基于啟發(fā)式教學(xué)的激光加工技術(shù)課程教學(xué)研究

譚金鈴

摘 要：文章以三峽大學(xué)激光加工課程為例，首先從激光內(nèi)雕、激光打標(biāo)、激光切割著手，闡述了激光加工技術(shù)項目的建設(shè)、實踐與探索，重點探討了啟發(fā)式教學(xué)新模式。其次，展望了激光技術(shù)的綜合項目課程，從而實現(xiàn)學(xué)生參與產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計、精準(zhǔn)加工制作的全過程。以此提高學(xué)生自主設(shè)計能力和工程實踐能力。

關(guān)鍵詞：激光加工；啟發(fā)式；創(chuàng)新；工程訓(xùn)練

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2096-000X（2018）15-0091-03

Abstract： This paper expounds the construction， practice and exploration of the laser processing technology project in the quality education center of college students， taking the laser internal carving， laser marking and laser cutting as an example in China Three Gorges University. The new mode of heuristic teaching is focused to discuss. Then， the comprehensive project course of laser technology is designed so as to enable students to participate in the whole process of product innovation design and precision machining. Finally， we can achieve the goal of improving their ability of independent design and engineering practice ability.

Keywords： laser processing； elicitation； innovate； engineering training

激光加工技術(shù)己經(jīng)逐漸成為工業(yè)生產(chǎn)自動化的關(guān)鍵技術(shù)。隨著工程訓(xùn)練的日益強(qiáng)化，在高校工程實訓(xùn)中增設(shè)激光加工技術(shù)課程，不僅讓學(xué)生認(rèn)知制造業(yè)中相關(guān)的先進(jìn)制造技術(shù)和該行業(yè)的發(fā)展動態(tài)，而且提高了學(xué)生的工程素養(yǎng)和實踐能力[1]。

當(dāng)前，國內(nèi)很多高校都開設(shè)了激光加工技術(shù)相關(guān)的課程，受到了學(xué)生的歡迎。但是大多數(shù)課程的設(shè)置在考慮學(xué)生的創(chuàng)意與個性同時，對工程能力的培養(yǎng)尚為缺乏[2]。故在進(jìn)行課程建設(shè)時，應(yīng)兼顧學(xué)生興趣和學(xué)生的工程能力、創(chuàng)新意識的培養(yǎng)。本文以三峽大學(xué)激光加工技術(shù)課程為例，分析了各激光加工項目的特點，提出了教學(xué)任務(wù)驅(qū)動、行為引導(dǎo)式并存的啟發(fā)式教學(xué)模式，并探索了激光加工綜合課程的開展。

一、課程設(shè)計的理念

我校工程訓(xùn)練課程服務(wù)于學(xué)校“高素質(zhì)、強(qiáng)能力、應(yīng)用型”的人才培養(yǎng)總目標(biāo)，以培養(yǎng)學(xué)生將創(chuàng)意轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品為重點之一，開設(shè)了一系列工訓(xùn)課程，作為基礎(chǔ)訓(xùn)練項目之一的激光加工實訓(xùn)是全校學(xué)生的公共必修課。教學(xué)內(nèi)容包括：激光切割、激光打標(biāo)和激光內(nèi)雕。將課程設(shè)計為：理論足夠，實踐充足，突出技能的設(shè)計-加工-制作過程，學(xué)生實踐為主，教師引導(dǎo)為輔的啟發(fā)式教學(xué)新模式。

二、課程設(shè)計的內(nèi)容

激光加工不同于普通的機(jī)械加工，而是靠光熱效應(yīng)來進(jìn)行的，其原理是光經(jīng)過透鏡聚焦后會在焦點上達(dá)到非常高的能量密度來對加工工件。激光加工屬于國家重點發(fā)展的較為高端裝備制造業(yè)中的重要領(lǐng)域。因此，為了學(xué)生職業(yè)核心能力的培養(yǎng)以及與社會接軌能力的鍛煉，課程教學(xué)大綱中設(shè)置了激光內(nèi)雕、激光打標(biāo)和激光切割三個項目，旨在通過不同的操作方式，讓學(xué)生感受并領(lǐng)會激光加工的奧妙、拓展學(xué)生視野、擴(kuò)大學(xué)生的專業(yè)知識面。激光實訓(xùn)課程規(guī)劃如圖1所示。

（一）激光內(nèi)雕-水晶

激光內(nèi)雕指的是在玻璃背部雕刻出特定的三維形狀。采用的是激光在玻璃體內(nèi)部聚焦玻璃分子晶格的坐標(biāo)，另外還使用三軸的平臺運動以及速度較高的振鏡掃描，從而一層一層產(chǎn)生爆裂白點[3，4]。本校對內(nèi)雕課程的開設(shè)是采用老師教授，學(xué)生操作，老師輔導(dǎo)的模式。其操作流程如下：

