基于PBL模式的塑料成型工艺与模具精品课程实践教学研究

梁雄 伍晓宇 彭太江 黄桂坚

摘 要 塑料成型工艺与模具是机械设计制造与自动化类本科专业的核心专业课程，本课程的实践教学活动与工程实践结合极为紧密，因此在塑料成型工艺与模具课程的实践教学中适当引入PBL（Project based Learning，工程项目学习）实践教学模式，通过设置小型模具全研发项目，指导学生分组完成模芯设计、关键零部件加工、精整、抛光、装配、试模、修模和注塑成型等8个教学环节，提高学生的实践能力。

关键词 精品课程；实践教学；PBL模式；塑料模具

中图分类号：G642.44 文献标识码：B 文章编号：1671-489X（2013）03-0154-04

Research on Project-based Teaching of Fine-designed Course Plastic Injection Process and Mould based on PBL//Liang Xiong， Wu Xiaoyu， Peng Taijiang， Huang Guijian

Abstract Plastic Injection Process and Mould is a core specialized course for the student majoring in Machine Design， Manufacturing and Automation. The course is closely connected with the engineering practice， so that PBL teaching model is introduced in the teaching of Plastic Injection Process and Mould. Through the design of small-scale projects， students are instructed to achieve the following the eight teaching steps including mold core design， key components manufacture， finished machining， polishing， assembling， mould testing， mould modifying， mould injection and as a result students practical ability is improved.

Key words fine-designed course； practice teaching； PBL model； plastic mould

1 引言

塑料成型工艺与模具精品课程在2009年被广东省教育厅确定为省级精品课程予以资助建设，课程的开课对象是有志于从事模具设计与制造的机械学科高年级本科生。该课程综合性、实践性非常强，通过设置小型模具全研发项目，指导学生分组完成模芯设计、关键零部件加工、精整、抛光、装配、试模、修模和注塑成型等8个教学环节来提高学生的实践能力。为此，提出根据专业技术领域和职业岗位（群）的任职要求，参照相关的模具工程师职业资格标准，改革课程体系，增加实践教学内容，建立突出职业能力培养的课程体系标准，规范课程教学的基本要求[1-2]。

传统的塑料成型工艺与模具课程期末总评成绩的取得主要有两种方式：试卷考试和课程设计。试卷考试只是对一些课程知识点的笔试，缺乏实践部分，而课程设计方式虽然被证明是一种相对较好的综合训练方式，但很多高校由于缺乏相应的实践教学硬件和软件环境，而最终也只囿于完成模具图纸的设计，没有或者很少涉及模具加工制造以后的实践教学环节。传统模具课程培养出来的学生实践能力较差，难以适应于现代模具企业的需要。更为严重的是，目前高校青年教师也是从这样的本科和研究生传统教育体系中逐步过来的，他们之中的许多人毕业之后又没有经过模具企业技术工作的磨练而直接走向模具教学一线，造成极其严重的木桶效应[3-5]。

目前国内有些高校已经认识到实践教学的重要性，在塑料模具实践教学内容中加入一些典型透明模具模型的拆装实验，这使得学生对一些典型的模具结构有了较为粗浅的认识，对于实践教学效果有一定的改善，但没有从本质上解决问题。对于模具制造工艺教学内容，有条件的高校虽然开设了模具型面的数控实践教学内容，但往往使用的是亚克力、ABS等硬塑性材料进行模芯的演示性加工，并没有涉及后续的精整、抛光、装配和注塑成型等实践性强的环节。

对于塑料成型工艺与模具这类实践性很强的专业课程，高校教育工作者应该改变以往传统的教育思想，重新探索更加合理、完善的实践教学模式，让实践教学与工程实际紧密结合起来，这样才能培养出适合时代要求的高素质工程技术人才。基于这种理念，提出并且实施基于PBL模式的实践教学，要求学生以模具项目为中心，边干边学，完成模具设计、关键零件的加工、精整与抛光、装配和注塑成型教学实践环节。

2 基于PBL模式的实践教学

基于工程项目的学习（Project based Learning，PBL）模式，是以学习/研究某种或多种学科的概念和原理为中心，在真实世界中借助多种资源开展探究活动，并在一定时间内解决一系列相互关联问题的一种教学/学习模式[1，5-7]。

2.1 工程项目教学模式构成要素

基于工程项目的学习实践模式主要由内容、活动、情境、结果四大要素构成。

1）内容：学科的核心观念和原理。PBL模式的主要学习内容是在现实生活和真实情境中表现出来的各种复杂的、非预测性的、多学科知识交叉的问题。这种内容的定位体现了当今教育教学改革发展的价值取向，因为它使得师生集中精力，对学科知识核心概念和观点进行深度学习和研究。

