基于启发式教学的激光加工技术课程教学研究

谭金铃

摘 要：文章以三峡大学激光加工课程为例，首先从激光内雕、激光打标、激光切割着手，阐述了激光加工技术项目的建设、实践与探索，重点探讨了启发式教学新模式。其次，展望了激光技术的综合项目课程，从而实现学生参与产品创新设计、精准加工制作的全过程。以此提高学生自主设计能力和工程实践能力。

关键词：激光加工；启发式；创新；工程训练

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2018）15-0091-03

Abstract： This paper expounds the construction， practice and exploration of the laser processing technology project in the quality education center of college students， taking the laser internal carving， laser marking and laser cutting as an example in China Three Gorges University. The new mode of heuristic teaching is focused to discuss. Then， the comprehensive project course of laser technology is designed so as to enable students to participate in the whole process of product innovation design and precision machining. Finally， we can achieve the goal of improving their ability of independent design and engineering practice ability.

Keywords： laser processing； elicitation； innovate； engineering training

激光加工技术己经逐渐成为工业生产自动化的关键技术。随着工程训练的日益强化，在高校工程实训中增设激光加工技术课程，不仅让学生认知制造业中相关的先进制造技术和该行业的发展动态，而且提高了学生的工程素养和实践能力[1]。

当前，国内很多高校都开设了激光加工技术相关的课程，受到了学生的欢迎。但是大多数课程的设置在考虑学生的创意与个性同时，对工程能力的培养尚为缺乏[2]。故在进行课程建设时，应兼顾学生兴趣和学生的工程能力、创新意识的培养。本文以三峡大学激光加工技术课程为例，分析了各激光加工项目的特点，提出了教学任务驱动、行为引导式并存的启发式教学模式，并探索了激光加工综合课程的开展。

一、课程设计的理念

我校工程训练课程服务于学校“高素质、强能力、应用型”的人才培养总目标，以培养学生将创意转化为产品为重点之一，开设了一系列工训课程，作为基础训练项目之一的激光加工实训是全校学生的公共必修课。教学内容包括：激光切割、激光打标和激光内雕。将课程设计为：理论足够，实践充足，突出技能的设计-加工-制作过程，学生实践为主，教师引导为辅的启发式教学新模式。

二、课程设计的内容

激光加工不同于普通的机械加工，而是靠光热效应来进行的，其原理是光经过透镜聚焦后会在焦点上达到非常高的能量密度来对加工工件。激光加工属于国家重点发展的较为高端装备制造业中的重要领域。因此，为了学生职业核心能力的培养以及与社会接轨能力的锻炼，课程教学大纲中设置了激光内雕、激光打标和激光切割三个项目，旨在通过不同的操作方式，让学生感受并领会激光加工的奥妙、拓展学生视野、扩大学生的专业知识面。激光实训课程规划如图1所示。

（一）激光内雕-水晶

激光内雕指的是在玻璃背部雕刻出特定的三维形状。采用的是激光在玻璃体内部聚焦玻璃分子晶格的坐标，另外还使用三轴的平台运动以及速度较高的振镜扫描，从而一层一层产生爆裂白点[3，4]。本校对内雕课程的开设是采用老师教授，学生操作，老师辅导的模式。其操作流程如下：

1. 三维建模。用三维软件建模，如UG、pro/e、solidworks等等。本文以UG建模为例，（1）打开UG软件，选择“新建”、“模型”；更改模型“名称”再保存。（2）选“部件导航器”，选中“基准坐标系”，单击“显示”。（3）点击“创建草图”；选择基准平面，选择默认，“确定”。（4）完成草图，拉伸，建立三维模型。

2. 照片处理。即在PS中打开指定照片，对照片进行适当处理，包括把照片旋转到适当的位置，最后将处理好的图片保存为JPG 格式。

3. 3D照相。用三维相机拍照。两个学生一组，现场用三维相机拍照并完成照片成点及修剪工作，再把處理好的照片传入激光内雕机。

4. 加工。（1）在Laserimage软件中打开待加工图片。（2）系统弹出参数设置对话框，调节亮度、对比度等参数，并导入图片。（3）在“Laser Control”中打开刚保存的文件，在弹出的对话框中选择“3D”并鼠标单击“OK”按钮，选择“水晶”，点击“start”即可进行加工。此过程中切记将激光内雕机的门关上。

