基于PBL模式的塑料成型工藝與模具精品課程實踐教學研究

梁雄 伍曉宇 彭太江 黃桂堅

摘 要 塑料成型工藝與模具是機械設計制造與自動化類本科專業的核心專業課程，本課程的實踐教學活動與工程實踐結合極為緊密，因此在塑料成型工藝與模具課程的實踐教學中適當引入PBL（Project based Learning，工程項目學習）實踐教學模式，通過設置小型模具全研發項目，指導學生分組完成模芯設計、關鍵零部件加工、精整、拋光、裝配、試模、修模和注塑成型等8個教學環節，提高學生的實踐能力。

關鍵詞 精品課程；實踐教學；PBL模式；塑料模具

中圖分類號：G642.44 文獻標識碼：B 文章編號：1671-489X（2013）03-0154-04

Research on Project-based Teaching of Fine-designed Course Plastic Injection Process and Mould based on PBL//Liang Xiong， Wu Xiaoyu， Peng Taijiang， Huang Guijian

Abstract Plastic Injection Process and Mould is a core specialized course for the student majoring in Machine Design， Manufacturing and Automation. The course is closely connected with the engineering practice， so that PBL teaching model is introduced in the teaching of Plastic Injection Process and Mould. Through the design of small-scale projects， students are instructed to achieve the following the eight teaching steps including mold core design， key components manufacture， finished machining， polishing， assembling， mould testing， mould modifying， mould injection and as a result students practical ability is improved.

Key words fine-designed course； practice teaching； PBL model； plastic mould

1 引言

塑料成型工藝與模具精品課程在2009年被廣東省教育廳確定為省級精品課程予以資助建設，課程的開課對象是有志于從事模具設計與制造的機械學科高年級本科生。該課程綜合性、實踐性非常強，通過設置小型模具全研發項目，指導學生分組完成模芯設計、關鍵零部件加工、精整、拋光、裝配、試模、修模和注塑成型等8個教學環節來提高學生的實踐能力。為此，提出根據專業技術領域和職業崗位（群）的任職要求，參照相關的模具工程師職業資格標準，改革課程體系，增加實踐教學內容，建立突出職業能力培養的課程體系標準，規范課程教學的基本要求[1-2]。

傳統的塑料成型工藝與模具課程期末總評成績的取得主要有兩種方式：試卷考試和課程設計。試卷考試只是對一些課程知識點的筆試，缺乏實踐部分，而課程設計方式雖然被證明是一種相對較好的綜合訓練方式，但很多高校由于缺乏相應的實踐教學硬件和軟件環境，而最終也只囿于完成模具圖紙的設計，沒有或者很少涉及模具加工制造以后的實踐教學環節。傳統模具課程培養出來的學生實踐能力較差，難以適應于現代模具企業的需要。更為嚴重的是，目前高校青年教師也是從這樣的本科和研究生傳統教育體系中逐步過來的，他們之中的許多人畢業之后又沒有經過模具企業技術工作的磨練而直接走向模具教學一線，造成極其嚴重的木桶效應[3-5]。

目前國內有些高校已經認識到實踐教學的重要性，在塑料模具實踐教學內容中加入一些典型透明模具模型的拆裝實驗，這使得學生對一些典型的模具結構有了較為粗淺的認識，對于實踐教學效果有一定的改善，但沒有從本質上解決問題。對于模具制造工藝教學內容，有條件的高校雖然開設了模具型面的數控實踐教學內容，但往往使用的是亞克力、ABS等硬塑性材料進行模芯的演示性加工，并沒有涉及后續的精整、拋光、裝配和注塑成型等實踐性強的環節。

對于塑料成型工藝與模具這類實踐性很強的專業課程，高校教育工作者應該改變以往傳統的教育思想，重新探索更加合理、完善的實踐教學模式，讓實踐教學與工程實際緊密結合起來，這樣才能培養出適合時代要求的高素質工程技術人才。基于這種理念，提出并且實施基于PBL模式的實踐教學，要求學生以模具項目為中心，邊干邊學，完成模具設計、關鍵零件的加工、精整與拋光、裝配和注塑成型教學實踐環節。

2 基于PBL模式的實踐教學

基于工程項目的學習（Project based Learning，PBL）模式，是以學習/研究某種或多種學科的概念和原理為中心，在真實世界中借助多種資源開展探究活動，并在一定時間內解決一系列相互關聯問題的一種教學/學習模式[1，5-7]。

2.1 工程項目教學模式構成要素

基于工程項目的學習實踐模式主要由內容、活動、情境、結果四大要素構成。

1）內容：學科的核心觀念和原理。PBL模式的主要學習內容是在現實生活和真實情境中表現出來的各種復雜的、非預測性的、多學科知識交叉的問題。這種內容的定位體現了當今教育教學改革發展的價值取向，因為它使得師生集中精力，對學科知識核心概念和觀點進行深度學習和研究。

