淺談激光雕刻機在通用技術學科教學中的應用

文/戴建浜

引 言

近年來，計算機技術的高速發展以及大型設備的小型化，使原本一些只能在大學和職業教育中使用的高端大型數字化加工設備，如激光雕刻機和三維打印機等，逐漸開始在中小學教學中得以推廣和應用。在通用技術學科領域，學生要能夠運用數字化的加工設備制作簡單產品的模型或原型[1]，廣東版、地質版和蘇教版新一版的通用技術教材也都涵蓋了激光雕刻切割機的內容，激光雕刻機在通用技術學科教學中的應用與推廣勢在必行。

激光雕刻機是采用激光雕刻技術實現對材料進行雕刻或切割的一種先進設備，其技術原理是利用高功率密度的聚焦激光光束作用在材料表面或內部，使材料氣化或發生其他物理變化，通過控制激光能量、光斑大小、運動軌跡和速度等參量可以使材料呈現出要求的圖形圖案[2]。激光雕刻機常見光源主要有CO2光源、光纖光源、紫光光源、綠光光源、二極管光源等，目前國內教學激光雕刻機一般以CO2非金屬玻璃激光管居多，主要適合雕刻的材質有木材、皮革、塑料等非金屬材質。

一、激光雕刻機的特點及必要性分析

（一）激光雕刻機的使用范圍廣泛，具有雕刻質量好、效率高、工序簡單等諸多優點

相對于傳統的手工雕刻方式，激光雕刻也可以將雕刻效果做到很細膩，絲毫不亞于手工雕刻的工藝水平。在通用技術課堂教學中應用激光雕刻機可以有效降低作品的制作難度，提升模型制作的速度和質量，讓學生產生設計和制作的欲望，從而獲得更多的創作靈感，促進教學目標的達成。

（二）有利于培養學生通用技術學科核心素養

通用技術學科的核心素養主要包括技術意識、工程思維、創新設計、圖樣表達、物化能力五個方面。這要求學生經歷技術設計的全過程，形成一定的方案構思、圖樣表達、工藝選擇及物化能力。激光雕刻機的應用恰好貫穿這一過程，學生在使用激光雕刻機進行模型設計時，先要使用設計軟件進行創新設計，再畫出設計圖形，然后選擇適當材料進行雕刻切割，最后生成作品。這一過程不僅可以培養學生的圖樣表達能力，提高學生動手操作和解決問題的能力，也有助于提高他們的物化能力。

二、激光雕刻機在通用技術學科中的應用優勢

（一）加深學生對系統知識的理解

系統是通用技術學科中重要的章節。認識系統可以讓學生感受到系統科學的魅力，可以激發學生對技術課的學習興趣。而激光雕刻機就是一套極具趣味性的系統，學生了解激光雕刻機系統的組成，可以加深對系統知識的理解。例如，在講解激光雕刻機的工作原理時，教師可以讓學生了解CO2激光雕刻機一般采用水冷的方式，冷卻水可以帶走激光管產生的熱量，避免因激光腔內積熱而導致管端炸裂，甚至損壞激光電源。如果水冷機停止工作，激光就出不了光。這個例子可以幫助學生理解系統是由多個子系統組成，當一個子系統不能工作時，會影響到其他子系統或者整個系統的運轉。

（二）促進學生對加工工藝的理解

激光雕刻機一般都配有鼓風機或空氣壓縮機進行吹氣，吹氣口就在激光頭的旁邊，主要作用是防止切割時煙塵污染聚焦鏡片，改善切割或雕刻時的產品加工效果。在加工木材時吹氣還可以防止木料燃燒，但在加工亞克力板時，氣體反而會影響切割邊緣效果，這時要關小或關掉出氣口。