如图2所示。

学生在听完理论课程之后，每人会被分发一个空白水晶，学生自行设计内雕模型并独自进行加工，老师全程给予指导。

（二）激光打标-名片

激光打标得到的作品属于永久性标记，其原理是采用高能量密度的激光照射工件，然后使得工件表层得以汽化或颜色变化的化学反应。课程分为名片设计和名片制作两个环节，其中名片的制作不限风格，支持学生发散性思维[5]。

1. 名片设计

目前可供名片设计的软件主要是windows平台下的专用标刻软件，该软件上手较快，可操作性较强，名片设计内容可以为文字、图片、图形、符号及其组合。另外，亦可在AutoCAD和Photshop等软件中进行精心设计从而获得理想的精致名片。当然，名片的设计除了需要使用相关软件外，创造性思维也是强有力的支撑。

2. 名片制作

（1）确定激光器和光学原件的位置，从而得到准确的焦平面位置。（2）调整工作台基准平面，上下微调台面，当激光打在金属名片上的“毗、毗”声最大、最清脆时停止移动螺旋螺母，此时可确定金属名片于焦平面之上，即台面位置为焦平面位置。（3）点击电脑上的打标按钮，即可完成名片的打标。

激光打标-名片这个子项目的问题主要集中在学生对软件的熟练程度和激光焦平面的确定这两个环节。授课过程中，老师不断为学生提供帮助，学生也会在问题迎刃而解中获得成就感。最终每位同学都会拥有一张自己精心设计制作的专属名片。

（三）激光切割

激光切割中使用的激光是经过聚焦的，因此具有高功率密度的特点，当待切割材料被照射时，会迅速熔化、汽化、或达到燃点，从而成功将工件割开。其具有无接触加工、切缝窄工件变形小，适应性和灵活性强的显著特点[6]。

激光切割课程安排：（1）学生自己完成零件图形设计，使用CAXA线切割软件进行编程。（2）学生操作线切割机床对已设计的零件进行实际加工。

三、课程存在的问题及改进方式

上述三个项目的开展紧紧围绕着分层式教学，学生在老师教授的理论知识和演示操作的基础上进行设计和加工。但是目前存在以下问题：

1. 课堂氛围不够活跃，主要表现在兴趣度不够。

2. 部分学生从未接触过三维建模绘图软件，因此初步上手时，略有难度。学生的畏难情绪导致积极性欠缺。

3. 由于设备数量有限，学生用于等候的时间较多。

为了改善以上问题，本校近期对课程建设作了改进，取得了初步的效果。如：

1. 将学生进行分组，在任务下达之后，可通过组内讨论来调动大家的积极性，同学之间相互的答疑解惑，也是一种相互促进的学习方式。

2. 在课程之中，引入了金点子环节，可在制作之前预留时间，号召学生自主介绍自己在设计过程的一些新的想法，并交流如何产生这样的金点子，进而促进其他同学的创造性开发。另外，老师对学生的创意给予点评，让金点子环节更深刻全面，以达到预期效果。

3. 将学生分组分批进行不同子项目的制作，大大减少了机器的使用压力。

本课程引入了学生角色扮演，头脑风暴等教学改革环节，利用学习过程中学生与老师、学生与学生之间的有效互动，启发学生思维，保证学生参与度，让学生从亲自动脑动手的过程中深入理解理论知识的内涵，形成具体完备的激光加工知识体系。从而实现以下三个目标：

1. 知识储备目标。要求学生应用三维软件建模，了解激光加工技术原理和激光加工设备的基本构造，掌握激光设备采用的相关核心技术，掌握从事激光加工工艺工作应具备的思想素质和技能储备。

2. 创新技能目标。要求学生熟悉本课程中涉及的激光器的使用、装配、调试等方法，能熟练利用激光加工设备完成相应的加工工艺过程，能高效地对工作任务进行统筹协调、保质保量。

3. 人文素质目标。综合项目涉及团队合作，尤其是在加工操作过程中，互帮互助可以大大地提高工作效率。因此，可培养学生共同完成设备安装调试的合作精神以及对自己工作模块的担当意识。具体内容如图3所示。