2）活動：生動有效的學習策略。PBL模式的活動主要是指學生采用一定的技術工具和一定的研究方法對問題求解所采取的探究行動。通常開展這種活動的順序是：①給學生一個非常具體的工程實踐問題；②學生通過自主學習和各種途徑搜尋資料，如實地調查研究、上網搜索、去工廠實地調研等；③對所掌握的工程知識和資料進行相應的處理、加工并生成一定的信息，從而找到解決工程實踐問題的最優答案。

3）情境：特殊的學習環境。PBL模式注重促進學生之間的合作學習，同時也支持學生的差異化學習。PBL模式中的情境作用定位主要表現在：①促進個人與個人之間以及個人和團體間的分工合作；②鼓勵學生使用并掌握技術工具。

4）結果：豐富的學習成果。PBL實踐模式強調促進學生掌握豐富的工程技能并將這些技能運用于終身學習中。其成果主要包括：①運用知識的技能和策略；②特定的技能、計劃/部署、態度以及成功開展工作的信念。

2.2 PBL實踐教學模式操作流程

PBL模式強調的是以學生為中心，強調項目小組合作學習，要求學生解決工程中的實際性問題。通常，其操作流程分為“擬定/選定項目—制定計劃—活動探究—完成工程項目—成果交流—自我/活動評價”等6個步驟[2-3，5]。

教研組拋棄了傳統教學只著重于模具結構設計的思路，改用基于PBL的實踐型教學模式。學生在這一過程中依據項目的進度來變換自身的角色，既可充當工程師進行模具結構的詳細設計，又可以作為操作工完成模具關鍵零部件的加工，最后作為鉗工完成模具的精整與拋光、裝配、修模與試模。邊干邊學、實際動手，完成全過程實踐訓練。

這種實踐性的教學模式，需要仿真模具企業的運作模式，不但要求學生嚴格按照規范完成塑件與模具的設計，還需按照進度將模具加工制造出來，并且最終進行注塑成型以獲得合格的塑件成品。因此，這種教學模式實施起來不管是對學生或是教師，有相當的難度，一般來說模具成本較高。就單拿工作周期來考慮，一套中等復雜程度的注塑模具即使由具有相當經驗的專業廠家來加工制造，其交貨期也需要一個月左右。教研組全部按照模具企業的流程來組織實踐教學是不太現實的，需要在模具結構和企業流程上大量簡化，但簡化原則是在有限的課時內，使得學生學會模具設計制造的基本知識和操作實踐技能，課堂學時需大量壓縮，同時還需占用學生一部分課外時間進行加工制造。以往以知識傳遞和灌輸為主的教學模式，學生的學習興趣和創造靈感受到壓抑，所以也完全有必要進行壓縮——僅有針對性地講授最基本的內容，而其余相對次要的課程內容交由學生自學，同時在實踐環節中互動解決，帶著問題向課本、向技術資料、向他人學習，進而提升學生的學習實踐能力。

教研組將塑料成型工藝與模具的實踐教學內容分解為6個部分，下面詳細討論其體系。

1）塑料制品。了解熱塑性材料和熱固性材料的共性規律，重點學習掌握常用塑料材質ABS、PC、PP、POM、PVC等的使用性能、注塑成型熔化溫度和合理熱變形溫度范圍。掌握塑料制品結構工藝性要點，重點學習分型面、脫模斜度、壁厚等基本設計參數。課后隨即要求學生以兩人組成一個項目小組，選擇不同的小型塑件進行3D設計，各向尺寸不能超出事先規定的范圍以配合定制模架的規格，常選用的塑件如塑料瓶蓋、打火機機頭、鍵盤按鍵和小扣件等。

2）模具基本結構。學習二板式和三板式模具基本結構、各零部件中英文名稱和功能，教學項目限定為二板式模具，因此需要重點掌握。在掌握基本模具結構的基礎上學習不同類型的模具，重點是講解常見的斜導柱側抽芯結構、斜推桿側抽芯結構和高光無痕注塑模具；簡要講解帶拆卸螺紋抽芯結構的模具、定模設有脫模機構的模具、帶熱流道系統的模具、疊層模具、雙色模具和氣體輔助成型模具等。為了配合實踐教學，教研組自制一批不同類型結構的透明模具，這一教學過程結合透明模具模型拆裝實驗互動進行；澆注系統重點講解常用的流道形式、Z形冷料穴和側澆口，對于其他的形式只作一般性介紹。課下學生展開模芯毛坯的加工，每個項目小組各自進行動定模芯六面銑削加工（開坯料）以及緊固螺釘孔的預鉆孔與攻絲，其中定模芯需要完成澆口套安裝孔的鉆削，而動模芯需要考慮課程項目設計塑件所需要安放頂針的數量和位置，完成頂針孔和拉料桿孔的鉆削。

