基于啟發式教學的激光加工技術課程教學研究

譚金鈴

摘 要：文章以三峽大學激光加工課程為例，首先從激光內雕、激光打標、激光切割著手，闡述了激光加工技術項目的建設、實踐與探索，重點探討了啟發式教學新模式。其次，展望了激光技術的綜合項目課程，從而實現學生參與產品創新設計、精準加工制作的全過程。以此提高學生自主設計能力和工程實踐能力。

關鍵詞：激光加工；啟發式；創新；工程訓練

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：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

激光加工技術己經逐漸成為工業生產自動化的關鍵技術。隨著工程訓練的日益強化，在高校工程實訓中增設激光加工技術課程，不僅讓學生認知制造業中相關的先進制造技術和該行業的發展動態，而且提高了學生的工程素養和實踐能力[1]。

當前，國內很多高校都開設了激光加工技術相關的課程，受到了學生的歡迎。但是大多數課程的設置在考慮學生的創意與個性同時，對工程能力的培養尚為缺乏[2]。故在進行課程建設時，應兼顧學生興趣和學生的工程能力、創新意識的培養。本文以三峽大學激光加工技術課程為例，分析了各激光加工項目的特點，提出了教學任務驅動、行為引導式并存的啟發式教學模式，并探索了激光加工綜合課程的開展。

一、課程設計的理念

我校工程訓練課程服務于學?！案咚刭|、強能力、應用型”的人才培養總目標，以培養學生將創意轉化為產品為重點之一，開設了一系列工訓課程，作為基礎訓練項目之一的激光加工實訓是全校學生的公共必修課。教學內容包括：激光切割、激光打標和激光內雕。將課程設計為：理論足夠，實踐充足，突出技能的設計-加工-制作過程，學生實踐為主，教師引導為輔的啟發式教學新模式。

二、課程設計的內容

激光加工不同于普通的機械加工，而是靠光熱效應來進行的，其原理是光經過透鏡聚焦后會在焦點上達到非常高的能量密度來對加工工件。激光加工屬于國家重點發展的較為高端裝備制造業中的重要領域。因此，為了學生職業核心能力的培養以及與社會接軌能力的鍛煉，課程教學大綱中設置了激光內雕、激光打標和激光切割三個項目，旨在通過不同的操作方式，讓學生感受并領會激光加工的奧妙、拓展學生視野、擴大學生的專業知識面。激光實訓課程規劃如圖1所示。

（一）激光內雕-水晶

激光內雕指的是在玻璃背部雕刻出特定的三維形狀。采用的是激光在玻璃體內部聚焦玻璃分子晶格的坐標，另外還使用三軸的平臺運動以及速度較高的振鏡掃描，從而一層一層產生爆裂白點[3，4]。本校對內雕課程的開設是采用老師教授，學生操作，老師輔導的模式。其操作流程如下：

1. 三維建模。用三維軟件建模，如UG、pro/e、solidworks等等。本文以UG建模為例，（1）打開UG軟件，選擇“新建”、“模型”；更改模型“名稱”再保存。（2）選“部件導航器”，選中“基準坐標系”，單擊“顯示”。（3）點擊“創建草圖”；選擇基準平面，選擇默認，“確定”。（4）完成草圖，拉伸，建立三維模型。

2. 照片處理。即在PS中打開指定照片，對照片進行適當處理，包括把照片旋轉到適當的位置，最后將處理好的圖片保存為JPG 格式。

3. 3D照相。用三維相機拍照。兩個學生一組，現場用三維相機拍照并完成照片成點及修剪工作，再把處理好的照片傳入激光內雕機。

4. 加工。（1）在Laserimage軟件中打開待加工圖片。（2）系統彈出參數設置對話框，調節亮度、對比度等參數，并導入圖片。（3）在“Laser Control”中打開剛保存的文件，在彈出的對話框中選擇“3D”并鼠標單擊“OK”按鈕，選擇“水晶”，點擊“start”即可進行加工。此過程中切記將激光內雕機的門關上。