1. 三維建模。用三維軟件建模，如UG、pro/e、solidworks等等。本文以UG建模為例，（1）打開UG軟件，選擇“新建”、“模型”；更改模型“名稱”再保存。（2）選“部件導(dǎo)航器”，選中“基準(zhǔn)坐標(biāo)系”，單擊“顯示”。（3）點擊“創(chuàng)建草圖”；選擇基準(zhǔn)平面，選擇默認(rèn)，“確定”。（4）完成草圖，拉伸，建立三維模型。

2. 照片處理。即在PS中打開指定照片，對照片進(jìn)行適當(dāng)處理，包括把照片旋轉(zhuǎn)到適當(dāng)?shù)奈恢茫詈髮⑻幚砗玫膱D片保存為JPG 格式。

3. 3D照相。用三維相機(jī)拍照。兩個學(xué)生一組，現(xiàn)場用三維相機(jī)拍照并完成照片成點及修剪工作，再把處理好的照片傳入激光內(nèi)雕機(jī)。

4. 加工。（1）在Laserimage軟件中打開待加工圖片。（2）系統(tǒng)彈出參數(shù)設(shè)置對話框，調(diào)節(jié)亮度、對比度等參數(shù)，并導(dǎo)入圖片。（3）在“Laser Control”中打開剛保存的文件，在彈出的對話框中選擇“3D”并鼠標(biāo)單擊“OK”按鈕，選擇“水晶”，點擊“start”即可進(jìn)行加工。此過程中切記將激光內(nèi)雕機(jī)的門關(guān)上。

如圖2所示。

學(xué)生在聽完理論課程之后，每人會被分發(fā)一個空白水晶，學(xué)生自行設(shè)計內(nèi)雕模型并獨自進(jìn)行加工，老師全程給予指導(dǎo)。

（二）激光打標(biāo)-名片

激光打標(biāo)得到的作品屬于永久性標(biāo)記，其原理是采用高能量密度的激光照射工件，然后使得工件表層得以汽化或顏色變化的化學(xué)反應(yīng)。課程分為名片設(shè)計和名片制作兩個環(huán)節(jié)，其中名片的制作不限風(fēng)格，支持學(xué)生發(fā)散性思維[5]。

1. 名片設(shè)計

目前可供名片設(shè)計的軟件主要是windows平臺下的專用標(biāo)刻軟件，該軟件上手較快，可操作性較強(qiáng)，名片設(shè)計內(nèi)容可以為文字、圖片、圖形、符號及其組合。另外，亦可在AutoCAD和Photshop等軟件中進(jìn)行精心設(shè)計從而獲得理想的精致名片。當(dāng)然，名片的設(shè)計除了需要使用相關(guān)軟件外，創(chuàng)造性思維也是強(qiáng)有力的支撐。

2. 名片制作

（1）確定激光器和光學(xué)原件的位置，從而得到準(zhǔn)確的焦平面位置。（2）調(diào)整工作臺基準(zhǔn)平面，上下微調(diào)臺面，當(dāng)激光打在金屬名片上的“毗、毗”聲最大、最清脆時停止移動螺旋螺母，此時可確定金屬名片于焦平面之上，即臺面位置為焦平面位置。（3）點擊電腦上的打標(biāo)按鈕，即可完成名片的打標(biāo)。

激光打標(biāo)-名片這個子項目的問題主要集中在學(xué)生對軟件的熟練程度和激光焦平面的確定這兩個環(huán)節(jié)。授課過程中，老師不斷為學(xué)生提供幫助，學(xué)生也會在問題迎刃而解中獲得成就感。最終每位同學(xué)都會擁有一張自己精心設(shè)計制作的專屬名片。

（三）激光切割

激光切割中使用的激光是經(jīng)過聚焦的，因此具有高功率密度的特點，當(dāng)待切割材料被照射時，會迅速熔化、汽化、或達(dá)到燃點，從而成功將工件割開。其具有無接觸加工、切縫窄工件變形小，適應(yīng)性和靈活性強(qiáng)的顯著特點[6]。

激光切割課程安排：（1）學(xué)生自己完成零件圖形設(shè)計，使用CAXA線切割軟件進(jìn)行編程。（2）學(xué)生操作線切割機(jī)床對已設(shè)計的零件進(jìn)行實際加工。

