激光加工實訓課程教學實踐探索與研究

郝興安　董建明　周俊波　張明

[摘 要] 激光加工課程是一門實踐性較強的基礎(chǔ)課，對人才培養(yǎng)目標起到重要的支撐作用。文章針對課程的特點，在教學內(nèi)容和方法等方面進行探索，改善教學效果。培養(yǎng)學生的工程實踐、知識綜合應用、創(chuàng)新和團隊協(xié)作等能力，為攻讀后續(xù)課程或今后職業(yè)生涯的成長奠定基礎(chǔ)。

[關(guān)鍵詞] 實驗能力;工程文化;創(chuàng)新訓練;項目驅(qū)動

[作者簡介] 郝興安（1968—），男，遼寧錦州人，碩士，成都理工大學核技術(shù)與自動化工程學院副教授，主要從事數(shù)控機床方面的研究與教學工作。

[中圖分類號] G642? ? ? [文獻標識碼] A? ? ?[文章編號] 1674-9324（2021）06-0089-04? ? [收稿日期] 2020-10-12

一、引言

2017年以來，教育部積極推進新工科建設，先后形成了“復旦共識”“天大行動”和“北京指南”，更加明確了工程訓練的重要性[1]。為符合“創(chuàng)新驅(qū)動”國家發(fā)展戰(zhàn)略和“中國制造2025”要求，在工程訓練的實踐教學中，要培養(yǎng)學生的大工程觀，以滿足科學技術(shù)發(fā)展、多學科交融和社會的需求[2]。隨著現(xiàn)代制造技術(shù)的發(fā)展，工程訓練課程中現(xiàn)代技術(shù)實訓項目比例越來越高，很多高校在工程訓練課程中開設了激光技術(shù)相關(guān)實訓項目，受到了學生的歡迎。激光加工課程可以使學生了解現(xiàn)代激光加工工藝知識和激光設備性能，掌握設備基本操作技能，能夠顯著提高學生的綜合知識水平，鍛煉和培養(yǎng)學生的實踐動手、邏輯與發(fā)散思維、多學科知識綜合應用、創(chuàng)新等能力，從而培養(yǎng)素質(zhì)全面的創(chuàng)新型人才。

目前實訓教學面臨諸多問題，如：實驗設備數(shù)量少，實訓學生人數(shù)多，難以滿足學生實際需要;教學以教師為中心，影響學生自主學習的積極性;教學內(nèi)容重點在加工原理與設備操作方法，沒有把思政內(nèi)容納入教學之中，課程考核重視結(jié)果而忽略過程。實訓項目主要進行設備操作基本技能訓練，極少注重學生的個性和創(chuàng)意，缺乏創(chuàng)新能力培養(yǎng)，理論與實踐教學各自獨立等。因此需要對激光加工實訓課程的教學方式、內(nèi)容和課程體系進行改進，從而在培養(yǎng)學生工程能力、工程意識的同時，增加學生實踐課學習興趣，同時兼顧學生個性，增強創(chuàng)新能力，提高實踐課程的教學效率和教學質(zhì)量。

二、課程的教學目標

通過激光加工課程的學習，使學生能夠綜合運用激光技術(shù)的基本知識、基本技能和新技術(shù)等相關(guān)知識，能夠根據(jù)材料加工工藝，合理選擇設備，初步具備操作激光加工設備進行零件制造的能力;能夠在實訓過程中，與團隊其他成員進行有效合作，并明確應承擔的責任。主要達成的課程目標具體如下：

課程目標1：理解現(xiàn)代計算機輔助設計與制造的基本知識及其應用特點，認識激光加工技術(shù)及設備的發(fā)展方向。能夠應用CAM軟件進行零件二維/三維建模，根據(jù)設備性能、零件加工要求等因素合理選擇和制定工藝流程和參數(shù)，初步具備應用CAM軟件生成被加工零件的加工程序的能力。

課程目標2：了解不同零件的基本加工方法和工藝流程，理解加工工藝條件對加工質(zhì)量的影響;了解質(zhì)量與成本、管理與效益之間的關(guān)系。初步具備對零件加工工藝、經(jīng)濟性進行分析和合理選擇加工方法的能力。

課程目標3：理解制造工程系統(tǒng)的社會價值，了解制造技術(shù)的歷史和未來發(fā)展前景，了解安全與環(huán)保以及可持續(xù)發(fā)展等現(xiàn)代工程意識，理解產(chǎn)品制造加工實踐的基本準則和工程師的社會責任，培養(yǎng)勤懇創(chuàng)新的工作態(tài)度和求真務實的科學作風。初步掌握激光加工設備的正確使用和安全操作技術(shù)，能夠獨立操作設備完成零件加工制作，同時具有團隊協(xié)作精神，初步具有綜合運用所學科知識和專業(yè)技能解決實驗中所出現(xiàn)技術(shù)問題的能力。