如圖2所示。

學生在聽完理論課程之后，每人會被分發一個空白水晶，學生自行設計內雕模型并獨自進行加工，老師全程給予指導。

（二）激光打標-名片

激光打標得到的作品屬于永久性標記，其原理是采用高能量密度的激光照射工件，然后使得工件表層得以汽化或顏色變化的化學反應。課程分為名片設計和名片制作兩個環節，其中名片的制作不限風格，支持學生發散性思維[5]。

1. 名片設計

目前可供名片設計的軟件主要是windows平臺下的專用標刻軟件，該軟件上手較快，可操作性較強，名片設計內容可以為文字、圖片、圖形、符號及其組合。另外，亦可在AutoCAD和Photshop等軟件中進行精心設計從而獲得理想的精致名片。當然，名片的設計除了需要使用相關軟件外，創造性思維也是強有力的支撐。

2. 名片制作

（1）確定激光器和光學原件的位置，從而得到準確的焦平面位置。（2）調整工作臺基準平面，上下微調臺面，當激光打在金屬名片上的“毗、毗”聲最大、最清脆時停止移動螺旋螺母，此時可確定金屬名片于焦平面之上，即臺面位置為焦平面位置。（3）點擊電腦上的打標按鈕，即可完成名片的打標。

激光打標-名片這個子項目的問題主要集中在學生對軟件的熟練程度和激光焦平面的確定這兩個環節。授課過程中，老師不斷為學生提供幫助，學生也會在問題迎刃而解中獲得成就感。最終每位同學都會擁有一張自己精心設計制作的專屬名片。

（三）激光切割

激光切割中使用的激光是經過聚焦的，因此具有高功率密度的特點，當待切割材料被照射時，會迅速熔化、汽化、或達到燃點，從而成功將工件割開。其具有無接觸加工、切縫窄工件變形小，適應性和靈活性強的顯著特點[6]。

激光切割課程安排：（1）學生自己完成零件圖形設計，使用CAXA線切割軟件進行編程。（2）學生操作線切割機床對已設計的零件進行實際加工。

三、課程存在的問題及改進方式

上述三個項目的開展緊緊圍繞著分層式教學，學生在老師教授的理論知識和演示操作的基礎上進行設計和加工。但是目前存在以下問題：

1. 課堂氛圍不夠活躍，主要表現在興趣度不夠。

2. 部分學生從未接觸過三維建模繪圖軟件，因此初步上手時，略有難度。學生的畏難情緒導致積極性欠缺。

3. 由于設備數量有限，學生用于等候的時間較多。

為了改善以上問題，本校近期對課程建設作了改進，取得了初步的效果。如：

1. 將學生進行分組，在任務下達之后，可通過組內討論來調動大家的積極性，同學之間相互的答疑解惑，也是一種相互促進的學習方式。

2. 在課程之中，引入了金點子環節，可在制作之前預留時間，號召學生自主介紹自己在設計過程的一些新的想法，并交流如何產生這樣的金點子，進而促進其他同學的創造性開發。另外，老師對學生的創意給予點評，讓金點子環節更深刻全面，以達到預期效果。

3. 將學生分組分批進行不同子項目的制作，大大減少了機器的使用壓力。

本課程引入了學生角色扮演，頭腦風暴等教學改革環節，利用學習過程中學生與老師、學生與學生之間的有效互動，啟發學生思維，保證學生參與度，讓學生從親自動腦動手的過程中深入理解理論知識的內涵，形成具體完備的激光加工知識體系。從而實現以下三個目標：

1. 知識儲備目標。要求學生應用三維軟件建模，了解激光加工技術原理和激光加工設備的基本構造，掌握激光設備采用的相關核心技術，掌握從事激光加工工藝工作應具備的思想素質和技能儲備。

2. 創新技能目標。要求學生熟悉本課程中涉及的激光器的使用、裝配、調試等方法，能熟練利用激光加工設備完成相應的加工工藝過程，能高效地對工作任務進行統籌協調、保質保量。

3. 人文素質目標。綜合項目涉及團隊合作，尤其是在加工操作過程中，互幫互助可以大大地提高工作效率。因此，可培養學生共同完成設備安裝調試的合作精神以及對自己工作模塊的擔當意識。具體內容如圖3所示。

