基于“五結(jié)合”法的激光加工工程訓(xùn)練項目的教學(xué)設(shè)計

楊林豐， 曹雪璐， 宋珂

(華南理工大學(xué) 機械與汽車工程學(xué)院，廣東 廣州 510641)

0 引言

工程訓(xùn)練是在原有以機械制造為主的金工實習(xí)課程基礎(chǔ)上逐步發(fā)展起來的一門綜合性實踐課，主要涵蓋傳統(tǒng)機加工、數(shù)控加工、特種加工、熱加工、機電控制、機器人等方面的實踐教學(xué)內(nèi)容，課程體系相對完善[1-2]，對學(xué)生工程素養(yǎng)的培養(yǎng)起到了積極作用。其中基礎(chǔ)工程訓(xùn)練環(huán)節(jié)是面向全校工科專業(yè)學(xué)生開展的公共基礎(chǔ)課，在教學(xué)過程中主要通過項目教學(xué)的方式完成對學(xué)生基本技能和相關(guān)理論的實訓(xùn)。項目教學(xué)質(zhì)量的高低，在一定程度上決定工程訓(xùn)練教學(xué)的質(zhì)量[3]。因此，如何在實訓(xùn)中完成對項目訓(xùn)練內(nèi)容的設(shè)計和優(yōu)化，是工程訓(xùn)練建設(shè)的重要內(nèi)容。本文以激光加工訓(xùn)練項目為例，依據(jù)我校工程訓(xùn)練課程的項目訓(xùn)練教學(xué)要求，并結(jié)合當(dāng)前新工科教學(xué)的要求，對該項目的課程教學(xué)進行了探索。

1 激光加工技術(shù)簡介

激光是20世紀(jì)人類最重大的發(fā)明之一，其利用激光器產(chǎn)生的高能量密度激光束與物體的熱效應(yīng)實現(xiàn)對材料的加工。與傳統(tǒng)加工技術(shù)比較，激光技術(shù)在加工精度、加工質(zhì)量、加工效率方面具有獨特的優(yōu)勢[4-5]，廣泛應(yīng)用于激光切割、激光焊接、激光打孔、激光退火等制造行業(yè)，發(fā)展前景廣闊。

當(dāng)前，國內(nèi)許多高校在工程訓(xùn)練課程中開設(shè)了激光加工訓(xùn)練項目，有助于學(xué)生系統(tǒng)學(xué)習(xí)激光的理論知識、掌握激光加工的基本工藝及操作技能，對于激發(fā)學(xué)生對激光技術(shù)的學(xué)習(xí)興趣，提高工程實踐能力具有重要意義[6]。

2 激光加工教學(xué)的現(xiàn)狀

1)訓(xùn)練設(shè)備種類多，同種設(shè)備數(shù)量少

激光加工中常用的教學(xué)設(shè)備有激光打標(biāo)、激光內(nèi)雕、激光切割、激光焊接等。為了豐富激光技術(shù)的實踐內(nèi)容，拓展學(xué)生的認知，高校通常購置多種不同種類的設(shè)備，但同種設(shè)備購置的數(shù)量少，容易在實踐中出現(xiàn)同種設(shè)備等待時間過長，學(xué)生無事可做的情況。同時，多種不同的設(shè)備，也給教學(xué)過程設(shè)計帶來不便。

2)學(xué)生專業(yè)基礎(chǔ)差異大，作品設(shè)計能力有限

激光加工訓(xùn)練的重要環(huán)節(jié)就是作品設(shè)計，要求學(xué)生具有平面、三維圖形的設(shè)計基礎(chǔ)，譬如Photoshop、CAD軟件等。由于學(xué)生專業(yè)基礎(chǔ)差異大，大部分專業(yè)不具備軟件操作能力，工程訓(xùn)練課程特別是激光加工訓(xùn)練項目本身在時間上也難以提供專門軟件的培訓(xùn)時間，這會降低學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，限制學(xué)生設(shè)計思維的發(fā)揮。

3)過于強調(diào)技能訓(xùn)練，基礎(chǔ)理論重視不夠

工程訓(xùn)練是理論與實踐相結(jié)合的過程，現(xiàn)有的教學(xué)側(cè)重于強化學(xué)生實踐技能的訓(xùn)練，課程重點放在設(shè)備結(jié)構(gòu)及其操作能力的培養(yǎng)，而忽略理論教學(xué)要為實踐教學(xué)服務(wù)的基本教學(xué)思路，造成學(xué)生專業(yè)知識的不足，影響對設(shè)備功能的全面認識，對加工過程中出現(xiàn)的一些物理現(xiàn)象缺乏必要的分析能力，限制了對學(xué)生工程能力的培養(yǎng)。

