基于新工科塑料成型工藝與模具設計課程教改探索與實踐＊

張俊喜，郭小汝，楊 帆，秦牧嵐

（蘭州工業學院材料工程學院，甘肅 蘭州 730050）

隨著新工業革命的快速發展，工科專業迎來了機遇，但也面臨著嚴峻的挑戰[1]。“新工科”建設對我國推動創新驅動發展，實現“一帶一路”倡議、“互聯網+”戰略等具有重大意義[2-3]。新時期的工科建設思想和行動綱領明確強調要繼續堅持立德樹人，強化廣大工科生工程倫理意識等，著力培養“精益求精，追求卓越”的工匠精神[4]。為適應新工科建設的要求，蘭州工業學院正在全面推進教學改革。本文以材料成型及控制工程專業的主干課塑料成型工藝與模具設計作為案例，在建設中優化知識體系、豐富教學方法、加強實踐環節、實行多元化考核、提升師資力量等方面開展了科學的探索與實踐，構成“學、練、賽、創、研”五位一體的教育體系，收到良好的效果。

1 優化知識體系 創新教學內容

1.1 引入新材料、新工藝、新技術

塑料成型工藝與模具設計課程作為材料成型及控制工程專業教育課，主要完成塑料的組成、分類及成型特性，塑件的結構、形狀、尺寸等工藝設計，塑料模具與成型設備的相互匹配關系，塑件成型工藝及模具設計等知識的傳授。隨著科技的發展，各行各業新理念、新技術不斷涌現，傳統教材上的部分內容完全不符合新工科背景下創新人才的培養。因此，授課教師通過形式多樣的現代化教學手段獲取新知識（最新研究成果、新技術、新工藝），及時修改課件以充實現有教材，構建塑料成型工藝與模具設計的新知識體系。例如：講解常用塑料及應用時，引入仿瓷餐具，即密胺餐具，同現實生活中的新產品、新材料聯系；講解模具溫度調節系統時，引入隨形水路，與3D技術緊密結合；在拓展新技術和新工藝時，除了教材所提內容外，引入高光無痕注塑技術及模具結構、高效疊層模具及成型技術、多層塑料吹塑模具及設備、多色共注射技術、異型材的生產線及高速擠出模具等[5]。

1.2 引入思政元素

按照“辦好中國特色社會主義大學，要堅持立德樹人，把培育和踐行社會主義核心價值觀融入教書育人全過程”的根本要求[6]，將基本知識與“課程思政”相結合，從材料、工藝、模具、制造等方面深入挖掘思政元素，在教學過程中引領學生樹立正確的價值觀，強化職業道德及工匠精神等[7]。以“玩具獎杯”設計為例，從塑件結構與形狀工藝分析，比較分析不同成型方案的優缺點和適應性，到型芯、型腔零件的成型尺寸計算，模具基本結構設計，分型面、澆注系統、推出結構選擇，抽芯距離的理論計算及最終尺寸、強度校核等內容，均需要反復修改和不斷優化，最終達到最佳效果，在整個模具設計過程中強化精益求精和勇于創新，培養了學生的工匠精神。

1.3 引入創新創業

加強創新創業教育內容，根據各種學科競賽要求，教學團隊教師討論優選學科競賽的優秀成果，從專業角度整體進行教學設計，確定本課程實施方案，不斷更新教案和PPT課件，落實創新創業教育。例如，選擇往屆學生3D大賽中塑料模具設計獲獎作品作為典型案例，進行任務分解，結合基本理論進行講解介紹，激發學生學習興趣，提高創新創業能力。

2 豐富教學方法 增強教學效果

隨著信息技術的發展，完全改變了人們的生活及行為方式。傳統教師講授為主的課堂教學，學生被動聽講，強迫做一些簡單筆記，或用手機拍照記錄，枯燥的課堂氣氛使學生很難集中注意力，也很難培養創新能力，使教學效果不佳。因此，不斷探索及改進教學模式，基于工程認證理念，加強“以學生為中心”的混合式教學模式，根據新時代大學生特征及信息技術應用現狀，采用線上、線下混合式、啟發式、項目式、討論式、提問式等多種教學手段，促進教學效果。例如：課堂授課之前借助大學慕課資源，以積分制強制學生課前的線上學習；針對每個模塊重要知識點，錄制成視頻，發布在學習通中，方便學生隨時學習和討論，并且在學習通中發布作業、課件等，引導學生課前學習。統計學生視頻觀看時長、作業完成情況，分析每位學生的具體學習情況，及時采取補救措施，如課內針對性地提問、討論等，促進后進生的學習效果。學生課外可借助多媒體課件、動畫及生產現場視頻等資源進行基本知識點的學習，而課內采用翻轉課堂，即訓練學生演講能力，活躍課堂氣氛，提高學習效果。另外，一些基本知識講解完成后，可以進行學生提問教師解答、教師點名提問、隨堂小測驗等形式進行教學效果反饋。

3 強化實踐環節 提高動手能力

3.1 開設三性實驗

根據建設地方性應用型本科的要求，學校加強校內實驗室基地的建設，2019年為材料成型及控制工程專業投入180萬，補充建設塑料成型實驗室、3D打印實驗室等。在材控18級人才培養方案中增加了實踐課時。本課程也設置了6學時實驗，并且傳統演示性實驗改為三性實驗（即：設計性、創新性、綜合性）。例如：模具拆裝實驗室現有四十多付透明模具和生產模具，各類工具和量具。學生分組，團隊合作，創新設計實驗實施方案，在現場動手操作完成模具拆裝和測繪，通過自評、互評、點評，獲得成績，并培養工程素養；數字化設計實驗室繪制2D和3D塑件、零部件、模具裝配圖、爆炸圖，使學生掌握塑料模具的設計流程及軟件應用能力，并結合學科競賽，創新設計且繪制出模具裝配三維圖、動作分解圖以及制作短視頻；借助3D打印實驗室的各種設備，打印ABS實體模具，驗證設計的正確性，課外進一步優化創新設計，最終成果作為創新創業等比賽產品，提高創新能力。塑料成型實驗室學生可進行生產、工藝、設備、模具等環節實驗及實訓，旨在體驗塑件的成型全過程，使學生將理論知識與企業生產相結合，掌握模具結構、注射成型原理及工藝流程。

