个情景，进行情景设计，每个情景分若干个项目，每个项目又分二级菜单，然后设计每页的内容和动画要求，以下是情景三的项目四：

表1

然后再给出项目四轮系中每个页面的具体内容，并指出要求。

第一页面的内容：

平面定轴轮系传动比的计算

一对齿轮的传动比计算：

转向关系：

由此看出，定轴轮系传动比在数值上等于该定轴轮系的各对啮合齿轮传动的连乘积。

在定轴轮系中，若把首轮设为1轮，把末轮设为K轮，则定轴轮系传动比为：

1—代表首轮， K—代表末轮，m—代表轮系中外啮合齿轮的对数。m为偶数时传动比的值为负，表示首末轮转向相同；m为奇数时传动比的值为负，表示首末轮转向相反。

括号内容字号加大加粗引起注意(注意：中介轮不影响传动比的大小,改变了从动轮的转向。)

第二页面的内容：

不能使用(-1)m，首末两轮的转向关系，在图中用箭头顺序标出。

实例：如图所示，已知z1=16，z2=32，z3=20，z4=40，z5=2，z6=40，若n1=800r·min，求蜗轮的转速，确定各轮的转向。

图1

第三页面的内容：

周转轮系传动比计算

领会周转轮系与转化轮系的关系，制作出由周转轮系向转化轮系的动画演示。

主要内容：

设各轮的齿数分别为z1、z2、z3，转速分别为n1、n2、n3、nH

表2

3.根据脚本要求完成软件制作

脚本设计完成后，动画制作小组根据脚本设计要求，深刻理解教学内容，反复修改制作出由周转轮系向转化轮系的演示动画：

图2

周转轮系与定轴轮系的运动情况很难讲清，学生也难以想象，通过动画演示，一目了然，有效地解决了教学难点。最后将每个项目的内容进行合成，完成核心课程软件制作。