基于激光加工實(shí)踐的進(jìn)階式課程體系建設(shè)探索

何嵐嵐, 張海光, 胡慶夕

(1. 上海大學(xué) 機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院, 上海 200444； 2. 上海大學(xué) 工程訓(xùn)練國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心, 上海 200444)

近年來(lái),特種加工技術(shù)廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、航空航天領(lǐng)域,在工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮了日益重要的作用,特種加工是相對(duì)于傳統(tǒng)切削加工而言的,一般是對(duì)利用光能、聲能、電能或電化學(xué)能等能量形式對(duì)工件加工的各種方法總稱(chēng)[1]。無(wú)論是在歐美，還是俄羅斯,不管是CDIO(conceive-design-implement-operate)，還是PBL(problem/project-based learning)的工程教育模式,其目標(biāo)都是以滿足和適應(yīng)社會(huì)需求,培養(yǎng)具有解決現(xiàn)實(shí)工程問(wèn)題能力的實(shí)用型人才為準(zhǔn)[2-4],這對(duì)傳統(tǒng)的機(jī)械工程訓(xùn)練,例如金工實(shí)習(xí)提出了更高的要求,不僅需要從師資、教學(xué)方法等方面進(jìn)行改革,也要更新實(shí)習(xí)設(shè)備、改革實(shí)習(xí)內(nèi)容,從而跟上時(shí)代的腳步,使學(xué)生接觸現(xiàn)代先進(jìn)制造技術(shù),實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代工程實(shí)踐教育。因此現(xiàn)在很多高校都將具有一定的先進(jìn)性和典型性的新技術(shù)(如特種加工)、新設(shè)備、新工藝充實(shí)到工程教育課程中[5-7]。

由于激光具有單色性好、發(fā)散角小、能量高度集中等特性,激光加工具備其他加工方法無(wú)法比擬的特性,如對(duì)工件無(wú)直接沖擊、無(wú)機(jī)械變形、無(wú)“刀具”磨損，且效率高、質(zhì)量好、成本低等,因此逐漸成為現(xiàn)代加工技術(shù)的核心技術(shù)之一,并廣泛應(yīng)用于工業(yè)和人們的日常生活中,如礦泉水瓶上的生產(chǎn)日期是激光打標(biāo)，手機(jī)和計(jì)算機(jī)鍵盤(pán)上的字是激光雕刻，還有轎車(chē)底板的激光焊接、車(chē)身覆蓋件的激光切割等[8-9]。一些高職院校對(duì)于新技術(shù)新技能的覺(jué)察力較高,開(kāi)設(shè)了相應(yīng)的實(shí)踐課程,學(xué)生能達(dá)到企業(yè)要求的實(shí)際操作能力,但其基礎(chǔ)理論知識(shí)比較缺乏[10-11],而近些年在本科院校形成的激光加工實(shí)訓(xùn)課程一般只是對(duì)某一種激光加工技術(shù)的工程實(shí)踐訓(xùn)練或是單一課程的建設(shè)與探索,還未建立整體的激光加工技術(shù)課程體系。我校工程技術(shù)訓(xùn)練中心(簡(jiǎn)稱(chēng)中心)作為本科國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，必須適應(yīng)新形勢(shì)的發(fā)展,本著教學(xué)內(nèi)容與當(dāng)代工業(yè)主流技術(shù)相銜接的宗旨,增加了激光加工技術(shù)的教學(xué),使實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容與時(shí)俱進(jìn),對(duì)激光加工技術(shù)的實(shí)踐課程體系進(jìn)行了探索與建設(shè),初步取得了成效。

1 課程體系構(gòu)建

1.1 構(gòu)建基礎(chǔ)

中心于2010年開(kāi)始籌建激光加工實(shí)驗(yàn)室,經(jīng)過(guò)近幾年的建設(shè),已經(jīng)具備了堅(jiān)實(shí)的硬件基礎(chǔ)：實(shí)驗(yàn)室占地面積80 m2,擁有15臺(tái)計(jì)算機(jī)、1臺(tái)上海激光技術(shù)研究所的LCE-C6激光切割機(jī)、1臺(tái)深圳大族的分體式CO2-H120激光打標(biāo)機(jī)、2臺(tái)深圳大族的SUPER JET激光內(nèi)雕機(jī)、1臺(tái)北京開(kāi)天科技有限公司的S25激光印章雕刻機(jī),具備激光切割、激光打標(biāo)及激光雕刻等現(xiàn)代常用激光加工技術(shù)。

