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教育教学论文:激光加工实训课程教学实践探索与研究

来源:教育教学论坛     2021-4-26 13:27:38      点击:

郝兴安 董建明 周俊波 张明

[摘 要] 激光加工课程是一门实践性较强的基础课,对人才培养目标起到重要的支撑作用。文章针对课程的特点,在教学内容和方法等方面进行探索,改善教学效果。培养学生的工程实践、知识综合应用、创新和团队协作等能力,为攻读后续课程或今后职业生涯的成长奠定基础。

[关键词] 实验能力;工程文化;创新训练;项目驱动

[作者简介] 郝兴安(1968—),男,辽宁锦州人,硕士,成都理工大学核技术与自动化工程学院副教授,主要从事数控机床方面的研究与教学工作。

[中图分类号] G642      [文献标识码] A     [文章编号] 1674-9324(2021)06-0089-04    [收稿日期] 2020-10-12

一、引言

2017年以来,教育部积极推进新工科建设,先后形成了“复旦共识”“天大行动”和“北京指南”,更加明确了工程训练的重要性[1]。为符合“创新驱动”国家发展战略和“中国制造2025”要求,在工程训練的实践教学中,要培养学生的大工程观,以满足科学技术发展、多学科交融和社会的需求[2]。随着现代制造技术的发展,工程训练课程中现代技术实训项目比例越来越高,很多高校在工程训练课程中开设了激光技术相关实训项目,受到了学生的欢迎。激光加工课程可以使学生了解现代激光加工工艺知识和激光设备性能,掌握设备基本操作技能,能够显著提高学生的综合知识水平,锻炼和培养学生的实践动手、逻辑与发散思维、多学科知识综合应用、创新等能力,从而培养素质全面的创新型人才。

目前实训教学面临诸多问题,如:实验设备数量少,实训学生人数多,难以满足学生实际需要;教学以教师为中心,影响学生自主学习的积极性;教学内容重点在加工原理与设备操作方法,没有把思政内容纳入教学之中,课程考核重视结果而忽略过程。实训项目主要进行设备操作基本技能训练,极少注重学生的个性和创意,缺乏创新能力培养,理论与实践教学各自独立等。因此需要对激光加工实训课程的教学方式、内容和课程体系进行改进,从而在培养学生工程能力、工程意识的同时,增加学生实践课学习兴趣,同时兼顾学生个性,增强创新能力,提高实践课程的教学效率和教学质量。

二、课程的教学目标

通过激光加工课程的学习,使学生能够综合运用激光技术的基本知识、基本技能和新技术等相关知识,能够根据材料加工工艺,合理选择设备,初步具备操作激光加工设备进行零件制造的能力;能够在实训过程中,与团队其他成员进行有效合作,并明确应承担的责任。主要达成的课程目标具体如下:

课程目标1:理解现代计算机辅助设计与制造的基本知识及其应用特点,认识激光加工技术及设备的发展方向。能够应用CAM软件进行零件二维/三维建模,根据设备性能、零件加工要求等因素合理选择和制定工艺流程和参数,初步具备应用CAM软件生成被加工零件的加工程序的能力。

课程目标2:了解不同零件的基本加工方法和工艺流程,理解加工工艺条件对加工质量的影响;了解质量与成本、管理与效益之间的关系。初步具备对零件加工工艺、经济性进行分析和合理选择加工方法的能力。

课程目标3:理解制造工程系统的社会价值,了解制造技术的历史和未来发展前景,了解安全与环保以及可持续发展等现代工程意识,理解产品制造加工实践的基本准则和工程师的社会责任,培养勤恳创新的工作态度和求真务实的科学作风。初步掌握激光加工设备的正确使用和安全操作技术,能够独立操作设备完成零件加工制作,同时具有团队协作精神,初步具有综合运用所学科知识和专业技能解决实验中所出现技术问题的能力。

三、课程教学内容与教学方法

为了达成激光加工课程的上述3项具体教学目标,结合本校受训学生专业特点、实验装备、实验环境等因素,在教学方法与教学内容等方面进行了以下探索:

(一)学生实验能力培养

激光加工质量受到较多因素影响,包括:工件材料、照射时间、照射功率、焦距、焦点位置、光斑内能量分布等;不同的材料,其吸收的光谱不同;加工时应该根据材料的基本性能,选择功率合适的激光器。

传统教学过程中,教师直接给出加工参数表(见下表),由学生根据加工对象直接查表,选取并设定激光加工机床的加工参数;但是学生对于选取这些数据的原因,数据获得的实验过程和方法,无法理解和掌握。

