基于新工科塑料成型工藝與模具設(shè)計(jì)課程教改探索與實(shí)踐＊

張俊喜，郭小汝，楊 帆，秦牧嵐

（蘭州工業(yè)學(xué)院材料工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050）

隨著新工業(yè)革命的快速發(fā)展，工科專業(yè)迎來了機(jī)遇，但也面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[1]?！靶鹿た啤苯ㄔO(shè)對(duì)我國推動(dòng)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)“一帶一路”倡議、“互聯(lián)網(wǎng)+”戰(zhàn)略等具有重大意義[2-3]。新時(shí)期的工科建設(shè)思想和行動(dòng)綱領(lǐng)明確強(qiáng)調(diào)要繼續(xù)堅(jiān)持立德樹人，強(qiáng)化廣大工科生工程倫理意識(shí)等，著力培養(yǎng)“精益求精，追求卓越”的工匠精神[4]。為適應(yīng)新工科建設(shè)的要求，蘭州工業(yè)學(xué)院正在全面推進(jìn)教學(xué)改革。本文以材料成型及控制工程專業(yè)的主干課塑料成型工藝與模具設(shè)計(jì)作為案例，在建設(shè)中優(yōu)化知識(shí)體系、豐富教學(xué)方法、加強(qiáng)實(shí)踐環(huán)節(jié)、實(shí)行多元化考核、提升師資力量等方面開展了科學(xué)的探索與實(shí)踐，構(gòu)成“學(xué)、練、賽、創(chuàng)、研”五位一體的教育體系，收到良好的效果。

1 優(yōu)化知識(shí)體系 創(chuàng)新教學(xué)內(nèi)容

1.1 引入新材料、新工藝、新技術(shù)

塑料成型工藝與模具設(shè)計(jì)課程作為材料成型及控制工程專業(yè)教育課，主要完成塑料的組成、分類及成型特性，塑件的結(jié)構(gòu)、形狀、尺寸等工藝設(shè)計(jì)，塑料模具與成型設(shè)備的相互匹配關(guān)系，塑件成型工藝及模具設(shè)計(jì)等知識(shí)的傳授。隨著科技的發(fā)展，各行各業(yè)新理念、新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，傳統(tǒng)教材上的部分內(nèi)容完全不符合新工科背景下創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。因此，授課教師通過形式多樣的現(xiàn)代化教學(xué)手段獲取新知識(shí)（最新研究成果、新技術(shù)、新工藝），及時(shí)修改課件以充實(shí)現(xiàn)有教材，構(gòu)建塑料成型工藝與模具設(shè)計(jì)的新知識(shí)體系。例如：講解常用塑料及應(yīng)用時(shí)，引入仿瓷餐具，即密胺餐具，同現(xiàn)實(shí)生活中的新產(chǎn)品、新材料聯(lián)系；講解模具溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)時(shí)，引入隨形水路，與3D技術(shù)緊密結(jié)合；在拓展新技術(shù)和新工藝時(shí)，除了教材所提內(nèi)容外，引入高光無痕注塑技術(shù)及模具結(jié)構(gòu)、高效疊層模具及成型技術(shù)、多層塑料吹塑模具及設(shè)備、多色共注射技術(shù)、異型材的生產(chǎn)線及高速擠出模具等[5]。

1.2 引入思政元素

按照“辦好中國特色社會(huì)主義大學(xué)，要堅(jiān)持立德樹人，把培育和踐行社會(huì)主義核心價(jià)值觀融入教書育人全過程”的根本要求[6]，將基本知識(shí)與“課程思政”相結(jié)合，從材料、工藝、模具、制造等方面深入挖掘思政元素，在教學(xué)過程中引領(lǐng)學(xué)生樹立正確的價(jià)值觀，強(qiáng)化職業(yè)道德及工匠精神等[7]。以“玩具獎(jiǎng)杯”設(shè)計(jì)為例，從塑件結(jié)構(gòu)與形狀工藝分析，比較分析不同成型方案的優(yōu)缺點(diǎn)和適應(yīng)性，到型芯、型腔零件的成型尺寸計(jì)算，模具基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，分型面、澆注系統(tǒng)、推出結(jié)構(gòu)選擇，抽芯距離的理論計(jì)算及最終尺寸、強(qiáng)度校核等內(nèi)容，均需要反復(fù)修改和不斷優(yōu)化，最終達(dá)到最佳效果，在整個(gè)模具設(shè)計(jì)過程中強(qiáng)化精益求精和勇于創(chuàng)新，培養(yǎng)了學(xué)生的工匠精神。

