基于“五結合”法的激光加工工程訓練項目的教學設計

楊林豐， 曹雪璐， 宋珂

(華南理工大學 機械與汽車工程學院，廣東 廣州 510641)

0 引言

工程訓練是在原有以機械制造為主的金工實習課程基礎上逐步發展起來的一門綜合性實踐課，主要涵蓋傳統機加工、數控加工、特種加工、熱加工、機電控制、機器人等方面的實踐教學內容，課程體系相對完善[1-2]，對學生工程素養的培養起到了積極作用。其中基礎工程訓練環節是面向全校工科專業學生開展的公共基礎課，在教學過程中主要通過項目教學的方式完成對學生基本技能和相關理論的實訓。項目教學質量的高低，在一定程度上決定工程訓練教學的質量[3]。因此，如何在實訓中完成對項目訓練內容的設計和優化，是工程訓練建設的重要內容。本文以激光加工訓練項目為例，依據我校工程訓練課程的項目訓練教學要求，并結合當前新工科教學的要求，對該項目的課程教學進行了探索。

1 激光加工技術簡介

激光是20世紀人類最重大的發明之一，其利用激光器產生的高能量密度激光束與物體的熱效應實現對材料的加工。與傳統加工技術比較，激光技術在加工精度、加工質量、加工效率方面具有獨特的優勢[4-5]，廣泛應用于激光切割、激光焊接、激光打孔、激光退火等制造行業，發展前景廣闊。

當前，國內許多高校在工程訓練課程中開設了激光加工訓練項目，有助于學生系統學習激光的理論知識、掌握激光加工的基本工藝及操作技能，對于激發學生對激光技術的學習興趣，提高工程實踐能力具有重要意義[6]。

2 激光加工教學的現狀

1)訓練設備種類多，同種設備數量少

激光加工中常用的教學設備有激光打標、激光內雕、激光切割、激光焊接等。為了豐富激光技術的實踐內容，拓展學生的認知，高校通常購置多種不同種類的設備，但同種設備購置的數量少，容易在實踐中出現同種設備等待時間過長，學生無事可做的情況。同時，多種不同的設備，也給教學過程設計帶來不便。

2)學生專業基礎差異大，作品設計能力有限

激光加工訓練的重要環節就是作品設計，要求學生具有平面、三維圖形的設計基礎，譬如Photoshop、CAD軟件等。由于學生專業基礎差異大，大部分專業不具備軟件操作能力，工程訓練課程特別是激光加工訓練項目本身在時間上也難以提供專門軟件的培訓時間，這會降低學生學習的興趣，限制學生設計思維的發揮。

3)過于強調技能訓練，基礎理論重視不夠

工程訓練是理論與實踐相結合的過程，現有的教學側重于強化學生實踐技能的訓練，課程重點放在設備結構及其操作能力的培養，而忽略理論教學要為實踐教學服務的基本教學思路，造成學生專業知識的不足，影響對設備功能的全面認識，對加工過程中出現的一些物理現象缺乏必要的分析能力，限制了對學生工程能力的培養。

3 “五結合”法的教學模式引入

“五結合”法的教學模式即課內與課外相結合、理論與實踐相結合、網絡與課堂相結合、集中授課與自主學習相結合、任務驅動與自主選擇相結合的教學模式。其目的在于提供充分的教學資源，營造良好的教學環境，為學生的實踐過程提供全程引導，充分調動學生的學習興趣。

首先，學生在課前通過預習、相關素材準備，為課堂學習做好準備，在一定程度上延長該項目的學習時間，實現課內與課外相結合；其次，通過網絡“微課”、課堂教學，在教學過程中，可以最大限度為學生提供學習引導，有助于節約時間，提高效率；然后，對重點內容、特別是激光理論方面采用集中授課的方式，對作品設計的具體步驟、方法，采用在計算機上觀看視頻、講義的方式自主學習完成，達到邊學習邊設計的效果；最后，將激光打標作品設計與制作規定為必修任務，激光內雕與切割為選修任務，學生可以根據自身能力水平在完成激光打標任務的同時，通過教學指引嘗試自主設計相關作品進行內雕或者切割加工，充實實踐過程。