三、課程教學內(nèi)容與教學方法

為了達成激光加工課程的上述3項具體教學目標，結(jié)合本校受訓學生專業(yè)特點、實驗裝備、實驗環(huán)境等因素，在教學方法與教學內(nèi)容等方面進行了以下探索：

（一）學生實驗能力培養(yǎng)

激光加工質(zhì)量受到較多因素影響，包括：工件材料、照射時間、照射功率、焦距、焦點位置、光斑內(nèi)能量分布等;不同的材料，其吸收的光譜不同;加工時應該根據(jù)材料的基本性能，選擇功率合適的激光器。

傳統(tǒng)教學過程中，教師直接給出加工參數(shù)表（見下表），由學生根據(jù)加工對象直接查表，選取并設定激光加工機床的加工參數(shù);但是學生對于選取這些數(shù)據(jù)的原因，數(shù)據(jù)獲得的實驗過程和方法，無法理解和掌握。

因此，在課程體系中設計了綜合性實訓項目——激光加工質(zhì)量影響因素研究實驗。采用對比實驗法，實驗前根據(jù)實驗設備臺數(shù)把每個班級的同學分成若干個小組，每組針對激光加工中涉及的功率、速度、吹氣、焦距、間隔等參數(shù)制定同一材料的對比實驗方案，規(guī)劃具體實驗方法，觀察記錄實驗過程和實驗數(shù)據(jù)，分析實驗結(jié)果，最終制定出機床的加工參數(shù)表;在實驗報告中要求學生對實驗的數(shù)據(jù)進行分析，并對實驗結(jié)果進行解釋。使學生了解通過設置技術(shù)參數(shù)調(diào)整激光加工質(zhì)量的原理，掌握通過設置技術(shù)參數(shù)調(diào)整激光江質(zhì)量的能力。

通過此項實驗訓練，鍛煉了學生對整個實驗過程的掌控能力，培養(yǎng)了學生實驗方案設計、實驗實施和實驗數(shù)據(jù)分析處理的能力，使其形成嚴謹?shù)膶W術(shù)作風。

（二）課程思政與工程文化教育融合

2016年12月，習近平總書記在全國高校思想政治工作會議上明確指出“把思想政治工作貫穿教育教學全過程，開創(chuàng)我國高等教育事業(yè)發(fā)展新局面?！盵3]。實現(xiàn)實踐類課與思政元素的基因式融合，是科學構(gòu)建課程思政教學內(nèi)容的重中之重，亦是思想政治教育供給側(cè)與學生需求側(cè)達到平衡的重要支點[4]。

工程文化是工程、科學及文化的有機統(tǒng)一，是科學精神和人文精神的有機統(tǒng)一[5]。工程文化教育的目的，要讓工科學生嚴格遵守工程倫理準則，增強人文情懷，提升社會責任感，成為卓越的工程師[6]。根據(jù)課程思政和工程文化教育的教學目標，對激光加工課程進行整體設計，把課程思政和工程文化教學資源融入到課程的教學體系中。在講授激光加工技術(shù)的歷史和未來發(fā)展前景過程中，教師通過介紹愛因斯坦、Charls Townes、錢學森、王之江等科學家的事跡，利用優(yōu)秀科學家的示范力量激發(fā)學生的學習興趣，培養(yǎng)學生勤懇創(chuàng)新的工作態(tài)度和求真務實的科學作風。

在激光加工教學中，學生普遍對于雕刻書法、剪紙、字畫、竹簡項目表現(xiàn)出較高的學習興趣。利用這一特點，把中國傳統(tǒng)文化融入教學中;開展中國詩詞、散文、題詞和繪畫雕刻項目，應用EagleCAM和EagleEngraveLab軟件，做詳細的作品輸出案例。學生通過親身設計，動手實踐為實習方式完成創(chuàng)新作品的制作，提升對激光制造技術(shù)的了解，培養(yǎng)了學生的實踐創(chuàng)新能力，還可以對作品內(nèi)涵進行講解，達到增強人文的目的。通過工程文化理念的滲透，把學生從簡單的動手操作中引到擁有工程意識的人文素質(zhì)上來[7]，增強了對制造工程系統(tǒng)社會價值地理解。