（三）促進學生對材料的認識

在通用技術學科中有“材料與制造工藝”這部分內容，但在教學中教師往往難以用語言文字詳盡描述材料的分類和性能。引入激光雕刻機后，教師可以帶領學生在操作雕刻機時反復實驗、對比，認識不同材料加工時的不同變化，促進學生主動探索與理解材料、工藝與設計之間的關系。激光雕刻機適用于木材、亞克力板、發泡板、厚紙板、玻璃、皮革、無紡布、大理石等多種常用的材料上，這些材料價格便宜，比較適合進行模型的設計制作。在使用不同的材料雕刻時，機器的參數設置也會有所區別。例如，肌理十分豐富的木材表面，不適合雕刻線條太細致的圖案、標志等設計作品，因為粗糙的木紋會掩蓋設計作品的細節，效果不佳。在這種情況下，改用塑膠、金屬薄板等材料來雕刻方可表現出較好的視覺效果。常見的雕刻材料有以下幾種。

1.木板

木板是由木材制成的一種天然材料，與其他材料相比具有自然、無毒、紋路清晰等特性。木材有松木、樺木、椴木、櫸木、楓木、紫檀木、樟木等，在眾多種類的木材中，用椴木來制作工藝品或裝飾材料的較多。椴木是一種上等木材，屬于軟木，質地比較輕，具有獨特的油脂，且椴木耐磨耐腐蝕，不易開裂，加之椴木本身也易加工，是激光雕刻機首選的雕刻材料[3]。

2.亞克力板

亞克力板又稱特殊處理的有機玻璃，是有機玻璃換代產品。用亞克力制作的燈箱具有透光性能好、顏色純正、色彩豐富、美觀平整使用壽命長等特點，但使用亞克力板進行雕刻時，會生成一股很難聞的氣體，氣體中包含了甲烷、塑化劑，還有少量的聚氯乙等，這些氣體對身體是有害的，使用時建議安裝抽氣系統及時將煙霧抽出。

3.竹片

竹片由竹子加工而成，堅韌，耐用，易加工。竹片作為古代的書寫載體，更是承載了中國文化的古文明。我國是世界上竹子資源最為豐富的國家。竹子以其環保、清潔與可再生的特性，盡顯材料優勢。據史料記載，我國自六朝始就有了“竹刻”。竹刻又稱竹雕，是在竹制的器物上雕刻多種裝飾圖案和文字，或用竹根雕刻成各種陳設擺件。在通用技術課堂上，采用激光雕刻技術對竹片進行加工，可以使傳統文化得到有效的傳承。

4.無紡布

無紡布由定向的或隨機的纖維構成，是新一代環保材料，具有防潮、透氣、柔韌、質輕、不助燃、容易分解、無毒無刺激性、色彩豐富、價格低廉、可循環再用等特點。由于激光具有高亮度、高方向性、高單色性和高相干性四大特性，因此，激光切割無紡布具有其他加工方法所不具備的特性。由于它是無接觸加工，對無紡布材料無直接沖擊，因此，無機械變形；激光切割無紡布的過程中，無“刀具”磨損，無“切削力”作用于材料；在激光切割無紡布的過程中，激光能量密度高，加工速度快，并且是局部加工，對非激光切割部位沒有影響或影響極小。

5.皮革

皮革是經脫毛和鞣制等物理、化學加工所得到的已經變性不易腐爛的動物皮。皮革行業使用激光雕刻機打破了傳統手工和電剪速度慢、難以排版、效率低及材料浪費現象嚴重的難題。速度快、操作簡單的特點為皮革行業的發展帶來了非常大的效益。只需把所要裁剪的圖形及尺寸輸入電腦，激光雕刻機就會根據你電腦上的數據把整張的材料裁剪成你所需要的成品。

在使用激光雕刻機雕刻不同材料時，應根據材料的不同特性，調整速度、功率、雕刻步距等參數，這樣才能雕刻出較好的作品。以下是各種材料的雕刻參數對比表，以常見的功率為60W 的激光雕刻機為例。

材料雕刻步距速度功率雕刻深度亞克力0.06mm 400mm/s 20%～30%0.5mm木板0.05mm 400mm/s 10%～20%0.1mm竹片0.05mm 400mm/s 20%～30%0.1mm皮革0.1mm 400mm/s 15%～25%0.2mm無紡布0.05mm 400mm/s 10%～20%0.1mm