所有設(shè)備對(duì)應(yīng)的激光技術(shù)如下：LCE-C6激光切割機(jī)采用常用的熔化切割方式,具有切割質(zhì)量好、精度高、效率高、可切割復(fù)雜形狀等優(yōu)點(diǎn)；CO2-H120激光打標(biāo)機(jī)采用CO2激光器,可打印木材、亞克力等非金屬和部分金屬材料,具有操作簡(jiǎn)單,易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化,能標(biāo)記條形碼、數(shù)字、字符、圖像等復(fù)雜標(biāo)志；SUPER JET激光內(nèi)雕機(jī)屬于激光雕刻技術(shù)的內(nèi)部雕刻,可在水晶、玻璃內(nèi)部雕刻平面和立體圖案；而S25激光印章雕刻機(jī)屬于外部雕刻,一般在橡膠、ABS等材料表面雕刻圖案,具有雕刻范圍廣、雕刻速度快、激光雕刻工序簡(jiǎn)單快捷等特點(diǎn)。未來(lái)中心還計(jì)劃引進(jìn)更先進(jìn)的激光內(nèi)雕設(shè)備和切割機(jī)、激光焊接機(jī),在硬件設(shè)施上既保持激光加工技術(shù)的先進(jìn)性,又能增加常用激光加工技術(shù)的種類(lèi),以順應(yīng)時(shí)代發(fā)展。

在軟件建設(shè)方面,實(shí)驗(yàn)室擁有一支由碩士實(shí)驗(yàn)師、高級(jí)技術(shù)人員等組成的優(yōu)秀師資團(tuán)隊(duì),該團(tuán)隊(duì)技術(shù)精湛、結(jié)構(gòu)安排合理、富有責(zé)任心,并且定期參加培訓(xùn),不斷承接企事業(yè)激光加工業(yè)務(wù),因此激光加工實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)越來(lái)越豐富,理論基礎(chǔ)知識(shí)越來(lái)越扎實(shí)。

綜上所述,激光加工實(shí)驗(yàn)室擁有眾多質(zhì)量上乘、性能穩(wěn)定的激光加工設(shè)備及一支素質(zhì)高、專(zhuān)業(yè)技能強(qiáng)和勇于創(chuàng)新的實(shí)驗(yàn)技術(shù)隊(duì)伍,為激光加工技術(shù)的實(shí)踐課程體系構(gòu)建提供了堅(jiān)實(shí)的硬件和軟件基礎(chǔ)。

1.2 實(shí)踐課程體系架構(gòu)

基于上述條件,中心構(gòu)建了多層次、模塊化的激光加工技術(shù)實(shí)踐課程體系,如圖1所示。

圖1 激光加工實(shí)踐課程體系

該課程體系可根據(jù)需要由不同激光加工技術(shù)搭建構(gòu)成不同層次的課程,包括基礎(chǔ)型實(shí)踐課程模塊、綜合型實(shí)踐課程模塊、拓展型實(shí)踐課程模塊和研究創(chuàng)新型實(shí)踐課程模塊,針對(duì)不同專(zhuān)業(yè)、不同年級(jí)的學(xué)生開(kāi)展實(shí)踐教學(xué),使不同類(lèi)型的學(xué)生得到需要的實(shí)踐訓(xùn)練,做到因人施教,從而有針對(duì)、有目的地培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力、設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新能力。

