淺談激光雕刻機在通用技術(shù)學(xué)科教學(xué)中的應(yīng)用

文/戴建浜

引 言

近年來，計算機技術(shù)的高速發(fā)展以及大型設(shè)備的小型化，使原本一些只能在大學(xué)和職業(yè)教育中使用的高端大型數(shù)字化加工設(shè)備，如激光雕刻機和三維打印機等，逐漸開始在中小學(xué)教學(xué)中得以推廣和應(yīng)用。在通用技術(shù)學(xué)科領(lǐng)域，學(xué)生要能夠運用數(shù)字化的加工設(shè)備制作簡單產(chǎn)品的模型或原型[1]，廣東版、地質(zhì)版和蘇教版新一版的通用技術(shù)教材也都涵蓋了激光雕刻切割機的內(nèi)容，激光雕刻機在通用技術(shù)學(xué)科教學(xué)中的應(yīng)用與推廣勢在必行。

激光雕刻機是采用激光雕刻技術(shù)實現(xiàn)對材料進行雕刻或切割的一種先進設(shè)備，其技術(shù)原理是利用高功率密度的聚焦激光光束作用在材料表面或內(nèi)部，使材料氣化或發(fā)生其他物理變化，通過控制激光能量、光斑大小、運動軌跡和速度等參量可以使材料呈現(xiàn)出要求的圖形圖案[2]。激光雕刻機常見光源主要有CO2光源、光纖光源、紫光光源、綠光光源、二極管光源等，目前國內(nèi)教學(xué)激光雕刻機一般以CO2非金屬玻璃激光管居多，主要適合雕刻的材質(zhì)有木材、皮革、塑料等非金屬材質(zhì)。

一、激光雕刻機的特點及必要性分析

（一）激光雕刻機的使用范圍廣泛，具有雕刻質(zhì)量好、效率高、工序簡單等諸多優(yōu)點

相對于傳統(tǒng)的手工雕刻方式，激光雕刻也可以將雕刻效果做到很細膩，絲毫不亞于手工雕刻的工藝水平。在通用技術(shù)課堂教學(xué)中應(yīng)用激光雕刻機可以有效降低作品的制作難度，提升模型制作的速度和質(zhì)量，讓學(xué)生產(chǎn)生設(shè)計和制作的欲望，從而獲得更多的創(chuàng)作靈感，促進教學(xué)目標(biāo)的達成。

（二）有利于培養(yǎng)學(xué)生通用技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)

通用技術(shù)學(xué)科的核心素養(yǎng)主要包括技術(shù)意識、工程思維、創(chuàng)新設(shè)計、圖樣表達、物化能力五個方面。這要求學(xué)生經(jīng)歷技術(shù)設(shè)計的全過程，形成一定的方案構(gòu)思、圖樣表達、工藝選擇及物化能力。激光雕刻機的應(yīng)用恰好貫穿這一過程，學(xué)生在使用激光雕刻機進行模型設(shè)計時，先要使用設(shè)計軟件進行創(chuàng)新設(shè)計，再畫出設(shè)計圖形，然后選擇適當(dāng)材料進行雕刻切割，最后生成作品。這一過程不僅可以培養(yǎng)學(xué)生的圖樣表達能力，提高學(xué)生動手操作和解決問題的能力，也有助于提高他們的物化能力。

二、激光雕刻機在通用技術(shù)學(xué)科中的應(yīng)用優(yōu)勢

（一）加深學(xué)生對系統(tǒng)知識的理解

系統(tǒng)是通用技術(shù)學(xué)科中重要的章節(jié)。認識系統(tǒng)可以讓學(xué)生感受到系統(tǒng)科學(xué)的魅力，可以激發(fā)學(xué)生對技術(shù)課的學(xué)習(xí)興趣。而激光雕刻機就是一套極具趣味性的系統(tǒng)，學(xué)生了解激光雕刻機系統(tǒng)的組成，可以加深對系統(tǒng)知識的理解。例如，在講解激光雕刻機的工作原理時，教師可以讓學(xué)生了解CO2激光雕刻機一般采用水冷的方式，冷卻水可以帶走激光管產(chǎn)生的熱量，避免因激光腔內(nèi)積熱而導(dǎo)致管端炸裂，甚至損壞激光電源。如果水冷機停止工作，激光就出不了光。這個例子可以幫助學(xué)生理解系統(tǒng)是由多個子系統(tǒng)組成，當(dāng)一個子系統(tǒng)不能工作時，會影響到其他子系統(tǒng)或者整個系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)。

