多層次激光加工實(shí)訓(xùn)教學(xué)改革探索

宋春雨 高明

哈爾濱工程大學(xué) 黑龍江哈爾濱 150001

激光加工是先進(jìn)制造技術(shù)的代表，是激光束高亮度、方向性的技術(shù)運(yùn)用，這項(xiàng)技術(shù)與計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)的融合是我國(guó)信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)技術(shù)。將激光加工技術(shù)融入高校工程實(shí)訓(xùn)教學(xué)中，能夠讓學(xué)生更全面掌握特種加工制造技術(shù)，制造加工工藝過程有利于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力。所以，在工程課程教學(xué)中進(jìn)行激光加工實(shí)訓(xùn)教學(xué)，能夠進(jìn)一步拓寬教學(xué)內(nèi)容的深度、廣度。依據(jù)學(xué)生的專業(yè)特征設(shè)置多層次激光加工實(shí)訓(xùn)課，實(shí)施實(shí)訓(xùn)課程教學(xué)改革是時(shí)代發(fā)展的趨勢(shì)所在。

1 激光加工概述

1.1 激光加工定義

激光加工主要是使用激光束投射至材料表層，通過熱效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)加工，涉及的環(huán)節(jié)很多。用激光束來加工材料，比如切割、劃片等。激光能夠滿足任何材料的加工制造要求，特別是針對(duì)部分對(duì)精度、場(chǎng)合等有一定要求的加工制造工藝發(fā)揮著很大的作用[1]。

1.2 激光加工原理

激光加工是使用高功率、密度的激光束影射需要加工的材料，讓材料發(fā)生熔化、氣化，再穿孔、切割等。部分具備亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)別物質(zhì)，受到外來光子作用，會(huì)吸收大量的光能，讓處在高能級(jí)的原子樹木超過低能級(jí)原子數(shù)目，如果受到一束光照射，光子的能量是高低能原子數(shù)相對(duì)應(yīng)的差，此時(shí)會(huì)出現(xiàn)受激輻射，產(chǎn)生大量的光能[2]。從激光器輸入的激光通過透鏡聚焦至需要加工的材料上，溫度可超過1萬攝氏度，無論是什么材料都能夠瞬時(shí)被熔化、汽化。激光加工也是通過該原理完成材料的各項(xiàng)加工工藝[3]。

1.3 激光加工的特點(diǎn)

激光本身的特性決定了其在加工行業(yè)的優(yōu)勢(shì)，其特點(diǎn)為：一是功率密度大，一旦工件吸收了激光就溫度會(huì)立即升高，直到熔化或者汽化；二是激光頭不和工件接觸，不會(huì)出現(xiàn)工具磨損等方面的問題；三是工件沒有受到應(yīng)力作用，也不會(huì)被污染；四是能夠?qū)崿F(xiàn)處在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或者密封狀態(tài)工件材料的加工；五是激光束發(fā)散角度很小，作用時(shí)間也很短，易控制，使用范圍廣[4]。

2 激光加工實(shí)訓(xùn)教學(xué)現(xiàn)狀

激光加工是運(yùn)用很廣泛的一項(xiàng)新技術(shù)，常見的激光加工技術(shù)包含激光切割、雕刻、打標(biāo)、焊接、打孔等。其中，激光打標(biāo)是經(jīng)過表面物質(zhì)的熔融、汽化等過程，讓深層物質(zhì)露出來，以此進(jìn)行精美圖案、文字的標(biāo)刻。圖1為激光打標(biāo)原理圖。根據(jù)不同的激光器，可以將激光打標(biāo)機(jī)種類劃分成半導(dǎo)體、氣體、光纖等類型的激光打標(biāo)機(jī)。激光焊接也就是非透明物質(zhì)與激光作用產(chǎn)生的效果，該過程的反應(yīng)比較輔助，宏觀上體現(xiàn)為熔化、吸收等。激光內(nèi)雕也就是利用激光聚焦后出現(xiàn)的強(qiáng)激光照射透明材料，出現(xiàn)非線性效應(yīng)，瞬時(shí)吸收大量能量，出現(xiàn)微爆裂，當(dāng)微爆裂點(diǎn)堆積起來后構(gòu)成特定形狀。其基本原理與激光打標(biāo)類似，不同的是激光內(nèi)雕必須要保證光斑能量密度達(dá)到臨界值，才能讓玻璃爆裂[5]。