2 實(shí)踐課程體系的4大課程模塊

2.1 教學(xué)對(duì)象和教學(xué)目的

各個(gè)課程模塊的教學(xué)對(duì)象和教學(xué)目的有所不同?；A(chǔ)型實(shí)踐課程是面向全校所有專(zhuān)業(yè)的一、二年級(jí)學(xué)生,主要目的是訓(xùn)練學(xué)生的工程素養(yǎng),培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)新知識(shí)的主動(dòng)性及創(chuàng)作欲望,及對(duì)先進(jìn)機(jī)械制造技術(shù)及工藝知識(shí)的感性認(rèn)知。綜合實(shí)踐模塊面向機(jī)械類(lèi)和近機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)的一、二年級(jí)學(xué)生,這部分學(xué)生的工程實(shí)踐訓(xùn)練要求較高,設(shè)置該課程模塊的目的是提高學(xué)生的動(dòng)手能力,激發(fā)其對(duì)專(zhuān)業(yè)課程學(xué)習(xí)的興趣,進(jìn)一步強(qiáng)化工程實(shí)踐訓(xùn)練,逐步提高學(xué)生的綜合素養(yǎng)。拓展型實(shí)踐課程模塊主要針對(duì)高年級(jí)學(xué)生,是根據(jù)學(xué)生不同的需求而設(shè)定的,學(xué)生可以自主選題,也可以帶著項(xiàng)目進(jìn)入課堂,其目的是充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性,鍛煉學(xué)生獨(dú)立思考問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力,掌握現(xiàn)代機(jī)械制造技術(shù)并不斷創(chuàng)新。研究創(chuàng)新型實(shí)踐課程模塊也是面向高年級(jí)學(xué)生,主要是以創(chuàng)新為核心,學(xué)生在教師的指導(dǎo)下, 以類(lèi)似科學(xué)研究的方式去獲取知識(shí)、應(yīng)用知識(shí)、解決問(wèn)題,其目的是全面提高學(xué)生自身能力和素養(yǎng),使之更適應(yīng)于未來(lái)社會(huì)發(fā)展的需要。

2.2 教學(xué)內(nèi)容

2.2.1 基礎(chǔ)型實(shí)踐課程

基礎(chǔ)實(shí)踐課程主要包括激光內(nèi)雕項(xiàng)目、激光打標(biāo)項(xiàng)目、激光刻章項(xiàng)目和激光切割項(xiàng)目,每個(gè)項(xiàng)目設(shè)置2個(gè)學(xué)時(shí),可接納8～10人的一個(gè)小組,各個(gè)項(xiàng)目可以根據(jù)課程時(shí)間,自由組合,非常靈活,其目的在于了解某種激光加工設(shè)備及其操作方法和應(yīng)用范圍等。教學(xué)內(nèi)容為教師示范激光加工設(shè)備的操作步驟,并進(jìn)行加工演示,如果時(shí)間允許,學(xué)生可采用相應(yīng)的激光加工技術(shù)加工喜歡的作品?；A(chǔ)型實(shí)踐課程主要包括“金工實(shí)習(xí)”及全校學(xué)生的通識(shí)課“工程體驗(yàn)與感知”等,圖2為一學(xué)生的激光打標(biāo)作品。

圖2 學(xué)生激光打標(biāo)作品

2.2.2 綜合型實(shí)踐課程

綜合型實(shí)踐課程是在基礎(chǔ)型實(shí)踐課程的基礎(chǔ)上，結(jié)合其他的機(jī)械加工項(xiàng)目完成某一項(xiàng)目。該部分課程對(duì)學(xué)生要求進(jìn)一步提高,除了能夠完成相關(guān)的功能設(shè)計(jì)，還需要考慮加工工藝的可行性。針對(duì)機(jī)械類(lèi)和近機(jī)械類(lèi)的“金工實(shí)習(xí)”課程,設(shè)置綜合實(shí)踐課程模塊,例如包含激光切割與焊接技術(shù)的不銹鋼盒子制作和包含數(shù)控車(chē)、數(shù)控銑以及激光打標(biāo)技術(shù)的手柄閥零件制作等。不銹鋼盒子制作過(guò)程中,學(xué)生可以設(shè)計(jì)不同形狀的盒子。對(duì)于給定的同樣規(guī)格的方形不銹鋼板，采用激光切割,然后折彎,最后再用焊接技術(shù)將接縫處焊好。評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)為在一定時(shí)間內(nèi)漏水量越少越好。如圖3所示的手柄閥零件,學(xué)生通過(guò)數(shù)控車(chē)和數(shù)控銑操作制作部分手柄零件,然后采用激光打標(biāo)技術(shù)在零件上制作接通(ON)和關(guān)閉(EX)的標(biāo)識(shí),與實(shí)際生產(chǎn)零件過(guò)程相同,學(xué)生體驗(yàn)了真實(shí)的生產(chǎn)加工過(guò)程,與社會(huì)接軌。此外綜合型實(shí)踐課程模塊還包含機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院的卓越工程師班的“機(jī)械制造基礎(chǔ)”課程,此時(shí)學(xué)生會(huì)自帶小項(xiàng)目,需要用到激光加工技術(shù),教師配合學(xué)生,完成項(xiàng)目。