1.3 引入創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)

加強(qiáng)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育內(nèi)容，根據(jù)各種學(xué)科競賽要求，教學(xué)團(tuán)隊(duì)教師討論優(yōu)選學(xué)科競賽的優(yōu)秀成果，從專業(yè)角度整體進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，確定本課程實(shí)施方案，不斷更新教案和PPT課件，落實(shí)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育。例如，選擇往屆學(xué)生3D大賽中塑料模具設(shè)計(jì)獲獎(jiǎng)作品作為典型案例，進(jìn)行任務(wù)分解，結(jié)合基本理論進(jìn)行講解介紹，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力。

2 豐富教學(xué)方法 增強(qiáng)教學(xué)效果

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，完全改變了人們的生活及行為方式。傳統(tǒng)教師講授為主的課堂教學(xué)，學(xué)生被動(dòng)聽講，強(qiáng)迫做一些簡單筆記，或用手機(jī)拍照記錄，枯燥的課堂氣氛使學(xué)生很難集中注意力，也很難培養(yǎng)創(chuàng)新能力，使教學(xué)效果不佳。因此，不斷探索及改進(jìn)教學(xué)模式，基于工程認(rèn)證理念，加強(qiáng)“以學(xué)生為中心”的混合式教學(xué)模式，根據(jù)新時(shí)代大學(xué)生特征及信息技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀，采用線上、線下混合式、啟發(fā)式、項(xiàng)目式、討論式、提問式等多種教學(xué)手段，促進(jìn)教學(xué)效果。例如：課堂授課之前借助大學(xué)慕課資源，以積分制強(qiáng)制學(xué)生課前的線上學(xué)習(xí)；針對(duì)每個(gè)模塊重要知識(shí)點(diǎn)，錄制成視頻，發(fā)布在學(xué)習(xí)通中，方便學(xué)生隨時(shí)學(xué)習(xí)和討論，并且在學(xué)習(xí)通中發(fā)布作業(yè)、課件等，引導(dǎo)學(xué)生課前學(xué)習(xí)。統(tǒng)計(jì)學(xué)生視頻觀看時(shí)長、作業(yè)完成情況，分析每位學(xué)生的具體學(xué)習(xí)情況，及時(shí)采取補(bǔ)救措施，如課內(nèi)針對(duì)性地提問、討論等，促進(jìn)后進(jìn)生的學(xué)習(xí)效果。學(xué)生課外可借助多媒體課件、動(dòng)畫及生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)視頻等資源進(jìn)行基本知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)，而課內(nèi)采用翻轉(zhuǎn)課堂，即訓(xùn)練學(xué)生演講能力，活躍課堂氣氛，提高學(xué)習(xí)效果。另外，一些基本知識(shí)講解完成后，可以進(jìn)行學(xué)生提問教師解答、教師點(diǎn)名提問、隨堂小測(cè)驗(yàn)等形式進(jìn)行教學(xué)效果反饋。

3 強(qiáng)化實(shí)踐環(huán)節(jié) 提高動(dòng)手能力

3.1 開設(shè)三性實(shí)驗(yàn)

根據(jù)建設(shè)地方性應(yīng)用型本科的要求，學(xué)校加強(qiáng)校內(nèi)實(shí)驗(yàn)室基地的建設(shè)，2019年為材料成型及控制工程專業(yè)投入180萬，補(bǔ)充建設(shè)塑料成型實(shí)驗(yàn)室、3D打印實(shí)驗(yàn)室等。在材控18級(jí)人才培養(yǎng)方案中增加了實(shí)踐課時(shí)。本課程也設(shè)置了6學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)，并且傳統(tǒng)演示性實(shí)驗(yàn)改為三性實(shí)驗(yàn)（即：設(shè)計(jì)性、創(chuàng)新性、綜合性）。例如：模具拆裝實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有四十多付透明模具和生產(chǎn)模具，各類工具和量具。學(xué)生分組，團(tuán)隊(duì)合作，創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)實(shí)施方案，在現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)手操作完成模具拆裝和測(cè)繪，通過自評(píng)、互評(píng)、點(diǎn)評(píng)，獲得成績，并培養(yǎng)工程素養(yǎng)；數(shù)字化設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室繪制2D和3D塑件、零部件、模具裝配圖、爆炸圖，使學(xué)生掌握塑料模具的設(shè)計(jì)流程及軟件應(yīng)用能力，并結(jié)合學(xué)科競賽，創(chuàng)新設(shè)計(jì)且繪制出模具裝配三維圖、動(dòng)作分解圖以及制作短視頻；借助3D打印實(shí)驗(yàn)室的各種設(shè)備，打印ABS實(shí)體模具，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性，課外進(jìn)一步優(yōu)化創(chuàng)新設(shè)計(jì)，最終成果作為創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)等比賽產(chǎn)品，提高創(chuàng)新能力。塑料成型實(shí)驗(yàn)室學(xué)生可進(jìn)行生產(chǎn)、工藝、設(shè)備、模具等環(huán)節(jié)實(shí)驗(yàn)及實(shí)訓(xùn)，旨在體驗(yàn)塑件的成型全過程，使學(xué)生將理論知識(shí)與企業(yè)生產(chǎn)相結(jié)合，掌握模具結(jié)構(gòu)、注射成型原理及工藝流程。