四、綜合項目的開發與探索

激光加工綜合項目主要涉及激光加工的多個工藝，于是欲設計一個將激光切割、激光打標、激光焊接等多個工藝融合在一起的綜合項目，以創意鑰匙扣設計制作為例。

（一）項目內容

1. 毛坯材料：厚度約2.5mm的不銹鋼鋼板。

2. 設計過程：（1）學生設計鑰匙扣外形，并建立相應模型。（模型設計風格不限）（2）在模型的恰當位置設計自己想要的圖案或文字。（3）將各部件聯接組合起來。

3. 制作過程：（1）將學生分成若干組，每組3人。（2）發放毛坯，組員充分討論并分工，可參數設置技巧進行討論，創意設計金點子碰撞等。（3）選擇合適的激光切割機并相互合作切割出預期形狀，相互協作，并努力解決實際操作過程出現的各種問題。（4）采用激光焊接機將各個部件焊接在一起。（5）熟練并安全地使用打標機和內雕機進行圖案創新制作。

4. 成績評定及總結：成績根據學生的設計圖紙，加工程序以及作品的表面質量、尺寸精度等方面來綜合評定。其中，對教學過程的觀察和監督也是成績評定的主要部分。最后通過痕跡管理將課堂中學生的整體表現、作品的制作進度、作品完成情況進行總結分析

（二）加工工藝

該項目使用的機器較多，設計制作過程思路清晰且操作強度適中，但是一個產品的最終效果跟嚴謹認真的工藝操作密不可分。

光纖激光切割機在本項目中被用來切割不銹鋼板，一般使用氮氣來吹渣，其切割效果較佳。而激光焊接機用于創意鑰匙扣的焊接。除了上述激光切割、激光焊接等工藝，鑰匙扣的表面則是由學生運用激光打標來設計不同個性的圖案[7，8]。

（三）課程預期效果

學生根據自己需求設計鑰匙扣圖紙和編寫加工程序，凸顯各自的創造性，避免雷同。本項目包涵的工藝較多，為學生能夠深入學習激光加工技術提供了機會。學生完成了圖紙設計、程序編寫和工藝參數，老師通過對作品的檢測，讓學生體驗產品設計制造的生產過程，提高了學生的積極性。對培養高素質、強能力、應用型人才具有重要意義。

綜合項目具有典型、系統、先進性的特點，其優化設計和有序開展將直接促進大學生專業人才的培養質量的提高。如圖4展示了激光綜合項目開發概況。

五、結束語

考慮到激光加工屬于制造業中不可或缺的組成部分，綜合分析了目前激光加工課程存在的問題，在原有的任務式教學的基礎上植入了引導式、頭腦風暴、案例教學等教學方法，通過針對性溝通、創造性啟發，大大提高了激光加工教學環境、教學內容的靈活度，滿足了學生對該課程的基本教學要求，同時調動了學生實訓的積極性、主動性、創造性，激發了學生的工程意識和創新意識。在激光加工基礎課程之上進行的綜合項目的開發，更是對激光加工課程的一個強化和升華，使學生更快速、系統地掌握激光加工的理論知識和操作技能，還鍛煉了學生的分工合作和項目管理的團隊精神，對高校學生工程素質的培養質量有著較為積極且重要的作用。

參考文獻：

[1]吳卓平，王松嬋，楊連生.高校工程訓練創新發展探析[J].實驗技術與管理，2014，31（10）：51-54.

[2]胡青春，陳松茂，莫海軍.機械制造工程訓練創新設計與制作教程[M].廣州：華南理工大學出版社，2013.

[3]朱建軍，安小雪，徐新成，等.產品創意實訓室建設探索[J].實驗室研究與探索，2015，34（2）：114-116.

[4]唐霞輝.激光加工技術的應用現狀及發展趨勢[J].金屬加工（熱加工），2015（4）：16-19.

[5]馮巧波，尹鐵路，沈坤全，等.激光加工在工程實訓中的應用[J].實驗室研究與探索，2015，34（4）：206-208.

[6]馮巧波.激光加工在工程實訓中的應用[J].實驗室研究與探索，2015，34（4）.

[7]吳春婷，高蘭蘭，陳薪羽.產學研模式下《激光原理》課程教學改革研究[J].吉林廣播電視大學學報，2016（1）：72-73.

[8]何船，周知進.項目教學法在特種加工課程改革中的應用[J].中國教育技術裝備，2017（14）：109-111.