3.2 校企合作

目前，已經建設了以蘭石集團為主的多個校外實習基地。在這一實踐環節中，學生通過與生產現場人員交流，進一步掌握塑料模具設計中應該考慮的主要問題，了解生產企業的先進理念及設計手段，當今主要采用哪些CAD/CAE/CAM等軟件。在模具加工、裝配、試模車間，通過企業技術人員講解生產工藝圖紙、模具生產工藝規程制定原則、工藝流程圖、模具實物、先進加工技術與設備等，使學生全面熟悉從設計到制造的整個模具生產過程。同時，學生身臨其境，體驗生產，增強工程意識。此外，學生通過車間各種公告欄，以及企業人員的講解，較全面地認識了生產企業的生產與管理模式、塑件的成型工藝及模具行業情況等。

3.3 學科競賽和大創項目驅動

基于成果導向的工程教育理念，蘭州工業學院加強建設每個專業的實踐環節。根據新修訂大綱，教學團隊編寫了《塑料成型工藝與模具設計指導書》，用于各種實踐教學。本指導書第一部分介紹了單分型面、雙分型面、斜導柱側向抽芯三種模具設計的內容、方法和步驟，并把往屆高水平學科競賽獲獎作品作為典型案例；第二部分介紹了最新相關國家標準，同時介紹了新工藝、新技術，以及在創新創業大賽中應用案例；第三部分介紹了設計選題，并強調選題必須同各種學科競賽、科研項目相結合，并及時更新。本環節具體教學過程如圖1所示。以項目為載體，分解任務，分組初步完成設計和實物的制作，優選優秀作品參與學科競賽，或大創項目申報，實現賽教融合，促進教學改革。在各種實踐活動中“以學生為中心”，在指導教師的引導下，學生自主完成項目任務，訓練動手能力，學生不斷發現和解決實際問題，培養創新能力，并在工程教育中融入文化素養，提高道德覺悟。

圖1 項目驅動課程設計過程

4 多元考核方式

改變期末卷面成績為主的考核方式，課程建設中加強了過程考核，形成多元化考核評價體系，如表1所示。其中課堂表現由學習態度、互動效果、提問回答課堂研討等構成；綜合作業是布置開放式題目，學生課外完成的設計，相似于簡化的課程設計，根據完成質量，以及比賽獲獎級別、大創立項級別、撰寫論文情況給分；實驗成績包括出勤與紀律，預習情況，設備操作水平及規范性，實驗報告質量等方面進行考核。期末考試出題前，首先根據教學大綱制定命題計劃，確定每個知識點所占分值，以及考核方式，降低客觀題的比例（≤30%），把部分知識點綜合起來，通過沒有確定答案的主觀題來考察，給學生更多答題思路，增強知識應用能力。如提供一個塑件圖，要求塑件結構分析，修改結構中的不合理部分，然后，根據改進后的新結構塑件完成分型面及成型零件設計等內容。

表1 課程考核項目及建議比例

5 提升師資力量 強化雙師型

新工科建設背景下，學校加強師資隊伍建設。據調查，材料成型及控制工程專業的大多數新進年輕教師，從本科到博士畢業所學專業一般為材料科學與工程，也缺乏在企業從事相關工作的經驗，對多學科交叉課程的難點重點把握不準，課堂控制力低等等。因此，針對具體問題，堅持以需求為導向，對新引進年輕教師進行循環培訓，如崗前培訓，相關知識培訓，有經驗專業老教授導師帶助教制，定期走進企業參與生產實踐鍛煉等。同時，學院對全職教師進行實踐能力、創新能力培訓。聯系新采購設備廠商進校分層次多級培訓，第一階段訓練教師設備操作能力；第二階段教師與廠商技術人員共同解決設備運作中出現的問題；第三階段培訓設備日常維護、檢修能力，并開展創新實踐教學，不斷提升教學團隊的實踐水平。例如，2020年，塑料成型工藝與模具設計教學團隊中，本課主講教師獲得“一級/高級技師”，另外二人獲得“二級/技師”，三人順利晉升為“雙師雙能型”教師。

6 實踐效果明顯 成果豐富 單位滿意

通過實踐，比較近三年材控專業16級、17級、18級學生塑料成型工藝與模具設計課程綜合成績，如圖2所示。由圖2可以看出，16級良好占26.6%，優秀占2.22%；17級良好占36.73%，優秀占4.08%；18級良好占51.16%，優秀為27.91%；這表明學生平均綜合成績逐年提高，良好和優秀學生比例增多。其主要原因是材控18級學生的塑料模具課程設計項目作品，在學科競賽獲得6項省級二等獎以上，4人創新創業訓練項目，2人專利授權，2人發表論文。根據多元化考核方式，上述同學均給以加分，使18級的成績顯著提升。據用人單位、有關高校的研究生導師反饋，材料成型及控制工程專業畢業生具有良好的綜合素質、較強的動手能力，滿意度較高。

圖2 學生成績分布和平均分（a）2016級；（b）2017級；（c）2018級；（d）平均成績