因此,在课程体系中设计了综合性实训项目——激光加工质量影响因素研究实验。采用对比实验法,实验前根据实验设备台数把每个班级的同学分成若干个小组,每组针对激光加工中涉及的功率、速度、吹气、焦距、间隔等参数制定同一材料的对比实验方案,规划具体实验方法,观察记录实验过程和实验数据,分析实验结果,最终制定出机床的加工参数表;在实验报告中要求学生对实验的数据进行分析,并对实验结果进行解释。使学生了解通过设置技术参数调整激光加工质量的原理,掌握通过设置技术参数调整激光江质量的能力。

通过此项实验训练,锻炼了学生对整个实验过程的掌控能力,培养了学生实验方案设计、实验实施和实验数据分析处理的能力,使其形成严谨的学术作风。

(二)课程思政与工程文化教育融合

2016年12月,习近平总书记在全国高校思想政治工作会议上明确指出“把思想政治工作贯穿教育教学全过程,开创我国高等教育事业发展新局面。”[3]。实现实践类课与思政元素的基因式融合,是科学构建课程思政教学内容的重中之重,亦是思想政治教育供给侧与学生需求侧达到平衡的重要支点[4]。

工程文化是工程、科学及文化的有机统一,是科学精神和人文精神的有机统一[5]。工程文化教育的目的,要让工科学生严格遵守工程伦理准则,增强人文情怀,提升社会责任感,成为卓越的工程师[6]。根据课程思政和工程文化教育的教学目标,对激光加工课程进行整体设计,把课程思政和工程文化教学资源融入到课程的教学体系中。在讲授激光加工技术的历史和未来发展前景过程中,教师通过介绍爱因斯坦、Charls Townes、钱学森、王之江等科学家的事迹,利用优秀科学家的示范力量激发学生的学习兴趣,培养学生勤恳创新的工作态度和求真务实的科学作风。

在激光加工教学中,学生普遍对于雕刻书法、剪纸、字画、竹简项目表现出较高的学习兴趣。利用这一特点,把中國传统文化融入教学中;开展中国诗词、散文、题词和绘画雕刻项目,应用EagleCAM和EagleEngraveLab软件,做详细的作品输出案例。学生通过亲身设计,动手实践为实习方式完成创新作品的制作,提升对激光制造技术的了解,培养了学生的实践创新能力,还可以对作品内涵进行讲解,达到增强人文的目的。通过工程文化理念的渗透,把学生从简单的动手操作中引到拥有工程意识的人文素质上来[7],增强了对制造工程系统社会价值地理解。

(三)综合创新训练项目的开发与探索

利用综合训练项目,发挥学生的自主能力,综合运用多学科知识,理论与实践相融合,培养创新精神与创新能力。激光加工综合项目主要涉及激光加工和工程训练中其他工种的多个工艺,以大学生工程训练综合能力大赛中无碳小车制作为例,学生要在多学科知识交叉的背景下去考虑项目的全过程。无碳小车实验项目,强调从设计、改进到加工制造全部过程学生的参与,经历方案设计、小车行走路线分析计算、零件三维建模、二维零件图纸转化、制作材料选择、零件制造、小车装配与调试等阶段。

学生综合运用多学科知识,完成车架、动力与传动、行走与转向、轨迹微调等机构的设计,利用激光切割机加工出小车的底座、车轮等零件,还需应用工程训练中心的其他类型机床完成轴、齿轮等零件加工。组装无碳小车,实现无碳小车沿计划轨迹自主行走。学生在小车运动轨迹分析、三维建模、二维零件图绘制过程中,锻炼了运用现代工程工具的能力。

通过此类项目训练,学生对产品生产全过程的了解;使学生的理论联系实践能力得到锻炼,提高其发散思维能力,初步具备对零件加工工艺、经济性进行分析和合理选择加工方法的能力,能够备识别、规划并提出工程问题解决方案,也培养了学生的工程伦理素质。

(四)项目驱动的激光加工教学模式

以项目带动训练,使工程训练过程以学生为中心,发挥学生的自主学习能力[8]。根据激光加工设备台数,将学生分成若干任务组,领受项目任务书。各任务小组的成员在本组内分别扮演不同的角色(例如:方案设计和软件操作员、工艺分析员、质检员、安全员、设备生产操作员、设备维护员等。),在任务执行的不同阶段进行角色轮换,避免部分能力较强的同学一直当主角,部分同学一直当配角,尽量使每位学生都有机会参与,提高每位学生的参与度和学习积极性。