3 “五結(jié)合”法的教學(xué)模式引入

“五結(jié)合”法的教學(xué)模式即課內(nèi)與課外相結(jié)合、理論與實踐相結(jié)合、網(wǎng)絡(luò)與課堂相結(jié)合、集中授課與自主學(xué)習(xí)相結(jié)合、任務(wù)驅(qū)動與自主選擇相結(jié)合的教學(xué)模式。其目的在于提供充分的教學(xué)資源，營造良好的教學(xué)環(huán)境，為學(xué)生的實踐過程提供全程引導(dǎo)，充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

首先，學(xué)生在課前通過預(yù)習(xí)、相關(guān)素材準(zhǔn)備，為課堂學(xué)習(xí)做好準(zhǔn)備，在一定程度上延長該項目的學(xué)習(xí)時間，實現(xiàn)課內(nèi)與課外相結(jié)合；其次，通過網(wǎng)絡(luò)“微課”、課堂教學(xué)，在教學(xué)過程中，可以最大限度為學(xué)生提供學(xué)習(xí)引導(dǎo)，有助于節(jié)約時間，提高效率；然后，對重點內(nèi)容、特別是激光理論方面采用集中授課的方式，對作品設(shè)計的具體步驟、方法，采用在計算機上觀看視頻、講義的方式自主學(xué)習(xí)完成，達到邊學(xué)習(xí)邊設(shè)計的效果；最后，將激光打標(biāo)作品設(shè)計與制作規(guī)定為必修任務(wù)，激光內(nèi)雕與切割為選修任務(wù)，學(xué)生可以根據(jù)自身能力水平在完成激光打標(biāo)任務(wù)的同時，通過教學(xué)指引嘗試自主設(shè)計相關(guān)作品進行內(nèi)雕或者切割加工，充實實踐過程。

4 激光加工教學(xué)的優(yōu)化設(shè)計

4.1 教學(xué)條件

工程訓(xùn)練中心現(xiàn)有3種加工設(shè)備，包括金屬激光打標(biāo)機2臺，金屬激光切割機1臺，激光內(nèi)雕機1臺，計算機24臺。提供教學(xué)耗材有打標(biāo)用金屬名片0.2mm×86mm×54mm，內(nèi)雕用水晶塊50mm×80mm×50mm，切割用1mm厚度不銹鋼。要求學(xué)生在實踐過程中根據(jù)所提供材料完成圖形設(shè)計(處理)、獨立操作設(shè)備完成零件加工，每臺設(shè)備均提供詳細的操作說明。

4.2 教學(xué)思路

訓(xùn)練項目的重點為激光技術(shù)原理與激光打標(biāo)，激光切割與激光內(nèi)雕為學(xué)生選做項目。將教學(xué)內(nèi)容模塊化，采用逐層推進的模式，在保障學(xué)生對基礎(chǔ)理論學(xué)理解和掌握的基礎(chǔ)上，可以在有限的時間內(nèi)，根據(jù)自己的能力水平完成實踐學(xué)習(xí)任務(wù)，保證教學(xué)過程的順利進行。通過學(xué)習(xí)，要求學(xué)生達到如下目標(biāo)：