2）活动：生动有效的学习策略。PBL模式的活动主要是指学生采用一定的技术工具和一定的研究方法对问题求解所采取的探究行动。通常开展这种活动的顺序是：①给学生一个非常具体的工程实践问题；②学生通过自主学习和各种途径搜寻资料，如实地调查研究、上网搜索、去工厂实地调研等；③对所掌握的工程知识和资料进行相应的处理、加工并生成一定的信息，从而找到解决工程实践问题的最优答案。

3）情境：特殊的学习环境。PBL模式注重促进学生之间的合作学习，同时也支持学生的差异化学习。PBL模式中的情境作用定位主要表现在：①促进个人与个人之间以及个人和团体间的分工合作；②鼓励学生使用并掌握技术工具。

4）结果：丰富的学习成果。PBL实践模式强调促进学生掌握丰富的工程技能并将这些技能运用于终身学习中。其成果主要包括：①运用知识的技能和策略；②特定的技能、计划/部署、态度以及成功开展工作的信念。

2.2 PBL实践教学模式操作流程

PBL模式强调的是以学生为中心，强调项目小组合作学习，要求学生解决工程中的实际性问题。通常，其操作流程分为“拟定/选定项目—制定计划—活动探究—完成工程项目—成果交流—自我/活动评价”等6个步骤[2-3，5]。

教研组抛弃了传统教学只着重于模具结构设计的思路，改用基于PBL的实践型教学模式。学生在这一过程中依据项目的进度来变换自身的角色，既可充当工程师进行模具结构的详细设计，又可以作为操作工完成模具关键零部件的加工，最后作为钳工完成模具的精整与抛光、装配、修模与试模。边干边学、实际动手，完成全过程实践训练。

这种实践性的教学模式，需要仿真模具企业的运作模式，不但要求学生严格按照规范完成塑件与模具的设计，还需按照进度将模具加工制造出来，并且最终进行注塑成型以获得合格的塑件成品。因此，这种教学模式实施起来不管是对学生或是教师，有相当的难度，一般来说模具成本较高。就单拿工作周期来考虑，一套中等复杂程度的注塑模具即使由具有相当经验的专业厂家来加工制造，其交货期也需要一个月左右。教研组全部按照模具企业的流程来组织实践教学是不太现实的，需要在模具结构和企业流程上大量简化，但简化原则是在有限的课时内，使得学生学会模具设计制造的基本知识和操作实践技能，课堂学时需大量压缩，同时还需占用学生一部分课外时间进行加工制造。以往以知识传递和灌输为主的教学模式，学生的学习兴趣和创造灵感受到压抑，所以也完全有必要进行压缩——仅有针对性地讲授最基本的内容，而其余相对次要的课程内容交由学生自学，同时在实践环节中互动解决，带着问题向课本、向技术资料、向他人学习，进而提升学生的学习实践能力。

教研组将塑料成型工艺与模具的实践教学内容分解为6个部分，下面详细讨论其体系。

1）塑料制品。了解热塑性材料和热固性材料的共性规律，重点学习掌握常用塑料材质ABS、PC、PP、POM、PVC等的使用性能、注塑成型熔化温度和合理热变形温度范围。掌握塑料制品结构工艺性要点，重点学习分型面、脱模斜度、壁厚等基本设计参数。课后随即要求学生以两人组成一个项目小组，选择不同的小型塑件进行3D设计，各向尺寸不能超出事先规定的范围以配合定制模架的规格，常选用的塑件如塑料瓶盖、打火机机头、键盘按键和小扣件等。

2）模具基本结构。学习二板式和三板式模具基本结构、各零部件中英文名称和功能，教学项目限定为二板式模具，因此需要重点掌握。在掌握基本模具结构的基础上学习不同类型的模具，重点是讲解常见的斜导柱侧抽芯结构、斜推杆侧抽芯结构和高光无痕注塑模具；简要讲解带拆卸螺纹抽芯结构的模具、定模设有脱模机构的模具、带热流道系统的模具、叠层模具、双色模具和气体辅助成型模具等。为了配合实践教学，教研组自制一批不同类型结构的透明模具，这一教学过程结合透明模具模型拆装实验互动进行；浇注系统重点讲解常用的流道形式、Z形冷料穴和侧浇口，对于其他的形式只作一般性介绍。课下学生展开模芯毛坯的加工，每个项目小组各自进行动定模芯六面铣削加工（开坯料）以及紧固螺钉孔的预钻孔与攻丝，其中定模芯需要完成浇口套安装孔的钻削，而动模芯需要考虑课程项目设计塑件所需要安放顶针的数量和位置，完成顶针孔和拉料杆孔的钻削。