三、激光雕刻機在學科教學中的策略

通用技術是以設計學習、操作學習為主要特征的基礎教育課程，教學過程建議立足學生的直接經驗和親身經歷，讓學生在“做中學”和“學中做”，要充分利用激光雕刻機這一現代化工具，把枯燥的理論學習融入課程設計中，讓學生在動手設計、制作的學習活動中歸納總結獲得知識。

（一）以“項目”促應用

項目式學習（PBL）由美國神經病學教授Barrows首創。PBL 注重學習者的實踐和參與，側重體現學習者的學習主體地位，培養學習者的問題解決能力。同時，該理論認為學習的過程應以問題為主線，并融合多種學習方式，以多元化教學方式達成教學效果[4]。在通用技術課堂上，教師通過設計一個個與學生真實生活情景接軌的技術實踐“項目”，讓學生參與設計開發，可以創新通用技術課堂教學的設計，提高通用技術實踐活動的質量，從而推動技術學科核心素養在課程教學中的落實。例如，在“書簽的制作”項目中，教師以生活中最常見的物品為例，讓學生通過尋找合適的圖片和文字，經圖像處理后，雕刻在木板上。這樣制作的書簽既美觀又實用。又如，在“木質故事書制作”的項目中，教師讓學生以一個人成長過程中幾個重要階段發生的故事為設計背景，研究融合書籍藝術加工的新型展現形式，作品制作過程貫穿通用技術必修2 中結構、流程等多個章節的內容。

（二）以“比賽”促應用

在課堂上通過“比賽”來促進教學目標的達成，也是一種常見的教學策略。這種方式一般以小組的形式開展，可以促進學生之間相互合作，培養團隊精神。不同的是，通用技術一般要用幾節課才能完成一個比賽任務。例如，以“校園創意門牌”為主題，教師可以要求學生以激光雕刻技術通過三節課創作相關作品。門牌是生活中最常見的物品，可以是班牌或功能教室的門牌，一個富有個性的門牌可以彰顯學校或班級的特色，體現一個場所的內涵品位與理念。學生通過小組討論、制作、作品解說、評選投票等環節，最后制作出多個精美、富有創意的作品。又如，教師可以組織開展生活家居用品類（如燈具燈飾、裝飾品、家用小電器等）、文化創意類（如文創產品、節假日傳統特色、景區名人紀念品、藝術品等）、智能交通工具類（如智能小車、坦克、飛機等）及機械結構類（如機械蜂鳥、傳動機構、機械動物等）作品的制作比賽，鍛煉和提升學生的設計能力，培養其批判性思維，使其學會分工合作，從而讓通用技術學科核心素養在每個學生身上都獲得預期的發展。

（三）以“軟件”促應用

激光雕刻機自身配有相關操作軟件，如LaserMaker、LaserCAD 等，這些軟件界面控制比較簡單、容易上手。其中，LaserMaker 自帶素材庫，可以直接拖拉生成盒子、投石車、木質相框等物品，讓學生可以輕松完成從平面作品到立體作品甚至機械作品的升級，大大提高作品制作速度。但僅僅學會機器自帶的操作軟件還不夠，在通用技術課堂教學中應適當介紹一些專業的設計軟件的簡單應用，如AutoCAD、CorelDRAW、SketchUp、3DOne Cut 等軟件。這些軟件設計的圖形可以轉換為激光雕刻機可以識別的dxf 格式文件，導入激光雕刻機配套的軟件中，進行再設置，最終生成作品。如在AutoCAD 中，教師可以讓學生學習機械零件的加工與設計，使其掌握AutoCAD 畫線、標注尺寸等簡單的操作方法，雕刻生成零件。又如，在3DOne Cut 軟件中教師可以讓學生通過拉伸、抽殼、切口、投影等操作，設計生成筆盒、風車等形式多樣的作品。通過學習應用這些軟件，學生可以掌握設計的一般方法，提高學科技術素養。

結 語

在素質教育大背景下，激光雕刻機在通用技術學科中的應用必將越來越廣泛。學校應配好激光雕刻機，而通用技術教師要熟練掌握雕刻機的使用和日常維護方法，引導學生正確使用雕刻機，并創設安全而又充滿樂趣的教學情境，激發學生對設計、制作的期許，讓學生獲得啟示及成就感。