3）動定模芯結構設計。使用三維CAD軟件互動進行，不同的軟件工作思路基本一致，教研組所使用的是SolidWorks2003教育版軟件，學生在計算機輔助設計類的課程中已學會該軟件的基本使用功能，在本課程中學生需要重點掌握曲面操作功能，并且根據之前所設計的3D塑件設定其收縮率、動定模型腔曲面的抽取、缺口封閉、各曲面實體縫合成整張曲面實體等操作，最后通過曲面截切六面體模芯毛坯而分別得到動定模型腔，完成模芯3D設計。

4）模具材料和制造。講授常用的模具材料，學生需掌握國內外常用的模具鋼型號，簡要了解動定模型的制造工藝編排，制造工藝的學習重點是數控加工和電火花加工。學生在實訓教師的指導下，針對各自項目的動定模芯特點，使用UG、MasterCAM等后處理軟件生成G代碼進行數控加工。

對于電火花加工則需要學生掌握電極設計基本方法和放電工作原理，由于電火花加工工時長，大多數項目小組應盡量避免后續出現電火花加工，個別項目小組出現較短工時的電火花是允許的，此時可以集中所有學生進行現場觀摩學習。

5）表面精整與拋光、模具裝配。采用現場互動教學，教師先示范，而后學生操作，這一過程時間較長，該階段的學習主要在課后進行。大多數項目小組的模芯沒有經過電火花放電加工，可先使用金剛石銼刀和纖維油石對其進行型面整形，然后用銅條加研磨膏研磨。如加工表面較粗糙，可先用W40鉆石研磨膏進行研磨，接下來用竹片工具頭或棉簽加W28、W14、W7鉆石研磨膏依牌號次序進行拋光，就可達到Ra0.06左右的粗糙度；如有必要，可再用木片工具頭加W7、W3.5鉆石研磨膏依牌號次序進行兩次拋光即可達到Ra0.012等級。研磨時加少量煤油使研磨膏成漿糊狀，拋光效果會更好。

更換研磨膏時，必須反復向學生強調，每次研磨完后，必須將工具清洗干凈，不能殘留有上次的研磨膏，銅條和竹片必須銼削干凈，每級研磨膏需配有專用的木片或棉簽，否則達不到預定的粗糙度而導致返工重做。

6）注塑機操作與注塑成型。項目進行到這一階段，各項目小組之間的進展有較大的差距，以最早完成加工和模具裝配的項目小組為例，進行注塑機操作與注塑成型的互動式現場教學。首次注塑出的塑件在大多數情況下會出現缺陷，此時需授課教師有針對性地與學生討論缺陷出現的原因和改進方案，之后學生會根據討論結果進行一定程度的修模，直至注塑出合格的塑件，后續的項目小組可由先前完成項目任務的學生進行指導而推進實踐教學。

教學實踐表明，在PBL模式指導下的教學實踐對促進課程建設起到十分明顯的作用。近年來培養的學生在三維軟件使用、模具設計和加工制造方面的能力有了明顯提高，大大提升了塑料成型工藝與模具課程的實踐教學質量。

3 實踐教學的具體實施方案及成本預算

普通注塑模具加工難度大、成本高、交貨周期長，成本動輒在數萬元。而塑料成型工藝與模具課程總學時為60課時，如果按照每個項目組2名學生制作一套普遍模具，其工作量和成本是難以應付的，在技術水平也難以達到要求。為使得教學實踐活動順利開展，教研組專門購置并改造一臺8噸直壓式微型注塑機，可以成型9克以內的小型塑件。教研組自行研制一套二板式可快速更換模芯的通用型注塑模架，該套模架已獲得國家發明專利授權（一種通用注塑模架，專利批準號為ZL200710077046.3），其特征之一是在頂針固定板上開設有蜂巢式的數排密集細圓通孔，可根據不同的塑件產品非常方便地調整頂針數量和位置，對于規格尺寸相近的塑件更換動定模芯、膠位鑲件、頂針和澆口套等零件后可共享同一規格模架。教研組根據上述專利加工5套同樣尺寸規格的二板式微型模架，其尺寸比目前常用最小規格的龍記模架1515CI還小，其型號被命名為深圳大學通用注塑模架SZU-QMB-1010-CI，其動定模板已預先開框，可嵌入的動定模芯尺寸在60mm×60mm×25mm以內。