3）动定模芯结构设计。使用三维CAD软件互动进行，不同的软件工作思路基本一致，教研组所使用的是SolidWorks2003教育版软件，学生在计算机辅助设计类的课程中已学会该软件的基本使用功能，在本课程中学生需要重点掌握曲面操作功能，并且根据之前所设计的3D塑件设定其收缩率、动定模型腔曲面的抽取、缺口封闭、各曲面实体缝合成整张曲面实体等操作，最后通过曲面截切六面体模芯毛坯而分别得到动定模型腔，完成模芯3D设计。

4）模具材料和制造。讲授常用的模具材料，学生需掌握国内外常用的模具钢型号，简要了解动定模型的制造工艺编排，制造工艺的学习重点是数控加工和电火花加工。学生在实训教师的指导下，针对各自项目的动定模芯特点，使用UG、MasterCAM等后处理软件生成G代码进行数控加工。

对于电火花加工则需要学生掌握电极设计基本方法和放电工作原理，由于电火花加工工时长，大多数项目小组应尽量避免后续出现电火花加工，个别项目小组出现较短工时的电火花是允许的，此时可以集中所有学生进行现场观摩学习。

5）表面精整与抛光、模具装配。采用现场互动教学，教师先示范，而后学生操作，这一过程时间较长，该阶段的学习主要在课后进行。大多数项目小组的模芯没有经过电火花放电加工，可先使用金刚石锉刀和纤维油石对其进行型面整形，然后用铜条加研磨膏研磨。如加工表面较粗糙，可先用W40钻石研磨膏进行研磨，接下来用竹片工具头或棉签加W28、W14、W7钻石研磨膏依牌号次序进行抛光，就可达到Ra0.06左右的粗糙度；如有必要，可再用木片工具头加W7、W3.5钻石研磨膏依牌号次序进行两次抛光即可达到Ra0.012等级。研磨时加少量煤油使研磨膏成浆糊状，抛光效果会更好。

更换研磨膏时，必须反复向学生强调，每次研磨完后，必须将工具清洗干净，不能残留有上次的研磨膏，铜条和竹片必须锉削干净，每级研磨膏需配有专用的木片或棉签，否则达不到预定的粗糙度而导致返工重做。

6）注塑机操作与注塑成型。项目进行到这一阶段，各项目小组之间的进展有较大的差距，以最早完成加工和模具装配的项目小组为例，进行注塑机操作与注塑成型的互动式现场教学。首次注塑出的塑件在大多数情况下会出现缺陷，此时需授课教师有针对性地与学生讨论缺陷出现的原因和改进方案，之后学生会根据讨论结果进行一定程度的修模，直至注塑出合格的塑件，后续的项目小组可由先前完成项目任务的学生进行指导而推进实践教学。

教学实践表明，在PBL模式指导下的教学实践对促进课程建设起到十分明显的作用。近年来培养的学生在三维软件使用、模具设计和加工制造方面的能力有了明显提高，大大提升了塑料成型工艺与模具课程的实践教学质量。

3 实践教学的具体实施方案及成本预算

普通注塑模具加工难度大、成本高、交货周期长，成本动辄在数万元。而塑料成型工艺与模具课程总学时为60课时，如果按照每个项目组2名学生制作一套普遍模具，其工作量和成本是难以应付的，在技术水平也难以达到要求。为使得教学实践活动顺利开展，教研组专门购置并改造一台8吨直压式微型注塑机，可以成型9克以内的小型塑件。教研组自行研制一套二板式可快速更换模芯的通用型注塑模架，该套模架已获得国家发明专利授权（一种通用注塑模架，专利批准号为ZL200710077046.3），其特征之一是在顶针固定板上开设有蜂巢式的数排密集细圆通孔，可根据不同的塑件产品非常方便地调整顶针数量和位置，对于规格尺寸相近的塑件更换动定模芯、胶位镶件、顶针和浇口套等零件后可共享同一规格模架。教研组根据上述专利加工5套同样尺寸规格的二板式微型模架，其尺寸比目前常用最小规格的龙记模架1515CI还小，其型号被命名为深圳大学通用注塑模架SZU-QMB-1010-CI，其动定模板已预先开框，可嵌入的动定模芯尺寸在60mm×60mm×25mm以内。