圖1 激光打標(biāo)原理

這項(xiàng)技術(shù)的學(xué)習(xí)可以豐富學(xué)生的知識(shí)儲(chǔ)備，所以被融入高校工程實(shí)訓(xùn)課程教學(xué)中。但在現(xiàn)在的高校激光加工實(shí)訓(xùn)教學(xué)中還存在以下問題：第一，教學(xué)設(shè)施設(shè)施數(shù)量少，種類單一，基本無法滿足多種激光加工技術(shù)在作品加工中的綜合應(yīng)用，更無法適應(yīng)每名學(xué)生實(shí)踐操作的要求；第二，實(shí)訓(xùn)模式較為單一，即對(duì)于各專業(yè)學(xué)生都只設(shè)置一種課型的實(shí)訓(xùn)教學(xué)，比如激光內(nèi)雕，有些非機(jī)械專業(yè)的學(xué)生甚至缺少參與學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)；第三，實(shí)訓(xùn)內(nèi)容少[6]，因激光加工技術(shù)種類很多，對(duì)于各專業(yè)、學(xué)科的學(xué)生需要實(shí)施多樣化的實(shí)訓(xùn)課程教學(xué)，根據(jù)各專業(yè)學(xué)生間的差異，安排相應(yīng)的實(shí)訓(xùn)內(nèi)容，規(guī)劃好實(shí)訓(xùn)的時(shí)間。但現(xiàn)在高校實(shí)訓(xùn)內(nèi)容很少，并沒有依據(jù)各專業(yè)學(xué)生的實(shí)際特征進(jìn)行實(shí)訓(xùn)內(nèi)容的設(shè)置[7]。

3 多層次激光加工實(shí)訓(xùn)教學(xué)改革探索路徑

3.1 多層次實(shí)訓(xùn)課程教學(xué)目標(biāo)的確定

經(jīng)過激光加工實(shí)訓(xùn)課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以綜合應(yīng)用激光技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)、技術(shù)等，可以依據(jù)材料加工工藝、科學(xué)選取設(shè)施設(shè)備，初步具備激光加工設(shè)備、技術(shù)的應(yīng)用能量；可以在實(shí)訓(xùn)中，與團(tuán)隊(duì)成員高效合作，積極承擔(dān)責(zé)任。主要需要實(shí)現(xiàn)的課程目標(biāo)為：第一，掌握現(xiàn)代計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、制造的基礎(chǔ)知識(shí)、運(yùn)用特征及規(guī)律，了解激光加工技術(shù)設(shè)備的運(yùn)用特征、發(fā)展方向。可以使用CAM軟件做好零件的建模，可以依據(jù)設(shè)備性能、加工要求等科學(xué)選取或者是設(shè)置工藝流程。第二，掌握各種零件的基本加工方式與流程，弄清質(zhì)量、成本、效益間的關(guān)聯(lián)性，初步具備科學(xué)選取零件加工工藝，科學(xué)加工的能力。第三，了解制造工程的社會(huì)價(jià)值即制造技術(shù)的發(fā)展方向。可以獨(dú)立進(jìn)行設(shè)備的操作，具備團(tuán)隊(duì)合作精神，可以用所獲取到的專業(yè)知識(shí)、技術(shù)解決實(shí)際問題[8]。

