《沖壓工藝及模具設(shè)計》課程改革與創(chuàng)新

馬秉馨，蘇 光，丁 海，馬 倩，李佳怡，王靜宇，李俊杰，3，繆義財

（1.河南工學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453003；2.西北工業(yè)集團，陜西 西安 710005；3.天合光能（宿遷）光電有限公司，江蘇 宿遷 223832）

0 引言

《沖壓工藝及模具設(shè)計》是材料成型及控制工程專業(yè)模具方向的必修課，是培養(yǎng)沖壓行業(yè)應(yīng)用型本科人才的重要環(huán)節(jié)。目前已有教師針對沖壓相關(guān)課程基于OBE 模式進行改革[1]，為培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力探索線上線下混合式教學(xué)模式[2]，采用云班課等新平臺應(yīng)用于課堂教學(xué)[3]，校企合作開發(fā)更符合企業(yè)生產(chǎn)實際的教材，對標(biāo)技能競賽及技能等級證書改革教學(xué)內(nèi)容[4]，開展課程思政教學(xué)[5]，均已取得良好的教學(xué)效果。

近年來制造業(yè)發(fā)展迅猛，工業(yè)加速轉(zhuǎn)型升級，沖壓工藝和模具設(shè)計領(lǐng)域也在不斷發(fā)展和變革。越來越多的企業(yè)在設(shè)計模具時采用全流程無紙化的方式，通過沖壓件的仿真分析確定沖壓工藝，進行模具建模和數(shù)控加工仿真等工作。在生產(chǎn)沖壓件時，采用計算機控制的自動化生產(chǎn)線進行生產(chǎn)。隨著人們物質(zhì)生活水平的不斷提高，對沖壓件的要求不僅僅是滿足使用性能和工藝性能的要求，而是越來越重視沖壓件的審美要求。由此可見對學(xué)生的計算機技能和審美要求日益提高，僅傳授課本知識和傳統(tǒng)的設(shè)計方法已無法滿足現(xiàn)實發(fā)展的需要。因此在教學(xué)過程中，需要更加主動地融入多種學(xué)科及知識領(lǐng)域，以培養(yǎng)學(xué)生的多元思維和創(chuàng)新能力，同時應(yīng)結(jié)合多門課程的內(nèi)容，促進學(xué)生的綜合素養(yǎng)和實際應(yīng)用能力的發(fā)展，為了滿足這樣的要求，創(chuàng)新的教學(xué)模式和教學(xué)方式至關(guān)重要。

1 靈活運用教學(xué)方法夯實基礎(chǔ)知識

教學(xué)過程中將啟發(fā)引導(dǎo)法、問題探究法、分組探究法、分組討論法、任務(wù)驅(qū)動法、項目教學(xué)法等教學(xué)方法，與傳統(tǒng)講授法有機結(jié)合、綜合運用，將“價值塑造、能力培養(yǎng)、知識傳授”三位一體的理念貫穿教學(xué)各環(huán)節(jié)，全方位提高學(xué)生素質(zhì)能力。

（1）啟發(fā)引導(dǎo)法。通過設(shè)問啟發(fā)引導(dǎo)學(xué)生按步驟利用所學(xué)知識去分析和解決問題，同時將思政理念融入專業(yè)教學(xué)中[5]。如在講解拉深工藝計算時，指定拉深件形狀尺寸，逐步引導(dǎo)學(xué)生判斷毛坯形狀，根據(jù)拉深前后體積不變及可能存在的凸耳缺陷，引導(dǎo)學(xué)生確定修邊余量，并計算毛坯尺寸，告訴學(xué)生每次拉深都有成形極限，引導(dǎo)學(xué)生確定拉深次數(shù)，最后確定拉深工序件尺寸。不僅能夠調(diào)動學(xué)生積極思考，提高學(xué)習(xí)主動性，還可以在計算過程中培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)細致的科學(xué)態(tài)度和精益求精的工匠精神。

（2）問題探究法。依據(jù)教學(xué)目標(biāo)和任務(wù)，合理創(chuàng)設(shè)問題情境，讓學(xué)生經(jīng)歷“發(fā)現(xiàn)問題→分析問題→解決問題”的思維過程，培養(yǎng)學(xué)生的問題意識和探究精神。如在講解沖模類型時，為了引出傳遞模，先通過播放單工序模和級進模的生產(chǎn)視頻，讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)單工序模（結(jié)構(gòu)簡單，生產(chǎn)效率低）和級進模（模具復(fù)雜，生產(chǎn)效率高）各自的優(yōu)缺點，隨后提出“能不能既能簡化模具結(jié)構(gòu)，又能保證生產(chǎn)效率”的問題，讓學(xué)生進行探究，逐步引出傳遞模這一模具類型，在揭示答案時讓學(xué)生有豁然開朗的感覺，這能夠充分調(diào)動學(xué)生的創(chuàng)新思維，并從中體會獲得感和成就感。