模芯采用普通的鋁合金材料，鋁合金材質可保證數千次的成型周期，可以滿足實踐教學的要求。此外，鋁合金切削性能好，加工速度快、重量輕，價格便宜，大約為30元/公斤。其他零件價格：澆口套約5元/只，細頂針約1元/支。所有的加工利用學校工程訓練中心的設備，不計入成本。因此，每個項目小組的材料總成本能控制在百元以內，日常教學經費是完全承擔得起的。

在選擇和設計塑件時，應避免設計帶有側抽芯、鑲件等較復雜結構的模具，解決辦法就是對塑件的局部進行適當簡化處理，這樣做可以降低加工難度、縮短工時、降低成本。由于采用定制的二板式SZU-QMB-1010-CI型模架，其體積小、重量輕，項目組的兩位學生可通過手工操作快速安全地完成模具安裝和調試，最后進行注塑成型。雖然塑件和模具結構相對較為簡單粗糙，但對于PBL實踐教學而言，是一個綜合、完整和富有成就感的實踐過程，也很好解決了長期困擾教研組的實踐教學難題。

4 提高學生的綜合素質

基于塑料模具全研發過程的實踐教學模式改變了以往“教師滿堂灌，學生被動學”的落后模式，在教學中，對教師的要求也更高了。教師需要根據每個項目小組工作進展的情況進行指導，出現共性問題時，可以集中所有學生進行講解；出現個性化問題時，與項目組學生討論解決問題的各種方法，并選出最優解決方案。在組織教學時，可適時結合最新技術參考資料來介紹本行業最新的技術進展，更為重點的是要使學生進行自主學習和主動提高其動手實踐能力。

提高學生的創新實踐能力，放手讓學生自主進行學習，最能激發學生的創新意識和潛能。在全研發過程的實踐教學模式剛開始實施時，學生有些不知所措，此時需要教師進行引導和啟發，但是隨著學習的展開和深入，以往所學的基礎知識也得以加強鞏固。例如，對于零件圖上孔間距尺寸的標注，工程制圖這門課上有不同的標注方案，學生以往覺得只要標注清楚即可，沒有從加工方便性這個角度出發來考慮問題；現在由于要自己加工模具零件，加工過程需要在機床上使用打表定位，如果標注不恰當，就需要進行換算，極易出現差錯，就需要重新改進圖紙標注方法。從實踐教學的角度來說，這樣的反復有利于鞏固學過的基礎知識。又如，以往曾有過學生在沉頭孔上攻絲，這充分說明傳統實踐教學模式的不完善，與實際項目結合動手實操的機會太少。在模芯上加工不同規格的螺紋孔時需事前進行何種規格的預鉆孔，這樣簡單而具體的問題都需要在具體的實踐過程中得到訓練。在指導學生完成項目時，教師要和學生形成良性互動，既不能操之過急，一味追求進度而忽視質量，又不能放手不管，任其自由發展，在教學實踐中要注意和學生一起反復溝通。

本課程以課程設計作為學生取得成績的方法，是基于PBL模式的全新考核方法。教研組改革了傳統的教學成績評定機制，無期末理論考試，總成績由學生的工程項目成績（占40%）+模具實物成績（占30%）+工程項目研究報告成績（占30%）三部分構成。其中工程項目成績在課程結束后，由項目小組學生的自評成績與互評成績構成，任課教師有一票否決權。模具實物成績由模具加工、裝配、精整與拋光、試模等幾部分成績構成，此部分成績由實訓教師來評定。工程項目研究報告成績由任課教師根據每位學生的研究報告來評定。在項目中成績表現突出的學生有更多的機會參與到教研組教師的各類縱向或橫向課題的研究梯隊[1-2]。

項目完成后每組學生需要提交的資料包括：1）模具設計文件電子檔（3D裝配和零件）；2）模具裝配圖紙和動定模芯零件圖紙；3）動定模芯、澆口套、頂針和拉料桿；4）獲得的合格塑件樣品；5）試模問題報告；6）塑件質量檢測報告。

5 結束語

基于PBL模式的實踐教學不僅為學生創造了自主學習機會，讓學生在動手實踐中樹立了信心，真正掌握了實際工作方法，培養了濃厚的專業興趣，而且有利于培養學生的創新能力、自學能力、動手實踐能力和團隊協作精神。在此種實踐教學模式中最根本的問題是要同時兼顧實戰性和可操作性，實戰性保證項目在實施過程中學生能得到實實在在的訓練，而可操作性則需保證項目能在規定的教學周期內以可以接受的成本較高質量地完成教學任務，兩者不可偏廢[6-7]。

參考文獻

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