3.2 校企合作

目前，已經(jīng)建設(shè)了以蘭石集團(tuán)為主的多個(gè)校外實(shí)習(xí)基地。在這一實(shí)踐環(huán)節(jié)中，學(xué)生通過與生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)人員交流，進(jìn)一步掌握塑料模具設(shè)計(jì)中應(yīng)該考慮的主要問題，了解生產(chǎn)企業(yè)的先進(jìn)理念及設(shè)計(jì)手段，當(dāng)今主要采用哪些CAD/CAE/CAM等軟件。在模具加工、裝配、試模車間，通過企業(yè)技術(shù)人員講解生產(chǎn)工藝圖紙、模具生產(chǎn)工藝規(guī)程制定原則、工藝流程圖、模具實(shí)物、先進(jìn)加工技術(shù)與設(shè)備等，使學(xué)生全面熟悉從設(shè)計(jì)到制造的整個(gè)模具生產(chǎn)過程。同時(shí)，學(xué)生身臨其境，體驗(yàn)生產(chǎn)，增強(qiáng)工程意識(shí)。此外，學(xué)生通過車間各種公告欄，以及企業(yè)人員的講解，較全面地認(rèn)識(shí)了生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)與管理模式、塑件的成型工藝及模具行業(yè)情況等。

3.3 學(xué)科競賽和大創(chuàng)項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)

基于成果導(dǎo)向的工程教育理念，蘭州工業(yè)學(xué)院加強(qiáng)建設(shè)每個(gè)專業(yè)的實(shí)踐環(huán)節(jié)。根據(jù)新修訂大綱，教學(xué)團(tuán)隊(duì)編寫了《塑料成型工藝與模具設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》，用于各種實(shí)踐教學(xué)。本指導(dǎo)書第一部分介紹了單分型面、雙分型面、斜導(dǎo)柱側(cè)向抽芯三種模具設(shè)計(jì)的內(nèi)容、方法和步驟，并把往屆高水平學(xué)科競賽獲獎(jiǎng)作品作為典型案例；第二部分介紹了最新相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)介紹了新工藝、新技術(shù)，以及在創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽中應(yīng)用案例；第三部分介紹了設(shè)計(jì)選題，并強(qiáng)調(diào)選題必須同各種學(xué)科競賽、科研項(xiàng)目相結(jié)合，并及時(shí)更新。本環(huán)節(jié)具體教學(xué)過程如圖1所示。以項(xiàng)目為載體，分解任務(wù)，分組初步完成設(shè)計(jì)和實(shí)物的制作，優(yōu)選優(yōu)秀作品參與學(xué)科競賽，或大創(chuàng)項(xiàng)目申報(bào)，實(shí)現(xiàn)賽教融合，促進(jìn)教學(xué)改革。在各種實(shí)踐活動(dòng)中“以學(xué)生為中心”，在指導(dǎo)教師的引導(dǎo)下，學(xué)生自主完成項(xiàng)目任務(wù)，訓(xùn)練動(dòng)手能力，學(xué)生不斷發(fā)現(xiàn)和解決實(shí)際問題，培養(yǎng)創(chuàng)新能力，并在工程教育中融入文化素養(yǎng)，提高道德覺悟。