3.2 多層次實(shí)訓(xùn)課程體系與教學(xué)內(nèi)容

高校教育教學(xué)工作是培養(yǎng)新興工程科技創(chuàng)新人才，這也是高校工程實(shí)訓(xùn)教學(xué)的任務(wù)所在。為此，高校要樹立“創(chuàng)新育人、知行合一”的教學(xué)思想，結(jié)合學(xué)生的專業(yè)、課程要求進(jìn)行課程體系、內(nèi)容的設(shè)計(jì)，建立多層次課程體系。具體如下：一是可以構(gòu)建認(rèn)知型課程體系，通過講述+演示來授課，授課對(duì)象主要是非機(jī)械或機(jī)械大類的學(xué)生，實(shí)訓(xùn)內(nèi)容包含激光技術(shù)類型、原理、特征及運(yùn)用范圍；利用實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，對(duì)各種激光加工設(shè)備的構(gòu)成、配置等加以學(xué)習(xí)；進(jìn)行操作演示等。二是可以構(gòu)建創(chuàng)新制作型課程，通過設(shè)計(jì)+實(shí)操來授課，授課對(duì)象主要是機(jī)械大類的學(xué)生，實(shí)訓(xùn)內(nèi)容包含對(duì)各種激光加工技術(shù)及設(shè)備的基礎(chǔ)知識(shí)進(jìn)行學(xué)習(xí)；了解圖形設(shè)計(jì)軟件，進(jìn)行作品設(shè)計(jì)；掌握激光及該功能設(shè)備操作技術(shù)等；三是可以構(gòu)建拓展型課程，通過設(shè)計(jì)+實(shí)操來授課，授課對(duì)象主要是相關(guān)專業(yè)的學(xué)生，實(shí)訓(xùn)內(nèi)容包含鈑金塑性成型實(shí)訓(xùn)課，綜合應(yīng)用金屬激光雕刻、切割等多項(xiàng)技術(shù)工藝進(jìn)行作品加工制作；依據(jù)創(chuàng)新競(jìng)賽項(xiàng)目，綜合應(yīng)用激光加工等多項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新制作[9]。

在激光加工實(shí)訓(xùn)課程教學(xué)過程中，教師在確定好教學(xué)目標(biāo)、課程體系后，就可以進(jìn)行作品加工演示，激發(fā)學(xué)生探索知識(shí)的欲望，當(dāng)學(xué)生學(xué)習(xí)的欲望被激發(fā)后，學(xué)生就想嘗試自主進(jìn)行作品設(shè)計(jì)。而創(chuàng)新制作型實(shí)訓(xùn)課就是為了讓學(xué)生親自去實(shí)踐，所以課程的重點(diǎn)就是實(shí)訓(xùn)作品的設(shè)置。比較普遍的實(shí)訓(xùn)作品主題為設(shè)計(jì)激光內(nèi)雕工藝品、激光3D成型等，這些創(chuàng)新設(shè)計(jì)都可以提升學(xué)生的機(jī)械設(shè)計(jì)能力、構(gòu)圖能力、實(shí)踐能力。比如學(xué)生在設(shè)計(jì)作品前需要構(gòu)思，構(gòu)思的過程是對(duì)虛擬、實(shí)際物體的創(chuàng)新制作，在設(shè)置尺寸時(shí)，要對(duì)激光燒蝕量的影響進(jìn)行考慮，還要綜合分析各種零件的裝配工藝。如果在裝配過程中出現(xiàn)問題，還要去思考解決問題的方法，而這一過程也是自我反思、總結(jié)、提高的過程[10]。

拓展型實(shí)訓(xùn)課是提高型教學(xué)，其內(nèi)容的設(shè)置要更趨于多樣化。可組織“鈑焊創(chuàng)新制作”項(xiàng)目，經(jīng)過開放性主題的設(shè)置，將金屬鈑材等當(dāng)作材料，通過小組合作設(shè)計(jì)作品，將金屬板材塑性成形與新型的激光切割等多項(xiàng)技術(shù)融合起來，設(shè)計(jì)金屬組合模型。此外，還可以設(shè)置綜合訓(xùn)練項(xiàng)目，綜合應(yīng)用多學(xué)科知識(shí)，理論聯(lián)系實(shí)際，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。比如，在工程綜合訓(xùn)練項(xiàng)目“無碳小車制作”案例中，學(xué)生需要從多學(xué)科角度去思考項(xiàng)目完成的過程。無碳小車實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，從設(shè)計(jì)到制作的整個(gè)過程學(xué)生都要自主參加，親自參與方案的設(shè)計(jì)、小車錄像的計(jì)算、材料的選取、小車裝配等各個(gè)環(huán)節(jié)。學(xué)生應(yīng)用多學(xué)科知識(shí)，做好車架、動(dòng)力等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使用激光切割技術(shù)將小車底座等零件制作出來，還要對(duì)無碳小車進(jìn)行組裝，使無碳小車能夠按照預(yù)定軌跡運(yùn)行。而這一過程都需要建立在學(xué)生知識(shí)的應(yīng)用、分析、實(shí)踐基礎(chǔ)上。經(jīng)過這類實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目訓(xùn)練，學(xué)生對(duì)產(chǎn)品加工制作過程有一個(gè)更清楚的理解，提升了學(xué)生實(shí)踐加工制作的能力和水平。