（二）促進學(xué)生對加工工藝的理解

激光雕刻機一般都配有鼓風(fēng)機或空氣壓縮機進行吹氣，吹氣口就在激光頭的旁邊，主要作用是防止切割時煙塵污染聚焦鏡片，改善切割或雕刻時的產(chǎn)品加工效果。在加工木材時吹氣還可以防止木料燃燒，但在加工亞克力板時，氣體反而會影響切割邊緣效果，這時要關(guān)小或關(guān)掉出氣口。

（三）促進學(xué)生對材料的認識

在通用技術(shù)學(xué)科中有“材料與制造工藝”這部分內(nèi)容，但在教學(xué)中教師往往難以用語言文字詳盡描述材料的分類和性能。引入激光雕刻機后，教師可以帶領(lǐng)學(xué)生在操作雕刻機時反復(fù)實驗、對比，認識不同材料加工時的不同變化，促進學(xué)生主動探索與理解材料、工藝與設(shè)計之間的關(guān)系。激光雕刻機適用于木材、亞克力板、發(fā)泡板、厚紙板、玻璃、皮革、無紡布、大理石等多種常用的材料上，這些材料價格便宜，比較適合進行模型的設(shè)計制作。在使用不同的材料雕刻時，機器的參數(shù)設(shè)置也會有所區(qū)別。例如，肌理十分豐富的木材表面，不適合雕刻線條太細致的圖案、標(biāo)志等設(shè)計作品，因為粗糙的木紋會掩蓋設(shè)計作品的細節(jié)，效果不佳。在這種情況下，改用塑膠、金屬薄板等材料來雕刻方可表現(xiàn)出較好的視覺效果。常見的雕刻材料有以下幾種。

1.木板

木板是由木材制成的一種天然材料，與其他材料相比具有自然、無毒、紋路清晰等特性。木材有松木、樺木、椴木、櫸木、楓木、紫檀木、樟木等，在眾多種類的木材中，用椴木來制作工藝品或裝飾材料的較多。椴木是一種上等木材，屬于軟木，質(zhì)地比較輕，具有獨特的油脂，且椴木耐磨耐腐蝕，不易開裂，加之椴木本身也易加工，是激光雕刻機首選的雕刻材料[3]。

2.亞克力板

亞克力板又稱特殊處理的有機玻璃，是有機玻璃換代產(chǎn)品。用亞克力制作的燈箱具有透光性能好、顏色純正、色彩豐富、美觀平整使用壽命長等特點，但使用亞克力板進行雕刻時，會生成一股很難聞的氣體，氣體中包含了甲烷、塑化劑，還有少量的聚氯乙等，這些氣體對身體是有害的，使用時建議安裝抽氣系統(tǒng)及時將煙霧抽出。

3.竹片

竹片由竹子加工而成，堅韌，耐用，易加工。竹片作為古代的書寫載體，更是承載了中國文化的古文明。我國是世界上竹子資源最為豐富的國家。竹子以其環(huán)保、清潔與可再生的特性，盡顯材料優(yōu)勢。據(jù)史料記載，我國自六朝始就有了“竹刻”。竹刻又稱竹雕，是在竹制的器物上雕刻多種裝飾圖案和文字，或用竹根雕刻成各種陳設(shè)擺件。在通用技術(shù)課堂上，采用激光雕刻技術(shù)對竹片進行加工，可以使傳統(tǒng)文化得到有效的傳承。