（3）分組探究法。探究的內(nèi)容相對深入，同時以小組合作的形式進行，多設(shè)于課后進行，通過資料查找、討論研究等學(xué)習(xí)互動，獲得知識技能，互相取長補短、共同學(xué)習(xí)、共同進步。如在學(xué)習(xí)沖壓材料及其性能要求時，讓學(xué)生課后分組查找深海環(huán)境情況和鈦合金力學(xué)性能數(shù)據(jù)，從使用性能要求和沖壓工藝要求考慮，分析為什么選用鈦合金作為蛟龍?zhí)柲蛪号摰牟牧稀?/p>

（4）分組討論法。在教學(xué)過程中引導(dǎo)小組學(xué)生通過討論和思辨追尋問題的本質(zhì)，弄清楚問題根本所在，加深對知識點的理解；同時通過討論，小組成員互幫互助，形成活躍的學(xué)習(xí)氛圍，增加學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，增強團結(jié)協(xié)作意識。

（5）任務(wù)驅(qū)動法。圍繞共同的任務(wù)活動中心，讓學(xué)生在任務(wù)驅(qū)動下，進行自主探索和互動協(xié)作的學(xué)習(xí)，使學(xué)生帶著真實的任務(wù)在探索中學(xué)習(xí)。如在學(xué)習(xí)簡單的沖裁模零部件結(jié)構(gòu)特點時，給學(xué)生安排講解任務(wù)，并根據(jù)零部件類型分解任務(wù)，安排不同小組去完成，明確要求用PPT 匯報講解。在準(zhǔn)備任務(wù)過程中，學(xué)生會自覺學(xué)習(xí)PPT制作、圖片處理等相關(guān)知識，采用更好的方式將內(nèi)容呈現(xiàn)。在完成任務(wù)時，學(xué)生會不斷地獲得成就感，可以更好地激發(fā)他們的求知欲，逐步形成一個感知心智活動的良性循環(huán)，培養(yǎng)獨立思考、勇于探索、開拓進取的意識，提升學(xué)生的自學(xué)能力。

2 多課程并行教學(xué)鍛煉專業(yè)能力

結(jié)合沖模課程設(shè)計，在《沖壓工藝及模具設(shè)計》課程教學(xué)過程中開展項目式教學(xué)，河南工學(xué)院課程設(shè)計重點針對沖裁模，因此在課程講解沖裁工藝及模具設(shè)計相關(guān)內(nèi)容之前，先對學(xué)生進行分組，給每組布置一個難度適當(dāng)?shù)脑O(shè)計題目，講課過程中，按照模具設(shè)計流程的先后順序講解知識點，方便學(xué)生能夠帶著任務(wù)，逐一完成每個步驟，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中帶著任務(wù)進行思考及協(xié)作學(xué)習(xí)，學(xué)完一部分內(nèi)容后合作完成相應(yīng)部分的設(shè)計工作，在學(xué)習(xí)知識的同時，又能鍛煉模具設(shè)計水平。以項目促學(xué)習(xí)，學(xué)生在完成項目的同時，也增強了團隊協(xié)作意識，培養(yǎng)了工匠精神，提高了職業(yè)素養(yǎng)。

結(jié)合《文獻檢索與論文寫作》、《材料成型計算機輔助設(shè)計》、《塑性成形數(shù)值模擬》和《實驗設(shè)計與方法》等課程，以學(xué)生自擬選題的方式，能夠結(jié)合專業(yè)知識分析影響沖裁件斷面質(zhì)量、彎曲件質(zhì)量或拉深件質(zhì)量等因素，并設(shè)計合理的試驗方案研究沖壓成形的變形規(guī)律及彎曲件質(zhì)量、拉深件質(zhì)量等的影響因素，使用UG 創(chuàng)建沖壓件及沖模零件的模型，利用數(shù)值模擬軟件對典型沖壓件的成形過程進行模擬仿真，獲取應(yīng)力應(yīng)變等試驗結(jié)果，進行數(shù)據(jù)處理后結(jié)合理論知識進行分析，并將分析過程及結(jié)果以小論文的形式撰寫。通過這樣的鍛煉過程，能夠鞏固沖壓課程的專業(yè)理論知識，提升學(xué)生對多課程知識內(nèi)容綜合運用的能力。完成全過程需要用到Design Expert、Excel、UG、Dynaform、Origin、Word 等多種軟件，能夠提高學(xué)生利用計算機分析、解決工程問題的能力，促進培養(yǎng)鍛煉技術(shù)研發(fā)、科研創(chuàng)新的專業(yè)能力。

3 融合多學(xué)科以賽促教提升創(chuàng)新能力

從本專業(yè)低年級學(xué)生開始，重點培養(yǎng)其建模繪圖能力，指導(dǎo)其參加“高教杯”大學(xué)生先進成圖技術(shù)與零件信息建模創(chuàng)新大賽。通過這一過程的訓(xùn)練，提升學(xué)生創(chuàng)新建模的基礎(chǔ)專業(yè)能力，并為其結(jié)合專業(yè)知識開展創(chuàng)新打下基礎(chǔ)，為后續(xù)參加其他競賽做好準(zhǔn)備。近5年學(xué)生參加“高教杯”大學(xué)生先進成圖技術(shù)與零件信息建模創(chuàng)新大賽獲得國家級三等獎4項、省級一等獎3 項、省級二等獎3 項、省級三等獎4項。