3.3 多層次實(shí)訓(xùn)課程教學(xué)方法

激光加工實(shí)訓(xùn)課程教學(xué)要堅(jiān)持以學(xué)生為中心，要有效借助現(xiàn)代化的技術(shù)手段，依據(jù)各專業(yè)學(xué)生的不同要求高效實(shí)施教學(xué)。具體如下：第一，針對(duì)認(rèn)知型實(shí)訓(xùn)課教學(xué)，因課時(shí)很短，一般以“講述+演示”的方式來授課。授課要把握學(xué)生的需求及興趣點(diǎn)，使用區(qū)別于傳統(tǒng)單一理論授課的方式。比如，在對(duì)激光加工的技術(shù)類型、特征及運(yùn)用這一內(nèi)容進(jìn)行教學(xué)時(shí)，不能只是進(jìn)行口頭講述或者是用多媒體課件來授課，而要綜合實(shí)訓(xùn)室作品、展板，讓學(xué)生去觀看，直觀了解激光加工的具體運(yùn)用；在講述工藝原理、結(jié)構(gòu)內(nèi)容時(shí)，不只是要結(jié)合設(shè)備，還要讓設(shè)備動(dòng)起來，進(jìn)行設(shè)備演示，讓學(xué)生去觀察加工現(xiàn)象，如激光強(qiáng)度是怎樣的、速度是怎樣的等，并讓學(xué)生在加工任務(wù)完成后提出不理解的問題，教師解答。第二，針對(duì)創(chuàng)新制作型實(shí)訓(xùn)課程，可以通過作品驅(qū)動(dòng)、任務(wù)導(dǎo)向?qū)嵤┙虒W(xué)，將設(shè)計(jì)、操作等綜合起來加以訓(xùn)練。在對(duì)設(shè)備操作內(nèi)容進(jìn)行介紹前，可用到多媒體附加動(dòng)畫教學(xué)法，將工藝原理、加工過程直觀呈現(xiàn)出來。實(shí)訓(xùn)過程要從以教師為主體向以學(xué)生為主體方向轉(zhuǎn)變，要注重師生間的交流互動(dòng)。對(duì)于比較重要的結(jié)構(gòu)原理，教師要多啟發(fā)學(xué)生如何設(shè)計(jì)才可以實(shí)現(xiàn)，才可以更好。加工制作過程中，學(xué)生間要相互學(xué)習(xí)、探究，在實(shí)踐中思考，在思考中理解知識(shí)。當(dāng)然，教師也要適當(dāng)提出啟發(fā)性問題，讓學(xué)生去思考，活躍學(xué)生的思維。第三，拓展實(shí)訓(xùn)課程可以使用CDIO工程教育模式，各個(gè)小組合作，自己選題進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，去感知從構(gòu)思到設(shè)計(jì)、到加工的整個(gè)過程，提升學(xué)生應(yīng)用所學(xué)知識(shí)進(jìn)行加工制作的能力和水平。這類課程的作品主題往往都比較開放，教師在實(shí)踐教學(xué)中要科學(xué)加以引導(dǎo)。比如，對(duì)于競(jìng)賽主題的作品，可以做成教學(xué)卡片的形式，便于學(xué)生觀看選題。在實(shí)訓(xùn)的過程中要重視團(tuán)隊(duì)合作，在考評(píng)時(shí)要從多個(gè)方面、多個(gè)角度著手[11]。