4.無紡布

無紡布由定向的或隨機的纖維構(gòu)成，是新一代環(huán)保材料，具有防潮、透氣、柔韌、質(zhì)輕、不助燃、容易分解、無毒無刺激性、色彩豐富、價格低廉、可循環(huán)再用等特點。由于激光具有高亮度、高方向性、高單色性和高相干性四大特性，因此，激光切割無紡布具有其他加工方法所不具備的特性。由于它是無接觸加工，對無紡布材料無直接沖擊，因此，無機械變形；激光切割無紡布的過程中，無“刀具”磨損，無“切削力”作用于材料；在激光切割無紡布的過程中，激光能量密度高，加工速度快，并且是局部加工，對非激光切割部位沒有影響或影響極小。

5.皮革

皮革是經(jīng)脫毛和鞣制等物理、化學(xué)加工所得到的已經(jīng)變性不易腐爛的動物皮。皮革行業(yè)使用激光雕刻機打破了傳統(tǒng)手工和電剪速度慢、難以排版、效率低及材料浪費現(xiàn)象嚴重的難題。速度快、操作簡單的特點為皮革行業(yè)的發(fā)展帶來了非常大的效益。只需把所要裁剪的圖形及尺寸輸入電腦，激光雕刻機就會根據(jù)你電腦上的數(shù)據(jù)把整張的材料裁剪成你所需要的成品。

在使用激光雕刻機雕刻不同材料時，應(yīng)根據(jù)材料的不同特性，調(diào)整速度、功率、雕刻步距等參數(shù)，這樣才能雕刻出較好的作品。以下是各種材料的雕刻參數(shù)對比表，以常見的功率為60W 的激光雕刻機為例。

材料雕刻步距速度功率雕刻深度亞克力0.06mm 400mm/s 20%～30%0.5mm木板0.05mm 400mm/s 10%～20%0.1mm竹片0.05mm 400mm/s 20%～30%0.1mm皮革0.1mm 400mm/s 15%～25%0.2mm無紡布0.05mm 400mm/s 10%～20%0.1mm

三、激光雕刻機在學(xué)科教學(xué)中的策略

通用技術(shù)是以設(shè)計學(xué)習(xí)、操作學(xué)習(xí)為主要特征的基礎(chǔ)教育課程，教學(xué)過程建議立足學(xué)生的直接經(jīng)驗和親身經(jīng)歷，讓學(xué)生在“做中學(xué)”和“學(xué)中做”，要充分利用激光雕刻機這一現(xiàn)代化工具，把枯燥的理論學(xué)習(xí)融入課程設(shè)計中，讓學(xué)生在動手設(shè)計、制作的學(xué)習(xí)活動中歸納總結(jié)獲得知識。

（一）以“項目”促應(yīng)用

項目式學(xué)習(xí)（PBL）由美國神經(jīng)病學(xué)教授Barrows首創(chuàng)。PBL 注重學(xué)習(xí)者的實踐和參與，側(cè)重體現(xiàn)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)主體地位，培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的問題解決能力。同時，該理論認為學(xué)習(xí)的過程應(yīng)以問題為主線，并融合多種學(xué)習(xí)方式，以多元化教學(xué)方式達成教學(xué)效果[4]。在通用技術(shù)課堂上，教師通過設(shè)計一個個與學(xué)生真實生活情景接軌的技術(shù)實踐“項目”，讓學(xué)生參與設(shè)計開發(fā)，可以創(chuàng)新通用技術(shù)課堂教學(xué)的設(shè)計，提高通用技術(shù)實踐活動的質(zhì)量，從而推動技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)在課程教學(xué)中的落實。例如，在“書簽的制作”項目中，教師以生活中最常見的物品為例，讓學(xué)生通過尋找合適的圖片和文字，經(jīng)圖像處理后，雕刻在木板上。這樣制作的書簽既美觀又實用。又如，在“木質(zhì)故事書制作”的項目中，教師讓學(xué)生以一個人成長過程中幾個重要階段發(fā)生的故事為設(shè)計背景，研究融合書籍藝術(shù)加工的新型展現(xiàn)形式，作品制作過程貫穿通用技術(shù)必修2 中結(jié)構(gòu)、流程等多個章節(jié)的內(nèi)容。