四、综合项目的开发与探索

激光加工综合项目主要涉及激光加工的多个工艺，于是欲设计一个将激光切割、激光打标、激光焊接等多个工艺融合在一起的綜合项目，以创意钥匙扣设计制作为例。

（一）项目内容

1. 毛坯材料：厚度约2.5mm的不锈钢钢板。

2. 设计过程：（1）学生设计钥匙扣外形，并建立相应模型。（模型设计风格不限）（2）在模型的恰当位置设计自己想要的图案或文字。（3）将各部件联接组合起来。

3. 制作过程：（1）将学生分成若干组，每组3人。（2）发放毛坯，组员充分讨论并分工，可参数设置技巧进行讨论，创意设计金点子碰撞等。（3）选择合适的激光切割机并相互合作切割出预期形状，相互协作，并努力解决实际操作过程出现的各种问题。（4）采用激光焊接机将各个部件焊接在一起。（5）熟练并安全地使用打标机和内雕机进行图案创新制作。

4. 成绩评定及总结：成绩根据学生的设计图纸，加工程序以及作品的表面质量、尺寸精度等方面来综合评定。其中，对教学过程的观察和监督也是成绩评定的主要部分。最后通过痕迹管理将课堂中学生的整体表现、作品的制作进度、作品完成情况进行总结分析

（二）加工工艺

该项目使用的机器较多，设计制作过程思路清晰且操作强度适中，但是一个产品的最终效果跟严谨认真的工艺操作密不可分。

光纤激光切割机在本项目中被用来切割不锈钢板，一般使用氮气来吹渣，其切割效果较佳。而激光焊接机用于创意钥匙扣的焊接。除了上述激光切割、激光焊接等工艺，钥匙扣的表面则是由学生运用激光打标来设计不同个性的图案[7，8]。

（三）课程预期效果

学生根据自己需求设计钥匙扣图纸和编写加工程序，凸显各自的创造性，避免雷同。本项目包涵的工艺较多，为学生能够深入学习激光加工技术提供了机会。学生完成了图纸设计、程序编写和工艺参数，老师通过对作品的检测，让学生体验产品设计制造的生产过程，提高了学生的积极性。对培养高素质、强能力、应用型人才具有重要意义。

综合项目具有典型、系统、先进性的特点，其优化设计和有序开展将直接促进大学生专业人才的培养质量的提高。如图4展示了激光综合项目开发概况。

五、结束语

考虑到激光加工属于制造业中不可或缺的组成部分，综合分析了目前激光加工课程存在的问题，在原有的任务式教学的基础上植入了引导式、头脑风暴、案例教学等教学方法，通过针对性沟通、创造性启发，大大提高了激光加工教学环境、教学内容的灵活度，满足了学生对该课程的基本教学要求，同时调动了学生实训的积极性、主动性、创造性，激发了学生的工程意识和创新意识。在激光加工基础课程之上进行的综合项目的开发，更是对激光加工课程的一个强化和升华，使学生更快速、系统地掌握激光加工的理论知识和操作技能，还锻炼了学生的分工合作和项目管理的团队精神，对高校学生工程素质的培养质量有着较为积极且重要的作用。

参考文献：

[1]吴卓平，王松婵，杨连生.高校工程训练创新发展探析[J].实验技术与管理，2014，31（10）：51-54.

[2]胡青春，陈松茂，莫海军.机械制造工程训练创新设计与制作教程[M].广州：华南理工大学出版社，2013.

[3]朱建军，安小雪，徐新成，等.产品创意实训室建设探索[J].实验室研究与探索，2015，34（2）：114-116.

[4]唐霞辉.激光加工技术的应用现状及发展趋势[J].金属加工（热加工），2015（4）：16-19.

[5]冯巧波，尹铁路，沈坤全，等.激光加工在工程实训中的应用[J].实验室研究与探索，2015，34（4）：206-208.

[6]冯巧波.激光加工在工程实训中的应用[J].实验室研究与探索，2015，34（4）.

[7]吴春婷，高兰兰，陈薪羽.产学研模式下《激光原理》课程教学改革研究[J].吉林广播电视大学学报，2016（1）：72-73.

[8]何船，周知进.项目教学法在特种加工课程改革中的应用[J].中国教育技术装备，2017（14）：109-111.