3.4 多層次激光加工實(shí)訓(xùn)模式改革

為了將激光加工實(shí)訓(xùn)教學(xué)的作用最大限度地發(fā)揮出來，應(yīng)將激光加工實(shí)訓(xùn)教學(xué)模式劃分微通識(shí)教育、綜合制作及自主創(chuàng)新幾個(gè)層次，以讓學(xué)生對(duì)激光加工技術(shù)有一個(gè)更全面的理解。

第一，通識(shí)教育層次。通識(shí)教育層次是針對(duì)文理科等非工科專業(yè)學(xué)生，在教學(xué)時(shí)要以操作為主，原理講述為輔。教師要給學(xué)生講述最基本的CAD繪圖方法，讓學(xué)生能夠去制作矢量作品，調(diào)動(dòng)學(xué)生參與學(xué)習(xí)的自主性。在此過程中，可以使用發(fā)散性教學(xué)模式，為學(xué)生創(chuàng)造更多有利的創(chuàng)作條件。

第二，綜合制作層次。該層次是針對(duì)機(jī)械類專業(yè)學(xué)生的，基于通識(shí)教育層次，通過具體的案例引入，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)CAD等繪圖軟件進(jìn)行更為系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，能夠使用拉伸等各種功能構(gòu)建三維模型。另外，要讓學(xué)生能夠熟練繪制圖紙，科學(xué)調(diào)控激光功率、速度等各項(xiàng)參數(shù)，設(shè)計(jì)補(bǔ)償，加工出結(jié)構(gòu)完整的零件設(shè)備。

第三，自主創(chuàng)新層次。該層次是針對(duì)機(jī)械類或非機(jī)械類專業(yè)學(xué)生的。基于綜合制作層次，讓學(xué)生進(jìn)行自主設(shè)計(jì)，完成作品。各專業(yè)設(shè)置了以下授課內(nèi)容：(1)對(duì)于產(chǎn)品設(shè)計(jì)、材料科學(xué)專業(yè)，該層次授課內(nèi)容主要是模型的逆向設(shè)計(jì)。逆向設(shè)計(jì)要基于實(shí)物，利用掃描儀獲得實(shí)物尺寸、輪廓，構(gòu)成三維曲面模型。(2)對(duì)于機(jī)械設(shè)計(jì)及自動(dòng)化專業(yè)，除了要做好上述兩個(gè)層次的學(xué)習(xí)任務(wù)外，還要基于激光加光實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，自主進(jìn)行功能性產(chǎn)品設(shè)計(jì)，由教師指導(dǎo)，學(xué)生利用課下時(shí)間去做。

4 結(jié)論

傳統(tǒng)的激光教學(xué)方式比較單一，通常都是教師演示，學(xué)生簡(jiǎn)單地完成作品制作，教學(xué)內(nèi)容單一、枯燥，缺少深度，且傳統(tǒng)教學(xué)會(huì)受到激光設(shè)備數(shù)量的影響。而通過多層次激光實(shí)訓(xùn)教學(xué)改革，取得了以下成績(jī)：第一，優(yōu)化了教學(xué)內(nèi)容，調(diào)整了課堂紀(jì)律。經(jīng)過增加軟件、自主設(shè)計(jì)等教學(xué)內(nèi)容，可以讓學(xué)生對(duì)激光加工制作整個(gè)過程有更為全面的了解，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，改善了課堂紀(jì)律。第二，強(qiáng)化了學(xué)生實(shí)訓(xùn)的自覺性。激光加工屬于快速、安全的加工模式，通過實(shí)訓(xùn)教學(xué)改革，進(jìn)一步調(diào)動(dòng)了學(xué)生參與加工制作的熱情和自主性。第三，活躍了學(xué)生思維，強(qiáng)化了團(tuán)隊(duì)合作能力。在實(shí)施了教學(xué)改革后，對(duì)于各專業(yè)的學(xué)生，都有與之適應(yīng)的課程要求，活躍了學(xué)生的思維，在加工制作中各小組合作，提升了團(tuán)隊(duì)合作能力。

當(dāng)然，激光加工技術(shù)作為新興技術(shù)，其發(fā)展速度快，應(yīng)用前景廣，在日后教學(xué)中，我們還要與時(shí)俱進(jìn)，不斷地進(jìn)行教學(xué)改革。