4 激光加工教學的優化設計

4.1 教學條件

工程訓練中心現有3種加工設備，包括金屬激光打標機2臺，金屬激光切割機1臺，激光內雕機1臺，計算機24臺。提供教學耗材有打標用金屬名片0.2mm×86mm×54mm，內雕用水晶塊50mm×80mm×50mm，切割用1mm厚度不銹鋼。要求學生在實踐過程中根據所提供材料完成圖形設計(處理)、獨立操作設備完成零件加工，每臺設備均提供詳細的操作說明。

4.2 教學思路

訓練項目的重點為激光技術原理與激光打標，激光切割與激光內雕為學生選做項目。將教學內容模塊化，采用逐層推進的模式，在保障學生對基礎理論學理解和掌握的基礎上，可以在有限的時間內，根據自己的能力水平完成實踐學習任務，保證教學過程的順利進行。通過學習，要求學生達到如下目標：

1)掌握激光產生的基本原理和激光器的基本組成及工作過程；

2)了解激光技術在現代工業中的應用狀況；

3)掌握激光打標機的工作原理，熟悉激光打標的工藝過程；

4)了解激光打標作品的設計要求，掌握激光打標機的操作基本步驟；

5)了解激光切割機/內雕機的基本結構，熟悉激光切割機/內雕機的操作步驟。

4.3 教學過程設計

根據實訓教學安排，在激光加工教學學時1d共7h內，將教學內容劃分為10個模塊(表1)，部分模塊內容可以以時間交叉的方式完成，提高時間的有效性。首先要求學生在課前預習，完成預習報告，達到對所學的實習項目初步了解，并鼓勵學生準備實踐操作所需的圖片或者繪制CAD圖形，做好課前準備。其次，在上午4個學時中，以激光原理、激光打標作品設計模塊為主，并進行激光切割原理與操作的講解。在下午3個學時，學生可以在激光打標實踐模塊排隊等候時，交叉進行激光切割CAD圖形設計與加工，并通過激光內雕模塊的講解演示，鼓勵有興趣的學生直接利用準備好的圖片完成點云化處理，進行激光內雕。此外，上述3種作品設計均有案例引導，學生可以自主利用空閑時間進行設計。學生設計部分作品如圖1所示。

圖1 學生激光加工作品

表1 激光加工實踐教學內容和學時分配計劃

5 教學效果

1)優化教學過程，強化實踐能力

將教學內容按知識點和設備情況劃分，每一個學習階段劃分以一個“模塊”，呈現“理論+實踐，再理論，再實踐……”循序漸進的學習過程，強化理論與實踐的結合，引導學生用理性的思維去開展實踐，實現由單一技能的訓練轉向實踐能力培養和轉化。

2)拓展教學資源，減少授課時間

充分利用網絡“微課”或在計算機上提供“教學案例”視頻、教學講義等方式，為學生提供自主學習資源。采用集中授課與自主學習相結合的模式，減少老師授課時間，老師主要講授重點知識點，其余時間學生通過教學資源學習相關內容，特別是在作品設計方面提供輔導，并對學生個體差異起到補充作用，提高學習效率。

3)發揮學生主觀能動性，體驗真實實踐過程

在實踐過程中以任務的方式要求學生獨立完成任務，對所設計圖形只提出設計要點，不做具體要求，允許學生根據自己能力、愛好進行設計，發揮其主動性。在使用設備加工過程中，加工參數可以在允許范圍內自主設置，并對加工效果分析，以體驗真實的實踐過程，使學生對激光加工整個工藝過程有一個了解。這樣不僅鍛煉學生的操作能力，同時融入“思考”元素，提升工程素養。

4)任務交叉進行，提高課堂教學效率

在設備數量有限的前提下，如只采用一項實踐任務全部完成再進行下一個任務的順序操作方法，不僅浪費學習時間，同時無法保證所有學生在規定教學時間內完成任務，而通過在同一時間所有設備全部面向學生開放的方式，學生分別輪流在不同設備上進行操作，可以減少學生等待時間，提高課堂教學效率。

6 結語

工程訓練課程訓練項目的內容設計對實踐效果具有重要的影響。在激光加工工程實踐中，采用“五結合”法的教學模式開展實踐，是對新形勢下教學資源的優化整合，進一步充實了教學內容，優化了教學過程，特別是在教學過程中不同模塊教學交叉進行方式，對提高教學效率，發揮學生主觀能動性起到了積極作用，可以對相關實訓項目的建設起到參考作用。