（三）綜合創(chuàng)新訓練項目的開發(fā)與探索

利用綜合訓練項目，發(fā)揮學生的自主能力，綜合運用多學科知識，理論與實踐相融合，培養(yǎng)創(chuàng)新精神與創(chuàng)新能力。激光加工綜合項目主要涉及激光加工和工程訓練中其他工種的多個工藝，以大學生工程訓練綜合能力大賽中無碳小車制作為例，學生要在多學科知識交叉的背景下去考慮項目的全過程。無碳小車實驗項目，強調(diào)從設計、改進到加工制造全部過程學生的參與，經(jīng)歷方案設計、小車行走路線分析計算、零件三維建模、二維零件圖紙轉(zhuǎn)化、制作材料選擇、零件制造、小車裝配與調(diào)試等階段。

學生綜合運用多學科知識，完成車架、動力與傳動、行走與轉(zhuǎn)向、軌跡微調(diào)等機構(gòu)的設計，利用激光切割機加工出小車的底座、車輪等零件，還需應用工程訓練中心的其他類型機床完成軸、齒輪等零件加工。組裝無碳小車，實現(xiàn)無碳小車沿計劃軌跡自主行走。學生在小車運動軌跡分析、三維建模、二維零件圖繪制過程中，鍛煉了運用現(xiàn)代工程工具的能力。

通過此類項目訓練，學生對產(chǎn)品生產(chǎn)全過程的了解;使學生的理論聯(lián)系實踐能力得到鍛煉，提高其發(fā)散思維能力，初步具備對零件加工工藝、經(jīng)濟性進行分析和合理選擇加工方法的能力，能夠備識別、規(guī)劃并提出工程問題解決方案，也培養(yǎng)了學生的工程倫理素質(zhì)。

（四）項目驅(qū)動的激光加工教學模式

以項目帶動訓練，使工程訓練過程以學生為中心，發(fā)揮學生的自主學習能力[8]。根據(jù)激光加工設備臺數(shù)，將學生分成若干任務組，領(lǐng)受項目任務書。各任務小組的成員在本組內(nèi)分別扮演不同的角色（例如：方案設計和軟件操作員、工藝分析員、質(zhì)檢員、安全員、設備生產(chǎn)操作員、設備維護員等。），在任務執(zhí)行的不同階段進行角色輪換，避免部分能力較強的同學一直當主角，部分同學一直當配角，盡量使每位學生都有機會參與，提高每位學生的參與度和學習積極性。

教師首先講解加工原理和設備操作安全注意事項，行竊針對任務書做必要的提示性介紹。組長根據(jù)項目任務書，組織小組的成員運用相關(guān)工程原理開展實際項目工作。任務組進行方案設計，選擇設備加工技術(shù)參數(shù)，制定加工工藝和進行加工經(jīng)濟性分析，解決實際操作過程出現(xiàn)的各種問題，相互合作加工出作品。學生在制定設計方案和工藝流程時，需要最大限度地減少工程資源的浪費，節(jié)約并降低工程成本。在此過程中，鼓勵學生通過口頭語言的形式，把自己的觀點準確、清楚、全面地表達出來，鍛煉學生的人際交流能力，同時鍛煉其職業(yè)道德和社會倫理責任意識。學生實際操作設備時，教師對學生的操作過程進行檢查監(jiān)督，及時發(fā)現(xiàn)和糾正其操作過程中所出現(xiàn)的各類不規(guī)范行為，避免出現(xiàn)安全隱患，杜絕發(fā)生設備或人身安全事故。

任務完成后，依據(jù)作品的創(chuàng)新性、復雜程度、加工工藝設計、經(jīng)濟性分析、加工質(zhì)量進行評分。老師進行點評打分，小組之間進行互評打分，經(jīng)小組內(nèi)討論小組長根據(jù)各成員所做工作給出各成員貢獻比例。老師綜合各項打分給定本輪分組任務過程中每個學生的得分[9]。

通過完成從作品設計到加工過程中的各個項目活動，使學生理解激光加工的基本原理、加工特點及其應用知識，初步學會激光設備操作要領(lǐng)、工藝流程和加工經(jīng)濟性分析方法，提高對工程項目產(chǎn)品質(zhì)量進行嚴格監(jiān)管的意識，培養(yǎng)學生的職場工作責任心、職業(yè)素養(yǎng)和團隊協(xié)作能力，讓學生領(lǐng)會到自身的職業(yè)行動可能對人、社會和環(huán)境造成的影響。

四、依托產(chǎn)學合作項目進行教學建設

教育部高教司組織有關(guān)企業(yè)支持高校共同開展產(chǎn)學合作協(xié)同育人項目，這為工程教育實踐教學條件和課程體系改革提供了良好的契機[7]。依托教育部的展學合作協(xié)同育人項目，引導項目合作企業(yè)與學校共建實驗室，企業(yè)派出技術(shù)專家與學校任課教師組成教學研究團隊，結(jié)合學校人才培養(yǎng)目標和企業(yè)優(yōu)勢。企業(yè)提供技術(shù)、平臺等方面的支持，將行業(yè)技術(shù)的最新發(fā)展、行業(yè)對人才培養(yǎng)的最新需求引入教學過程，通過課件、案例等方式為學校提供素材，促進各高校不斷更新與完善課程教學體系以及教學內(nèi)容。