2.2.3 拓展型實(shí)踐課程

拓展型實(shí)踐課程模塊的目的在于個(gè)性化定制,課程內(nèi)容不固定、不指定,是完全針對(duì)學(xué)生自帶項(xiàng)目或是自身的需求而設(shè)計(jì)的模塊,如大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目、大學(xué)生工程能力比賽等,其中某些零件可通過(guò)激光加工技術(shù)完成。圖4是機(jī)自學(xué)院的省大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目——“機(jī)械魚(yú)”的零件,采用激光切割2 mm厚的亞克力完成。此時(shí),教師傳授理論知識(shí)、設(shè)備操作流程等,學(xué)生熟悉后,自行完成零件的加工,全程發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性,教師起引導(dǎo)作用。拓展型實(shí)踐課程還設(shè)置選修課,每當(dāng)學(xué)校開(kāi)展大型活動(dòng)如“科技節(jié)”“畢業(yè)季”時(shí),一些學(xué)生,特別是藝術(shù)設(shè)計(jì)類(lèi)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生想自行創(chuàng)作作品參展或是設(shè)計(jì)送給師生的禮品等,就會(huì)選修該課程,利用選修課程時(shí)間制作自己的原創(chuàng)作品。一般課程設(shè)置為每周2課時(shí),針對(duì)全校學(xué)生開(kāi)放。

圖3 手柄閥激光打標(biāo)

圖4 激光切割零件

2.2.4 研究創(chuàng)新型實(shí)踐課程

研究創(chuàng)新型實(shí)踐模塊講究對(duì)創(chuàng)新思維和創(chuàng)新技法的學(xué)習(xí),不僅要知其然，還要知其所以然,因此從激光加工設(shè)備構(gòu)成、加工原理,控制系統(tǒng)、圖像處理系統(tǒng)等都需要了解得明白透徹,從而找到創(chuàng)新點(diǎn),設(shè)計(jì)創(chuàng)意模型,轉(zhuǎn)化為自己的研究課題,并予以完成。目前研究創(chuàng)新型實(shí)踐課程模塊只針對(duì)本科“畢業(yè)設(shè)計(jì)”課程,成熟的有以激光內(nèi)雕機(jī)為媒介展開(kāi)一系列畢業(yè)設(shè)計(jì)選題。如圖5所示,一臺(tái)典型的激光內(nèi)雕機(jī)主要由4部分組成。激光器及其相關(guān)設(shè)備,包括激光器、激光器電源、水冷系統(tǒng)、光路系統(tǒng),由此可引發(fā)學(xué)生關(guān)注激光器種類(lèi)、工作頻率、工作方式、光路組成方式等對(duì)內(nèi)雕效果的影響,從而產(chǎn)生研究課題,如激光器種類(lèi)對(duì)內(nèi)雕效果的對(duì)比研究。雕刻控制系統(tǒng)是按照雕刻物體的尺寸大小、雕刻點(diǎn)距離及其他工藝要求,將圖形或三維圖像雕刻在水晶玻璃內(nèi)的控制實(shí)現(xiàn)。圖形處理系統(tǒng)實(shí)際上是針對(duì)激光內(nèi)雕機(jī)的專(zhuān)用圖形處理軟件,通過(guò)不同的數(shù)據(jù)處理方式獲取三維內(nèi)雕數(shù)據(jù)。工件臺(tái)是擺放玻璃工件的平臺(tái),一般采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng),雕刻過(guò)程中可按照一定的要求移動(dòng)。這4個(gè)組成部分均可衍生出一系列課題,從而提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，例如衍生出的畢業(yè)設(shè)計(jì)課題——面向激光內(nèi)雕的三維數(shù)據(jù)處理方法對(duì)比研究。圖6分別通過(guò)CAD軟件建模設(shè)計(jì)飛機(jī)模型和三維掃描儀獲取狗的三維模型,左邊為通過(guò)內(nèi)雕機(jī)自帶的軟件處理后加工獲得的作品,右邊為使用學(xué)生改進(jìn)后的圖像處理方式后加工出來(lái)的作品。對(duì)比發(fā)現(xiàn)采用改進(jìn)后的方法得到的內(nèi)雕作品,在文字、眼睛等細(xì)節(jié)圖案上更清晰,質(zhì)量更上乘。

