《沖壓工藝及模具設計》課程改革與創新

馬秉馨，蘇 光，丁 海，馬 倩，李佳怡，王靜宇，李俊杰，3，繆義財

（1.河南工學院，河南 新鄉 453003；2.西北工業集團，陜西 西安 710005；3.天合光能（宿遷）光電有限公司，江蘇 宿遷 223832）

0 引言

《沖壓工藝及模具設計》是材料成型及控制工程專業模具方向的必修課，是培養沖壓行業應用型本科人才的重要環節。目前已有教師針對沖壓相關課程基于OBE 模式進行改革[1]，為培養學生創新能力探索線上線下混合式教學模式[2]，采用云班課等新平臺應用于課堂教學[3]，校企合作開發更符合企業生產實際的教材，對標技能競賽及技能等級證書改革教學內容[4]，開展課程思政教學[5]，均已取得良好的教學效果。

近年來制造業發展迅猛，工業加速轉型升級，沖壓工藝和模具設計領域也在不斷發展和變革。越來越多的企業在設計模具時采用全流程無紙化的方式，通過沖壓件的仿真分析確定沖壓工藝，進行模具建模和數控加工仿真等工作。在生產沖壓件時，采用計算機控制的自動化生產線進行生產。隨著人們物質生活水平的不斷提高，對沖壓件的要求不僅僅是滿足使用性能和工藝性能的要求，而是越來越重視沖壓件的審美要求。由此可見對學生的計算機技能和審美要求日益提高，僅傳授課本知識和傳統的設計方法已無法滿足現實發展的需要。因此在教學過程中，需要更加主動地融入多種學科及知識領域，以培養學生的多元思維和創新能力，同時應結合多門課程的內容，促進學生的綜合素養和實際應用能力的發展，為了滿足這樣的要求，創新的教學模式和教學方式至關重要。

1 靈活運用教學方法夯實基礎知識

教學過程中將啟發引導法、問題探究法、分組探究法、分組討論法、任務驅動法、項目教學法等教學方法，與傳統講授法有機結合、綜合運用，將“價值塑造、能力培養、知識傳授”三位一體的理念貫穿教學各環節，全方位提高學生素質能力。

（1）啟發引導法。通過設問啟發引導學生按步驟利用所學知識去分析和解決問題，同時將思政理念融入專業教學中[5]。如在講解拉深工藝計算時，指定拉深件形狀尺寸，逐步引導學生判斷毛坯形狀，根據拉深前后體積不變及可能存在的凸耳缺陷，引導學生確定修邊余量，并計算毛坯尺寸，告訴學生每次拉深都有成形極限，引導學生確定拉深次數，最后確定拉深工序件尺寸。不僅能夠調動學生積極思考，提高學習主動性，還可以在計算過程中培養學生嚴謹細致的科學態度和精益求精的工匠精神。

（2）問題探究法。依據教學目標和任務，合理創設問題情境，讓學生經歷“發現問題→分析問題→解決問題”的思維過程，培養學生的問題意識和探究精神。如在講解沖模類型時，為了引出傳遞模，先通過播放單工序模和級進模的生產視頻，讓學生發現單工序模（結構簡單，生產效率低）和級進模（模具復雜，生產效率高）各自的優缺點，隨后提出“能不能既能簡化模具結構，又能保證生產效率”的問題，讓學生進行探究，逐步引出傳遞模這一模具類型，在揭示答案時讓學生有豁然開朗的感覺，這能夠充分調動學生的創新思維，并從中體會獲得感和成就感。

（3）分組探究法。探究的內容相對深入，同時以小組合作的形式進行，多設于課后進行，通過資料查找、討論研究等學習互動，獲得知識技能，互相取長補短、共同學習、共同進步。如在學習沖壓材料及其性能要求時，讓學生課后分組查找深海環境情況和鈦合金力學性能數據，從使用性能要求和沖壓工藝要求考慮，分析為什么選用鈦合金作為蛟龍號耐壓艙的材料。

（4）分組討論法。在教學過程中引導小組學生通過討論和思辨追尋問題的本質，弄清楚問題根本所在，加深對知識點的理解；同時通過討論，小組成員互幫互助，形成活躍的學習氛圍，增加學生學習興趣，增強團結協作意識。

（5）任務驅動法。圍繞共同的任務活動中心，讓學生在任務驅動下，進行自主探索和互動協作的學習，使學生帶著真實的任務在探索中學習。如在學習簡單的沖裁模零部件結構特點時，給學生安排講解任務，并根據零部件類型分解任務，安排不同小組去完成，明確要求用PPT 匯報講解。在準備任務過程中，學生會自覺學習PPT制作、圖片處理等相關知識，采用更好的方式將內容呈現。在完成任務時，學生會不斷地獲得成就感，可以更好地激發他們的求知欲，逐步形成一個感知心智活動的良性循環，培養獨立思考、勇于探索、開拓進取的意識，提升學生的自學能力。

2 多課程并行教學鍛煉專業能力

結合沖模課程設計，在《沖壓工藝及模具設計》課程教學過程中開展項目式教學，河南工學院課程設計重點針對沖裁模，因此在課程講解沖裁工藝及模具設計相關內容之前，先對學生進行分組，給每組布置一個難度適當的設計題目，講課過程中，按照模具設計流程的先后順序講解知識點，方便學生能夠帶著任務，逐一完成每個步驟，讓學生在學習過程中帶著任務進行思考及協作學習，學完一部分內容后合作完成相應部分的設計工作，在學習知識的同時，又能鍛煉模具設計水平。以項目促學習，學生在完成項目的同時，也增強了團隊協作意識，培養了工匠精神，提高了職業素養。