三、課程存在的問題及改進(jìn)方式

上述三個項目的開展緊緊圍繞著分層式教學(xué)，學(xué)生在老師教授的理論知識和演示操作的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計和加工。但是目前存在以下問題：

1. 課堂氛圍不夠活躍，主要表現(xiàn)在興趣度不夠。

2. 部分學(xué)生從未接觸過三維建模繪圖軟件，因此初步上手時，略有難度。學(xué)生的畏難情緒導(dǎo)致積極性欠缺。

3. 由于設(shè)備數(shù)量有限，學(xué)生用于等候的時間較多。

為了改善以上問題，本校近期對課程建設(shè)作了改進(jìn)，取得了初步的效果。如：

1. 將學(xué)生進(jìn)行分組，在任務(wù)下達(dá)之后，可通過組內(nèi)討論來調(diào)動大家的積極性，同學(xué)之間相互的答疑解惑，也是一種相互促進(jìn)的學(xué)習(xí)方式。

2. 在課程之中，引入了金點子環(huán)節(jié)，可在制作之前預(yù)留時間，號召學(xué)生自主介紹自己在設(shè)計過程的一些新的想法，并交流如何產(chǎn)生這樣的金點子，進(jìn)而促進(jìn)其他同學(xué)的創(chuàng)造性開發(fā)。另外，老師對學(xué)生的創(chuàng)意給予點評，讓金點子環(huán)節(jié)更深刻全面，以達(dá)到預(yù)期效果。

3. 將學(xué)生分組分批進(jìn)行不同子項目的制作，大大減少了機(jī)器的使用壓力。

本課程引入了學(xué)生角色扮演，頭腦風(fēng)暴等教學(xué)改革環(huán)節(jié)，利用學(xué)習(xí)過程中學(xué)生與老師、學(xué)生與學(xué)生之間的有效互動，啟發(fā)學(xué)生思維，保證學(xué)生參與度，讓學(xué)生從親自動腦動手的過程中深入理解理論知識的內(nèi)涵，形成具體完備的激光加工知識體系。從而實現(xiàn)以下三個目標(biāo)：

1. 知識儲備目標(biāo)。要求學(xué)生應(yīng)用三維軟件建模，了解激光加工技術(shù)原理和激光加工設(shè)備的基本構(gòu)造，掌握激光設(shè)備采用的相關(guān)核心技術(shù)，掌握從事激光加工工藝工作應(yīng)具備的思想素質(zhì)和技能儲備。

2. 創(chuàng)新技能目標(biāo)。要求學(xué)生熟悉本課程中涉及的激光器的使用、裝配、調(diào)試等方法，能熟練利用激光加工設(shè)備完成相應(yīng)的加工工藝過程，能高效地對工作任務(wù)進(jìn)行統(tǒng)籌協(xié)調(diào)、保質(zhì)保量。

3. 人文素質(zhì)目標(biāo)。綜合項目涉及團(tuán)隊合作，尤其是在加工操作過程中，互幫互助可以大大地提高工作效率。因此，可培養(yǎng)學(xué)生共同完成設(shè)備安裝調(diào)試的合作精神以及對自己工作模塊的擔(dān)當(dāng)意識。具體內(nèi)容如圖3所示。

四、綜合項目的開發(fā)與探索

激光加工綜合項目主要涉及激光加工的多個工藝，于是欲設(shè)計一個將激光切割、激光打標(biāo)、激光焊接等多個工藝融合在一起的綜合項目，以創(chuàng)意鑰匙扣設(shè)計制作為例。

（一）項目內(nèi)容

1. 毛坯材料：厚度約2.5mm的不銹鋼鋼板。

2. 設(shè)計過程：（1）學(xué)生設(shè)計鑰匙扣外形，并建立相應(yīng)模型。（模型設(shè)計風(fēng)格不限）（2）在模型的恰當(dāng)位置設(shè)計自己想要的圖案或文字。（3）將各部件聯(lián)接組合起來。

3. 制作過程：（1）將學(xué)生分成若干組，每組3人。（2）發(fā)放毛坯，組員充分討論并分工，可參數(shù)設(shè)置技巧進(jìn)行討論，創(chuàng)意設(shè)計金點子碰撞等。（3）選擇合適的激光切割機(jī)并相互合作切割出預(yù)期形狀，相互協(xié)作，并努力解決實際操作過程出現(xiàn)的各種問題。（4）采用激光焊接機(jī)將各個部件焊接在一起。（5）熟練并安全地使用打標(biāo)機(jī)和內(nèi)雕機(jī)進(jìn)行圖案創(chuàng)新制作。