1)掌握激光產(chǎn)生的基本原理和激光器的基本組成及工作過程；

2)了解激光技術(shù)在現(xiàn)代工業(yè)中的應(yīng)用狀況；

3)掌握激光打標(biāo)機的工作原理，熟悉激光打標(biāo)的工藝過程；

4)了解激光打標(biāo)作品的設(shè)計要求，掌握激光打標(biāo)機的操作基本步驟；

5)了解激光切割機/內(nèi)雕機的基本結(jié)構(gòu)，熟悉激光切割機/內(nèi)雕機的操作步驟。

4.3 教學(xué)過程設(shè)計

根據(jù)實訓(xùn)教學(xué)安排，在激光加工教學(xué)學(xué)時1d共7h內(nèi)，將教學(xué)內(nèi)容劃分為10個模塊(表1)，部分模塊內(nèi)容可以以時間交叉的方式完成，提高時間的有效性。首先要求學(xué)生在課前預(yù)習(xí)，完成預(yù)習(xí)報告，達到對所學(xué)的實習(xí)項目初步了解，并鼓勵學(xué)生準(zhǔn)備實踐操作所需的圖片或者繪制CAD圖形，做好課前準(zhǔn)備。其次，在上午4個學(xué)時中，以激光原理、激光打標(biāo)作品設(shè)計模塊為主，并進行激光切割原理與操作的講解。在下午3個學(xué)時，學(xué)生可以在激光打標(biāo)實踐模塊排隊等候時，交叉進行激光切割CAD圖形設(shè)計與加工，并通過激光內(nèi)雕模塊的講解演示，鼓勵有興趣的學(xué)生直接利用準(zhǔn)備好的圖片完成點云化處理，進行激光內(nèi)雕。此外，上述3種作品設(shè)計均有案例引導(dǎo)，學(xué)生可以自主利用空閑時間進行設(shè)計。學(xué)生設(shè)計部分作品如圖1所示。

圖1 學(xué)生激光加工作品

表1 激光加工實踐教學(xué)內(nèi)容和學(xué)時分配計劃

5 教學(xué)效果

1)優(yōu)化教學(xué)過程，強化實踐能力

將教學(xué)內(nèi)容按知識點和設(shè)備情況劃分，每一個學(xué)習(xí)階段劃分以一個“模塊”，呈現(xiàn)“理論+實踐，再理論，再實踐……”循序漸進的學(xué)習(xí)過程，強化理論與實踐的結(jié)合，引導(dǎo)學(xué)生用理性的思維去開展實踐，實現(xiàn)由單一技能的訓(xùn)練轉(zhuǎn)向?qū)嵺`能力培養(yǎng)和轉(zhuǎn)化。

2)拓展教學(xué)資源，減少授課時間

充分利用網(wǎng)絡(luò)“微課”或在計算機上提供“教學(xué)案例”視頻、教學(xué)講義等方式，為學(xué)生提供自主學(xué)習(xí)資源。采用集中授課與自主學(xué)習(xí)相結(jié)合的模式，減少老師授課時間，老師主要講授重點知識點，其余時間學(xué)生通過教學(xué)資源學(xué)習(xí)相關(guān)內(nèi)容，特別是在作品設(shè)計方面提供輔導(dǎo)，并對學(xué)生個體差異起到補充作用，提高學(xué)習(xí)效率。

3)發(fā)揮學(xué)生主觀能動性，體驗真實實踐過程

在實踐過程中以任務(wù)的方式要求學(xué)生獨立完成任務(wù)，對所設(shè)計圖形只提出設(shè)計要點，不做具體要求，允許學(xué)生根據(jù)自己能力、愛好進行設(shè)計，發(fā)揮其主動性。在使用設(shè)備加工過程中，加工參數(shù)可以在允許范圍內(nèi)自主設(shè)置，并對加工效果分析，以體驗真實的實踐過程，使學(xué)生對激光加工整個工藝過程有一個了解。這樣不僅鍛煉學(xué)生的操作能力，同時融入“思考”元素，提升工程素養(yǎng)。

4)任務(wù)交叉進行，提高課堂教學(xué)效率

在設(shè)備數(shù)量有限的前提下，如只采用一項實踐任務(wù)全部完成再進行下一個任務(wù)的順序操作方法，不僅浪費學(xué)習(xí)時間，同時無法保證所有學(xué)生在規(guī)定教學(xué)時間內(nèi)完成任務(wù)，而通過在同一時間所有設(shè)備全部面向?qū)W生開放的方式，學(xué)生分別輪流在不同設(shè)備上進行操作，可以減少學(xué)生等待時間，提高課堂教學(xué)效率。

6 結(jié)語

工程訓(xùn)練課程訓(xùn)練項目的內(nèi)容設(shè)計對實踐效果具有重要的影響。在激光加工工程實踐中，采用“五結(jié)合”法的教學(xué)模式開展實踐，是對新形勢下教學(xué)資源的優(yōu)化整合，進一步充實了教學(xué)內(nèi)容，優(yōu)化了教學(xué)過程，特別是在教學(xué)過程中不同模塊教學(xué)交叉進行方式，對提高教學(xué)效率，發(fā)揮學(xué)生主觀能動性起到了積極作用，可以對相關(guān)實訓(xùn)項目的建設(shè)起到參考作用。