（二）以“比賽”促應(yīng)用

在課堂上通過“比賽”來促進教學(xué)目標(biāo)的達成，也是一種常見的教學(xué)策略。這種方式一般以小組的形式開展，可以促進學(xué)生之間相互合作，培養(yǎng)團隊精神。不同的是，通用技術(shù)一般要用幾節(jié)課才能完成一個比賽任務(wù)。例如，以“校園創(chuàng)意門牌”為主題，教師可以要求學(xué)生以激光雕刻技術(shù)通過三節(jié)課創(chuàng)作相關(guān)作品。門牌是生活中最常見的物品，可以是班牌或功能教室的門牌，一個富有個性的門牌可以彰顯學(xué)?；虬嗉壍奶厣w現(xiàn)一個場所的內(nèi)涵品位與理念。學(xué)生通過小組討論、制作、作品解說、評選投票等環(huán)節(jié)，最后制作出多個精美、富有創(chuàng)意的作品。又如，教師可以組織開展生活家居用品類（如燈具燈飾、裝飾品、家用小電器等）、文化創(chuàng)意類（如文創(chuàng)產(chǎn)品、節(jié)假日傳統(tǒng)特色、景區(qū)名人紀(jì)念品、藝術(shù)品等）、智能交通工具類（如智能小車、坦克、飛機等）及機械結(jié)構(gòu)類（如機械蜂鳥、傳動機構(gòu)、機械動物等）作品的制作比賽，鍛煉和提升學(xué)生的設(shè)計能力，培養(yǎng)其批判性思維，使其學(xué)會分工合作，從而讓通用技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)在每個學(xué)生身上都獲得預(yù)期的發(fā)展。

（三）以“軟件”促應(yīng)用

激光雕刻機自身配有相關(guān)操作軟件，如LaserMaker、LaserCAD 等，這些軟件界面控制比較簡單、容易上手。其中，LaserMaker 自帶素材庫，可以直接拖拉生成盒子、投石車、木質(zhì)相框等物品，讓學(xué)生可以輕松完成從平面作品到立體作品甚至機械作品的升級，大大提高作品制作速度。但僅僅學(xué)會機器自帶的操作軟件還不夠，在通用技術(shù)課堂教學(xué)中應(yīng)適當(dāng)介紹一些專業(yè)的設(shè)計軟件的簡單應(yīng)用，如AutoCAD、CorelDRAW、SketchUp、3DOne Cut 等軟件。這些軟件設(shè)計的圖形可以轉(zhuǎn)換為激光雕刻機可以識別的dxf 格式文件，導(dǎo)入激光雕刻機配套的軟件中，進行再設(shè)置，最終生成作品。如在AutoCAD 中，教師可以讓學(xué)生學(xué)習(xí)機械零件的加工與設(shè)計，使其掌握AutoCAD 畫線、標(biāo)注尺寸等簡單的操作方法，雕刻生成零件。又如，在3DOne Cut 軟件中教師可以讓學(xué)生通過拉伸、抽殼、切口、投影等操作，設(shè)計生成筆盒、風(fēng)車等形式多樣的作品。通過學(xué)習(xí)應(yīng)用這些軟件，學(xué)生可以掌握設(shè)計的一般方法，提高學(xué)科技術(shù)素養(yǎng)。

結(jié) 語

在素質(zhì)教育大背景下，激光雕刻機在通用技術(shù)學(xué)科中的應(yīng)用必將越來越廣泛。學(xué)校應(yīng)配好激光雕刻機，而通用技術(shù)教師要熟練掌握雕刻機的使用和日常維護方法，引導(dǎo)學(xué)生正確使用雕刻機，并創(chuàng)設(shè)安全而又充滿樂趣的教學(xué)情境，激發(fā)學(xué)生對設(shè)計、制作的期許，讓學(xué)生獲得啟示及成就感。