圖5 激光內(nèi)雕機(jī)組成部分及衍生的課題

圖6 學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)作品

多層次、模塊化的激光加工技術(shù)實(shí)踐課程體系,幾乎涵蓋了從基礎(chǔ)到高級(jí)的研究創(chuàng)新知識(shí)結(jié)構(gòu),上課對(duì)象可針對(duì)大一到大四各年級(jí)、各專(zhuān)業(yè)的本科生,既豐富了基礎(chǔ)工程實(shí)踐課程內(nèi)容,又為不同專(zhuān)業(yè)、不同基礎(chǔ)、不同需求的學(xué)生提供了更廣闊的自我選擇機(jī)會(huì)。

2.3 成效

經(jīng)過(guò)初步探索研究,多層次多模塊的激光加工技術(shù)實(shí)踐課程已初見(jiàn)成效。

(1) 通過(guò)基礎(chǔ)實(shí)踐課程的訓(xùn)練,學(xué)生能掌握激光切割、打標(biāo)和內(nèi)雕技術(shù)的基本操作方法,理解激光加工的原理,并能激發(fā)學(xué)生的興趣。除了完成課堂作業(yè)外,一些學(xué)生會(huì)主動(dòng)去創(chuàng)作原創(chuàng)作品,激發(fā)了學(xué)生的個(gè)性化思維,是某些傳統(tǒng)機(jī)加工實(shí)踐項(xiàng)目所無(wú)法達(dá)到的。

(2) 基礎(chǔ)實(shí)踐課程增加了激光加工技術(shù)在學(xué)生中的認(rèn)知度,很多大學(xué)生在其創(chuàng)新項(xiàng)目過(guò)程中會(huì)想到用激光加工來(lái)解決問(wèn)題,例如異型零件的制作加工等,另外一些學(xué)有余力的學(xué)生,自己設(shè)計(jì)相關(guān)的作品,采用激光加工完成自己的作品,大大激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)作思維,完成個(gè)性化定制。在綜合型和拓展型實(shí)踐課程中,學(xué)生在分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的工程應(yīng)用能力上得到了更多的訓(xùn)練,如學(xué)生運(yùn)用多種軟件進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)的能力,如3ds Max、Catia、AutoCAD、Photoshop等軟件,更提高了他們的創(chuàng)新能力和實(shí)踐動(dòng)手能力。

(3) 通過(guò)激光加工技術(shù)的本科畢業(yè)設(shè)計(jì),學(xué)生對(duì)激光加工原理、激光設(shè)備的加工過(guò)程都有了深入了解,通過(guò)學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)激光內(nèi)雕機(jī)布點(diǎn)軟件、雕刻軟件修正圖形參數(shù)的方法,掌握了激光內(nèi)雕機(jī)工作原理和雕刻工藝參數(shù)設(shè)置的基本方法。學(xué)生參與了從產(chǎn)品設(shè)計(jì)到制作的全過(guò)程,綜合全面地培養(yǎng)了學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力,為以后走上工作崗位奠定了扎實(shí)的基礎(chǔ)。至今,相關(guān)畢業(yè)設(shè)計(jì)課題已經(jīng)培養(yǎng)了3名畢業(yè)生,成績(jī)?yōu)榱己谩?/p>

3 結(jié)語(yǔ)

本科工程教育強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)工藝知識(shí)、強(qiáng)化工程實(shí)踐訓(xùn)練、培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力,全面提高綜合素質(zhì),而多層次多模塊化的激光加工實(shí)踐課程體系正是以此為宗旨而構(gòu)建的,它一方面使學(xué)生在校期間親自動(dòng)手操作進(jìn)行工程素質(zhì)訓(xùn)練,獲得感性認(rèn)識(shí)和工藝知識(shí),為后續(xù)的學(xué)習(xí)和工作奠定基礎(chǔ),另一方面它拓展了機(jī)械制造領(lǐng)域的視野,用先進(jìn)的知識(shí)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情,極大地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,對(duì)于培養(yǎng)他們的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力具有重要作用。當(dāng)然該課程體系構(gòu)建時(shí)間短,還有很多不足之處需要進(jìn)行改進(jìn)和完善,如項(xiàng)目設(shè)置不夠合理、項(xiàng)目?jī)?nèi)容不夠豐富等,相信通過(guò)不斷探索和改革,經(jīng)過(guò)不斷的實(shí)踐和總結(jié),我中心將建成全面、成熟且具有自身特色的本科工程教育的激光加工實(shí)踐課程體系。