模芯采用普通的铝合金材料，铝合金材质可保证数千次的成型周期，可以满足实践教学的要求。此外，铝合金切削性能好，加工速度快、重量轻，价格便宜，大约为30元/公斤。其他零件价格：浇口套约5元/只，细顶针约1元/支。所有的加工利用学校工程训练中心的设备，不计入成本。因此，每个项目小组的材料总成本能控制在百元以内，日常教学经费是完全承担得起的。

在选择和设计塑件时，应避免设计带有侧抽芯、镶件等较复杂结构的模具，解决办法就是对塑件的局部进行适当简化处理，这样做可以降低加工难度、缩短工时、降低成本。由于采用定制的二板式SZU-QMB-1010-CI型模架，其体积小、重量轻，项目组的两位学生可通过手工操作快速安全地完成模具安装和调试，最后进行注塑成型。虽然塑件和模具结构相对较为简单粗糙，但对于PBL实践教学而言，是一个综合、完整和富有成就感的实践过程，也很好解决了长期困扰教研组的实践教学难题。

4 提高学生的综合素质

基于塑料模具全研发过程的实践教学模式改变了以往“教师满堂灌，学生被动学”的落后模式，在教学中，对教师的要求也更高了。教师需要根据每个项目小组工作进展的情况进行指导，出现共性问题时，可以集中所有学生进行讲解；出现个性化问题时，与项目组学生讨论解决问题的各种方法，并选出最优解决方案。在组织教学时，可适时结合最新技术参考资料来介绍本行业最新的技术进展，更为重点的是要使学生进行自主学习和主动提高其动手实践能力。

提高学生的创新实践能力，放手让学生自主进行学习，最能激发学生的创新意识和潜能。在全研发过程的实践教学模式刚开始实施时，学生有些不知所措，此时需要教师进行引导和启发，但是随着学习的展开和深入，以往所学的基础知识也得以加强巩固。例如，对于零件图上孔间距尺寸的标注，工程制图这门课上有不同的标注方案，学生以往觉得只要标注清楚即可，没有从加工方便性这个角度出发来考虑问题；现在由于要自己加工模具零件，加工过程需要在机床上使用打表定位，如果标注不恰当，就需要进行换算，极易出现差错，就需要重新改进图纸标注方法。从实践教学的角度来说，这样的反复有利于巩固学过的基础知识。又如，以往曾有过学生在沉头孔上攻丝，这充分说明传统实践教学模式的不完善，与实际项目结合动手实操的机会太少。在模芯上加工不同规格的螺纹孔时需事前进行何种规格的预钻孔，这样简单而具体的问题都需要在具体的实践过程中得到训练。在指导学生完成项目时，教师要和学生形成良性互动，既不能操之过急，一味追求进度而忽视质量，又不能放手不管，任其自由发展，在教学实践中要注意和学生一起反复沟通。

本课程以课程设计作为学生取得成绩的方法，是基于PBL模式的全新考核方法。教研组改革了传统的教学成绩评定机制，无期末理论考试，总成绩由学生的工程项目成绩（占40%）+模具实物成绩（占30%）+工程项目研究报告成绩（占30%）三部分构成。其中工程项目成绩在课程结束后，由项目小组学生的自评成绩与互评成绩构成，任课教师有一票否决权。模具实物成绩由模具加工、装配、精整与抛光、试模等几部分成绩构成，此部分成绩由实训教师来评定。工程项目研究报告成绩由任课教师根据每位学生的研究报告来评定。在项目中成绩表现突出的学生有更多的机会参与到教研组教师的各类纵向或横向课题的研究梯队[1-2]。

项目完成后每组学生需要提交的资料包括：1）模具设计文件电子档（3D装配和零件）；2）模具装配图纸和动定模芯零件图纸；3）动定模芯、浇口套、顶针和拉料杆；4）获得的合格塑件样品；5）试模问题报告；6）塑件质量检测报告。

5 结束语

基于PBL模式的实践教学不仅为学生创造了自主学习机会，让学生在动手实践中树立了信心，真正掌握了实际工作方法，培养了浓厚的专业兴趣，而且有利于培养学生的创新能力、自学能力、动手实践能力和团队协作精神。在此种实践教学模式中最根本的问题是要同时兼顾实战性和可操作性，实战性保证项目在实施过程中学生能得到实实在在的训练，而可操作性则需保证项目能在规定的教学周期内以可以接受的成本较高质量地完成教学任务，两者不可偏废[6-7]。

参考文献

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