課程團隊教師指導(dǎo)學(xué)生申報大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目，結(jié)合計算機學(xué)科中的VR 技術(shù)和AR技術(shù)等，利用Unity 軟件完成開發(fā)沖模VR 拆裝軟件以及沖模零件AR 識別APP，沖模VR 拆裝軟件操作演示如圖1所示，沖模零件AR識別APP操作演示如圖2所示。

圖1 沖模VR拆裝軟件操作演示

圖2 沖模零件AR識別APP操作演示

在項目完成過程中，學(xué)生首先使用UG 軟件進行建模，然后使用Blender等軟件進行模型渲染和動畫制作等，最后使用Unity編寫代碼并完成軟件的開發(fā)。在此過程中，學(xué)生不僅鍛煉了模具三維建模的技能，還通過自學(xué)掌握了模型渲染、動畫制作、編程語言等技術(shù)，除提升了專業(yè)技能外，還擴展了計算機專業(yè)技能。開發(fā)的軟件與《沖壓工藝及模具設(shè)計》教學(xué)內(nèi)容緊密貼合，能夠輔助應(yīng)用于課程教學(xué)，有效幫助學(xué)生熟悉沖模結(jié)構(gòu)、了解沖模的拆裝過程及注意事項。

此外通過將藝術(shù)學(xué)科的相關(guān)知識與實踐相結(jié)合，學(xué)生自主設(shè)計書簽、紀(jì)念幣等校園文創(chuàng)作品，借助沖壓課程學(xué)到的模具設(shè)計相關(guān)內(nèi)容，設(shè)計了書簽毛坯落料沖孔模和紀(jì)念幣壓印模。模具制造后，學(xué)生獨立操作曲柄壓力機，對書簽毛坯和紀(jì)念幣進行沖壓加工，學(xué)生調(diào)試壓力機并對書簽毛坯進行沖壓如圖3 所示，書簽毛坯實物如圖4 所示，紀(jì)念幣壓印模實物如圖5所示。

圖3 調(diào)試壓力機并進行書簽毛坯沖壓

圖4 書簽毛坯實物

圖5 紀(jì)念幣壓印模

對書簽毛坯進行表面處理和激光雕刻，對紀(jì)念幣表面進行電鍍，最終制成了精美的成品，圖6所示為學(xué)生正在對書簽進行激光雕刻，書簽及紀(jì)念幣成品如圖7、圖8 所示。在該過程中，學(xué)生不僅實踐了沖模設(shè)計過程，熟悉了沖壓設(shè)備的結(jié)構(gòu)，還掌握了沖模的安裝和調(diào)試過程，提升了專業(yè)實踐和動手能力。同時通過整個實踐過程，培養(yǎng)學(xué)生欣賞美和創(chuàng)造美的能力。學(xué)生能夠?qū)⑺囆g(shù)和工程知識相結(jié)合，展現(xiàn)創(chuàng)造力和才能，這樣的實踐經(jīng)驗將有助于他們未來在學(xué)術(shù)和職業(yè)領(lǐng)域取得成功。

圖6 激光雕刻書簽現(xiàn)場

圖7 書簽成品

圖8 紀(jì)念幣成品

上述成果為河南工學(xué)院材料成型及控制工程等專業(yè)學(xué)生多年來的積累，先后參加“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽獲省級二等獎1 項，參加“挑戰(zhàn)杯”創(chuàng)業(yè)計劃競賽獲省級三等獎2項，獲得河南省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃優(yōu)秀成果三等獎1項。學(xué)生在項目研究及參賽過程中，鞏固了專業(yè)知識，強化了專業(yè)技能，提升了創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力，在計算機應(yīng)用水平、審美水平及藝術(shù)創(chuàng)作能力等方面有所提高，通過實踐活動，學(xué)生的綜合能力得到了鍛煉。

4 結(jié)束語

在教學(xué)過程中采用多種教學(xué)方法，多課程并行教學(xué)以及融合多學(xué)科以賽促教，提高學(xué)生綜合素質(zhì)能力。通過啟發(fā)引導(dǎo)法、問題探究法、分組探究法、分組討論法、任務(wù)驅(qū)動法和項目教學(xué)等多種教學(xué)方法的綜合運用，可以提高學(xué)生的素質(zhì)能力。同時通過多課程并行教學(xué)和多學(xué)科融合以賽促教等方式，鍛煉學(xué)生的專業(yè)能力和創(chuàng)新能力；通過項目式學(xué)習(xí)培養(yǎng)學(xué)生團隊協(xié)作意識。這些方式實現(xiàn)了對學(xué)生從知識、能力和思想的全方位、全過程培養(yǎng)，學(xué)生的知識綜合運用能力、實踐創(chuàng)新能力得以提升，能夠結(jié)合本課程教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)需求，應(yīng)用計算機技術(shù)開發(fā)AR、VR 軟件，設(shè)計校園文創(chuàng)書簽、紀(jì)念幣等作品。