利用企業(yè)提供的VR激光培訓項目，實現(xiàn)激光加工設備的機械結(jié)構(gòu)、軟件、電器、光路等作為流程互動教學，可以讓學生實際上機操作前的熟悉操作流程，減少實際操作時誤操作帶來的風險，提高了實操效率。

學校評選出學生不同類型激光加工的優(yōu)秀作品，作為模型庫和創(chuàng)新設計課程的示范案例，作品可作為課程VR展示案例，線上線下課程都能使用，更多設計元素也可給新學生帶來啟發(fā)，也是工訓創(chuàng)新的內(nèi)容之一。

通過校企合作共同構(gòu)建信息化共享平臺，打造數(shù)字化的教學環(huán)境，綜合運用線上線下的數(shù)字化教學資源，著力培養(yǎng)學生解決復雜工程技術(shù)問題的能力，提高工程技術(shù)人才培養(yǎng)質(zhì)量。使教學內(nèi)容更貼近企業(yè)生產(chǎn)實際與行業(yè)用人需求;針對學生個性化和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的需要。相關(guān)教學資源不僅服務于本校學生，也可以服務于兄弟院校師生。

五、結(jié)語

通過在“激光加工”課程學習，學生了解了激光加工方法的工藝原理、工藝特點以及有關(guān)的新材料、新工藝、新技術(shù)的知識，豐富了機械制造方面的感性認識，培養(yǎng)了解決復雜工程問題的能力; 提高了工程實踐能力、知識綜合應用能力、創(chuàng)新能力和團隊協(xié)作能力，從而使學生后續(xù)專業(yè)課學習乃至將來進行畢業(yè)設計或從事實際工作時，依然能夠從中獲益。通過校企合作，把最新制造技術(shù)、行業(yè)對高校人才培養(yǎng)的最新要求等引入實踐教學，使得學校實踐教學內(nèi)容更符合企業(yè)生產(chǎn)實際需要，提高了高校人才培養(yǎng)的質(zhì)量。

參考文獻

[1]陳慶，嚴海琳.基于文獻計量法的新工科研究熱點預測[J].南京師大學報（自然科學版），2018（04）：147-152.

[2]梁瑩.大工程觀視域下工科生工程素質(zhì)培養(yǎng)研究[D].河北科技大學，2018.

[3]楊芝.大學生個體道德能力生成的內(nèi)在邏輯及轉(zhuǎn)化提升研究[D].長安大學，2017.

[4]鄭敬斌，李鑫.科學構(gòu)建課程思政教學體系[J].高思想理論教育，2020（07）：65-69.

[5]新工科建設行動路線（天大行動）[J].高等工程教育研究，2017（02）：24-25.

[6]李齊全，張杰.新工科背景下工程文化教育與高校思想政治理論課的融合[J].淮海工學院學報，2019（05）：134-137.

[7]韓志民，杜林娟，鄒新凱，等.對工程訓練中滲透工程文化理念的研究與實踐[J].農(nóng)村經(jīng)濟與科技，2019（30）：24-25.

[8]于兆勤，吳福根，郭鐘寧，等.基于項目驅(qū)動的現(xiàn)代工程訓練方法研究[J].實驗室研究與探索，2012，08：131-133.

[9]劉楠楠，翟鳳瀟，郝蘊琦，等.翻轉(zhuǎn)課堂教學模式在《激光技術(shù)》課程中的應用實踐[J].教育現(xiàn)代化，2019（12）：243-245.

[10]黃海龍，盧繡熔，敖祥.產(chǎn)學合作激光加工教學建設與實施探索[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2019（04）：107-109，120.

[11]解海，馬洪麗.工程文化與專業(yè)教育融合：轉(zhuǎn)型期地方高校工程人才培養(yǎng)模式研究[J].黑龍江高教研究，2019（01）：148-152.

[12]張春蕊，張志剛，許家寶，等.基于項目驅(qū)動的激光內(nèi)雕加工工程訓練教學組織[J].教育教學論壇，2020（05）：268-269.

[13]傅學強.高校工程訓練中心工程文化建設與實踐[J].內(nèi)燃機與配件，2020（04）：286-287.

[14]胡金兵，郭漢明.課程思政在理工科教學模式中的應用研究——以“激光原理”課程設計為例[J].現(xiàn)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