4. 成績評定及總結(jié)：成績根據(jù)學(xué)生的設(shè)計圖紙，加工程序以及作品的表面質(zhì)量、尺寸精度等方面來綜合評定。其中，對教學(xué)過程的觀察和監(jiān)督也是成績評定的主要部分。最后通過痕跡管理將課堂中學(xué)生的整體表現(xiàn)、作品的制作進(jìn)度、作品完成情況進(jìn)行總結(jié)分析

（二）加工工藝

該項目使用的機(jī)器較多，設(shè)計制作過程思路清晰且操作強(qiáng)度適中，但是一個產(chǎn)品的最終效果跟嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的工藝操作密不可分。

光纖激光切割機(jī)在本項目中被用來切割不銹鋼板，一般使用氮氣來吹渣，其切割效果較佳。而激光焊接機(jī)用于創(chuàng)意鑰匙扣的焊接。除了上述激光切割、激光焊接等工藝，鑰匙扣的表面則是由學(xué)生運用激光打標(biāo)來設(shè)計不同個性的圖案[7，8]。

（三）課程預(yù)期效果

學(xué)生根據(jù)自己需求設(shè)計鑰匙扣圖紙和編寫加工程序，凸顯各自的創(chuàng)造性，避免雷同。本項目包涵的工藝較多，為學(xué)生能夠深入學(xué)習(xí)激光加工技術(shù)提供了機(jī)會。學(xué)生完成了圖紙設(shè)計、程序編寫和工藝參數(shù)，老師通過對作品的檢測，讓學(xué)生體驗產(chǎn)品設(shè)計制造的生產(chǎn)過程，提高了學(xué)生的積極性。對培養(yǎng)高素質(zhì)、強(qiáng)能力、應(yīng)用型人才具有重要意義。

綜合項目具有典型、系統(tǒng)、先進(jìn)性的特點，其優(yōu)化設(shè)計和有序開展將直接促進(jìn)大學(xué)生專業(yè)人才的培養(yǎng)質(zhì)量的提高。如圖4展示了激光綜合項目開發(fā)概況。

五、結(jié)束語

考慮到激光加工屬于制造業(yè)中不可或缺的組成部分，綜合分析了目前激光加工課程存在的問題，在原有的任務(wù)式教學(xué)的基礎(chǔ)上植入了引導(dǎo)式、頭腦風(fēng)暴、案例教學(xué)等教學(xué)方法，通過針對性溝通、創(chuàng)造性啟發(fā)，大大提高了激光加工教學(xué)環(huán)境、教學(xué)內(nèi)容的靈活度，滿足了學(xué)生對該課程的基本教學(xué)要求，同時調(diào)動了學(xué)生實訓(xùn)的積極性、主動性、創(chuàng)造性，激發(fā)了學(xué)生的工程意識和創(chuàng)新意識。在激光加工基礎(chǔ)課程之上進(jìn)行的綜合項目的開發(fā)，更是對激光加工課程的一個強(qiáng)化和升華，使學(xué)生更快速、系統(tǒng)地掌握激光加工的理論知識和操作技能，還鍛煉了學(xué)生的分工合作和項目管理的團(tuán)隊精神，對高校學(xué)生工程素質(zhì)的培養(yǎng)質(zhì)量有著較為積極且重要的作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳卓平，王松嬋，楊連生.高校工程訓(xùn)練創(chuàng)新發(fā)展探析[J].實驗技術(shù)與管理，2014，31（10）：51-54.

[2]胡青春，陳松茂，莫海軍.機(jī)械制造工程訓(xùn)練創(chuàng)新設(shè)計與制作教程[M].廣州：華南理工大學(xué)出版社，2013.

[3]朱建軍，安小雪，徐新成，等.產(chǎn)品創(chuàng)意實訓(xùn)室建設(shè)探索[J].實驗室研究與探索，2015，34（2）：114-116.

[4]唐霞輝.激光加工技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].金屬加工（熱加工），2015（4）：16-19.

[5]馮巧波，尹鐵路，沈坤全，等.激光加工在工程實訓(xùn)中的應(yīng)用[J].實驗室研究與探索，2015，34（4）：206-208.

[6]馮巧波.激光加工在工程實訓(xùn)中的應(yīng)用[J].實驗室研究與探索，2015，34（4）.

[7]吳春婷，高蘭蘭，陳薪羽.產(chǎn)學(xué)研模式下《激光原理》課程教學(xué)改革研究[J].吉林廣播電視大學(xué)學(xué)報，2016（1）：72-73.

[8]何船，周知進(jìn).項目教學(xué)法在特種加工課程改革中的應(yīng)用[J].中國教育技術(shù)裝備，2017（14）：109-111.