圖1 項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)課程設(shè)計(jì)過程

4 多元考核方式

改變期末卷面成績?yōu)橹鞯目己朔绞剑n程建設(shè)中加強(qiáng)了過程考核，形成多元化考核評(píng)價(jià)體系，如表1所示。其中課堂表現(xiàn)由學(xué)習(xí)態(tài)度、互動(dòng)效果、提問回答課堂研討等構(gòu)成；綜合作業(yè)是布置開放式題目，學(xué)生課外完成的設(shè)計(jì)，相似于簡化的課程設(shè)計(jì)，根據(jù)完成質(zhì)量，以及比賽獲獎(jiǎng)級(jí)別、大創(chuàng)立項(xiàng)級(jí)別、撰寫論文情況給分；實(shí)驗(yàn)成績包括出勤與紀(jì)律，預(yù)習(xí)情況，設(shè)備操作水平及規(guī)范性，實(shí)驗(yàn)報(bào)告質(zhì)量等方面進(jìn)行考核。期末考試出題前，首先根據(jù)教學(xué)大綱制定命題計(jì)劃，確定每個(gè)知識(shí)點(diǎn)所占分值，以及考核方式，降低客觀題的比例（≤30%），把部分知識(shí)點(diǎn)綜合起來，通過沒有確定答案的主觀題來考察，給學(xué)生更多答題思路，增強(qiáng)知識(shí)應(yīng)用能力。如提供一個(gè)塑件圖，要求塑件結(jié)構(gòu)分析，修改結(jié)構(gòu)中的不合理部分，然后，根據(jù)改進(jìn)后的新結(jié)構(gòu)塑件完成分型面及成型零件設(shè)計(jì)等內(nèi)容。

表1 課程考核項(xiàng)目及建議比例

5 提升師資力量 強(qiáng)化雙師型

新工科建設(shè)背景下，學(xué)校加強(qiáng)師資隊(duì)伍建設(shè)。據(jù)調(diào)查，材料成型及控制工程專業(yè)的大多數(shù)新進(jìn)年輕教師，從本科到博士畢業(yè)所學(xué)專業(yè)一般為材料科學(xué)與工程，也缺乏在企業(yè)從事相關(guān)工作的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)多學(xué)科交叉課程的難點(diǎn)重點(diǎn)把握不準(zhǔn)，課堂控制力低等等。因此，針對(duì)具體問題，堅(jiān)持以需求為導(dǎo)向，對(duì)新引進(jìn)年輕教師進(jìn)行循環(huán)培訓(xùn)，如崗前培訓(xùn)，相關(guān)知識(shí)培訓(xùn)，有經(jīng)驗(yàn)專業(yè)老教授導(dǎo)師帶助教制，定期走進(jìn)企業(yè)參與生產(chǎn)實(shí)踐鍛煉等。同時(shí)，學(xué)院對(duì)全職教師進(jìn)行實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力培訓(xùn)。聯(lián)系新采購設(shè)備廠商進(jìn)校分層次多級(jí)培訓(xùn)，第一階段訓(xùn)練教師設(shè)備操作能力；第二階段教師與廠商技術(shù)人員共同解決設(shè)備運(yùn)作中出現(xiàn)的問題；第三階段培訓(xùn)設(shè)備日常維護(hù)、檢修能力，并開展創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)，不斷提升教學(xué)團(tuán)隊(duì)的實(shí)踐水平。例如，2020年，塑料成型工藝與模具設(shè)計(jì)教學(xué)團(tuán)隊(duì)中，本課主講教師獲得“一級(jí)/高級(jí)技師”，另外二人獲得“二級(jí)/技師”，三人順利晉升為“雙師雙能型”教師。

6 實(shí)踐效果明顯 成果豐富 單位滿意

通過實(shí)踐，比較近三年材控專業(yè)16級(jí)、17級(jí)、18級(jí)學(xué)生塑料成型工藝與模具設(shè)計(jì)課程綜合成績，如圖2所示。由圖2可以看出，16級(jí)良好占26.6%，優(yōu)秀占2.22%；17級(jí)良好占36.73%，優(yōu)秀占4.08%；18級(jí)良好占51.16%，優(yōu)秀為27.91%；這表明學(xué)生平均綜合成績逐年提高，良好和優(yōu)秀學(xué)生比例增多。其主要原因是材控18級(jí)學(xué)生的塑料模具課程設(shè)計(jì)項(xiàng)目作品，在學(xué)科競賽獲得6項(xiàng)省級(jí)二等獎(jiǎng)以上，4人創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目，2人專利授權(quán)，2人發(fā)表論文。根據(jù)多元化考核方式，上述同學(xué)均給以加分，使18級(jí)的成績顯著提升。據(jù)用人單位、有關(guān)高校的研究生導(dǎo)師反饋，材料成型及控制工程專業(yè)畢業(yè)生具有良好的綜合素質(zhì)、較強(qiáng)的動(dòng)手能力，滿意度較高。

圖2 學(xué)生成績分布和平均分（a）2016級(jí)；（b）2017級(jí)；（c）2018級(jí)；（d）平均成績