教师首先讲解加工原理和设备操作安全注意事项,行窃针对任务书做必要的提示性介绍。组长根据项目任务书,组织小组的成员运用相关工程原理开展实际项目工作。任务组进行方案设计,选择设备加工技术参数,制定加工工艺和进行加工经济性分析,解决实际操作过程出现的各种问题,相互合作加工出作品。学生在制定设计方案和工艺流程时,需要最大限度地减少工程资源的浪费,节约并降低工程成本。在此过程中,鼓励学生通过口头语言的形式,把自己的观点准确、清楚、全面地表达出来,锻炼学生的人际交流能力,同时锻炼其职业道德和社会伦理责任意识。学生实际操作设备时,教师对学生的操作过程进行检查监督,及时发现和纠正其操作过程中所出现的各类不规范行为,避免出现安全隐患,杜绝发生设备或人身安全事故。

任务完成后,依据作品的创新性、复杂程度、加工工艺设计、经济性分析、加工质量进行评分。老师进行点评打分,小组之间进行互评打分,经小组内讨论小组长根据各成员所做工作给出各成员贡献比例。老师综合各项打分给定本轮分组任务过程中每个学生的得分[9]。

通过完成从作品设计到加工过程中的各个项目活动,使学生理解激光加工的基本原理、加工特点及其应用知识,初步学会激光设备操作要领、工艺流程和加工经济性分析方法,提高对工程项目产品质量进行严格监管的意识,培养学生的职场工作责任心、职业素养和团队协作能力,让学生领会到自身的职业行动可能对人、社会和环境造成的影响。

四、依托产学合作项目进行教学建设

教育部高教司组织有关企业支持高校共同开展产学合作协同育人项目,这为工程教育实践教学条件和课程体系改革提供了良好的契机[7]。依托教育部的展学合作协同育人项目,引导项目合作企业与学校共建实验室,企业派出技术专家与学校任课教师组成教学研究团队,结合学校人才培养目标和企业优势。企业提供技术、平台等方面的支持,将行业技术的最新发展、行业对人才培养的最新需求引入教学过程,通过课件、案例等方式为学校提供素材,促进各高校不断更新与完善课程教学体系以及教学内容。

利用企业提供的VR激光培训项目,实现激光加工设备的机械结构、软件、电器、光路等作为流程互动教学,可以让学生实际上机操作前的熟悉操作流程,减少实际操作时误操作带来的风险,提高了实操效率。

学校评选出学生不同类型激光加工的优秀作品,作为模型库和创新设计课程的示范案例,作品可作为课程VR展示案例,线上线下课程都能使用,更多设计元素也可给新学生带来启发,也是工训创新的内容之一。

通过校企合作共同构建信息化共享平台,打造数字化的教学环境,综合运用线上线下的数字化教学资源,着力培养学生解决复杂工程技术问题的能力,提高工程技术人才培养质量。使教学内容更贴近企业生产实际与行业用人需求;针对学生个性化和创新能力培养的需要。相关教学资源不仅服务于本校学生,也可以服务于兄弟院校师生。

五、结语

通过在“激光加工”课程学习,学生了解了激光加工方法的工艺原理、工艺特点以及有关的新材料、新工艺、新技术的知识,丰富了机械制造方面的感性认识,培养了解决复杂工程问题的能力; 提高了工程实践能力、知识综合应用能力、创新能力和团队协作能力,从而使学生后续专业课学习乃至将来进行毕业设计或从事实际工作时,依然能够从中获益。通过校企合作,把最新制造技术、行业对高校人才培养的最新要求等引入实践教学,使得学校实践教学内容更符合企业生产实际需要,提高了高校人才培养的质量。

参考文献

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[12]张春蕊,张志刚,许家宝,等.基于项目驱动的激光内雕加工工程训练教学组织[J].教育教学论坛,2020(05):268-269.

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[14]胡金兵,郭汉明.课程思政在理工科教学模式中的应用研究——以“激光原理”课程设计为例[J].现代化教育,2020(13):194-196.

Abstract: Laser Processing course is a practical basic course, which plays an important supporting role in talent training. According to the characteristics of the course, this paper explores the teaching contents and methods to improve the teaching effect. Students' abilities of engineering practice, comprehensive application of knowledge, innovation and team cooperation will be cultivated to lay the foundation for further courses and future career development.

Key words: experimental ability; engineering culture; innovation training; project-driven

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