結合《文獻檢索與論文寫作》、《材料成型計算機輔助設計》、《塑性成形數值模擬》和《實驗設計與方法》等課程，以學生自擬選題的方式，能夠結合專業知識分析影響沖裁件斷面質量、彎曲件質量或拉深件質量等因素，并設計合理的試驗方案研究沖壓成形的變形規律及彎曲件質量、拉深件質量等的影響因素，使用UG 創建沖壓件及沖模零件的模型，利用數值模擬軟件對典型沖壓件的成形過程進行模擬仿真，獲取應力應變等試驗結果，進行數據處理后結合理論知識進行分析，并將分析過程及結果以小論文的形式撰寫。通過這樣的鍛煉過程，能夠鞏固沖壓課程的專業理論知識，提升學生對多課程知識內容綜合運用的能力。完成全過程需要用到Design Expert、Excel、UG、Dynaform、Origin、Word 等多種軟件，能夠提高學生利用計算機分析、解決工程問題的能力，促進培養鍛煉技術研發、科研創新的專業能力。

3 融合多學科以賽促教提升創新能力

從本專業低年級學生開始，重點培養其建模繪圖能力，指導其參加“高教杯”大學生先進成圖技術與零件信息建模創新大賽。通過這一過程的訓練，提升學生創新建模的基礎專業能力，并為其結合專業知識開展創新打下基礎，為后續參加其他競賽做好準備。近5年學生參加“高教杯”大學生先進成圖技術與零件信息建模創新大賽獲得國家級三等獎4項、省級一等獎3 項、省級二等獎3 項、省級三等獎4項。

課程團隊教師指導學生申報大學生創新創業訓練計劃項目，結合計算機學科中的VR 技術和AR技術等，利用Unity 軟件完成開發沖模VR 拆裝軟件以及沖模零件AR 識別APP，沖模VR 拆裝軟件操作演示如圖1所示，沖模零件AR識別APP操作演示如圖2所示。

圖1 沖模VR拆裝軟件操作演示

圖2 沖模零件AR識別APP操作演示

在項目完成過程中，學生首先使用UG 軟件進行建模，然后使用Blender等軟件進行模型渲染和動畫制作等，最后使用Unity編寫代碼并完成軟件的開發。在此過程中，學生不僅鍛煉了模具三維建模的技能，還通過自學掌握了模型渲染、動畫制作、編程語言等技術，除提升了專業技能外，還擴展了計算機專業技能。開發的軟件與《沖壓工藝及模具設計》教學內容緊密貼合，能夠輔助應用于課程教學，有效幫助學生熟悉沖模結構、了解沖模的拆裝過程及注意事項。

此外通過將藝術學科的相關知識與實踐相結合，學生自主設計書簽、紀念幣等校園文創作品，借助沖壓課程學到的模具設計相關內容，設計了書簽毛坯落料沖孔模和紀念幣壓印模。模具制造后，學生獨立操作曲柄壓力機，對書簽毛坯和紀念幣進行沖壓加工，學生調試壓力機并對書簽毛坯進行沖壓如圖3 所示，書簽毛坯實物如圖4 所示，紀念幣壓印模實物如圖5所示。

圖3 調試壓力機并進行書簽毛坯沖壓

圖4 書簽毛坯實物

圖5 紀念幣壓印模

對書簽毛坯進行表面處理和激光雕刻，對紀念幣表面進行電鍍，最終制成了精美的成品，圖6所示為學生正在對書簽進行激光雕刻，書簽及紀念幣成品如圖7、圖8 所示。在該過程中，學生不僅實踐了沖模設計過程，熟悉了沖壓設備的結構，還掌握了沖模的安裝和調試過程，提升了專業實踐和動手能力。同時通過整個實踐過程，培養學生欣賞美和創造美的能力。學生能夠將藝術和工程知識相結合，展現創造力和才能，這樣的實踐經驗將有助于他們未來在學術和職業領域取得成功。

圖6 激光雕刻書簽現場

圖7 書簽成品

圖8 紀念幣成品

上述成果為河南工學院材料成型及控制工程等專業學生多年來的積累，先后參加“互聯網+”大學生創新創業大賽獲省級二等獎1 項，參加“挑戰杯”創業計劃競賽獲省級三等獎2項，獲得河南省大學生創新創業訓練計劃優秀成果三等獎1項。學生在項目研究及參賽過程中，鞏固了專業知識，強化了專業技能，提升了創新創業能力，在計算機應用水平、審美水平及藝術創作能力等方面有所提高，通過實踐活動，學生的綜合能力得到了鍛煉。

4 結束語

在教學過程中采用多種教學方法，多課程并行教學以及融合多學科以賽促教，提高學生綜合素質能力。通過啟發引導法、問題探究法、分組探究法、分組討論法、任務驅動法和項目教學等多種教學方法的綜合運用，可以提高學生的素質能力。同時通過多課程并行教學和多學科融合以賽促教等方式，鍛煉學生的專業能力和創新能力；通過項目式學習培養學生團隊協作意識。這些方式實現了對學生從知識、能力和思想的全方位、全過程培養，學生的知識綜合運用能力、實踐創新能力得以提升，能夠結合本課程教學內容及教學需求，應用計算機技術開發AR、VR 軟件，設計校園文創書簽、紀念幣等作品。