基于新工科塑料成型工艺与模具设计课程教改探索与实践＊

2022-09-13张俊喜郭小汝秦牧岚

甘肃科技 2022年10期

张俊喜，郭小汝，杨帆，秦牧岚

（兰州工业学院材料工程学院，甘肃兰州 730050）

随着新工业革命的快速发展，工科专业迎来了机遇，但也面临着严峻的挑战[1]。“新工科”建设对我国推动创新驱动发展，实现“一带一路”倡议、“互联网+”战略等具有重大意义[2-3]。新时期的工科建设思想和行动纲领明确强调要继续坚持立德树人，强化广大工科生工程伦理意识等，着力培养“精益求精，追求卓越”的工匠精神[4]。为适应新工科建设的要求，兰州工业学院正在全面推进教学改革。本文以材料成型及控制工程专业的主干课塑料成型工艺与模具设计作为案例，在建设中优化知识体系、丰富教学方法、加强实践环节、实行多元化考核、提升师资力量等方面开展了科学的探索与实践，构成“学、练、赛、创、研”五位一体的教育体系，收到良好的效果。

1 优化知识体系创新教学内容

1.1 引入新材料、新工艺、新技术

塑料成型工艺与模具设计课程作为材料成型及控制工程专业教育课，主要完成塑料的组成、分类及成型特性，塑件的结构、形状、尺寸等工艺设计，塑料模具与成型设备的相互匹配关系，塑件成型工艺及模具设计等知识的传授。随着科技的发展，各行各业新理念、新技术不断涌现，传统教材上的部分内容完全不符合新工科背景下创新人才的培养。因此，授课教师通过形式多样的现代化教学手段获取新知识（最新研究成果、新技术、新工艺），及时修改课件以充实现有教材，构建塑料成型工艺与模具设计的新知识体系。例如：讲解常用塑料及应用时，引入仿瓷餐具，即密胺餐具，同现实生活中的新产品、新材料联系；讲解模具温度调节系统时，引入随形水路，与3D技术紧密结合；在拓展新技术和新工艺时，除了教材所提内容外，引入高光无痕注塑技术及模具结构、高效叠层模具及成型技术、多层塑料吹塑模具及设备、多色共注射技术、异型材的生产线及高速挤出模具等[5]。

1.2 引入思政元素

按照“办好中国特色社会主义大学，要坚持立德树人，把培育和践行社会主义核心价值观融入教书育人全过程”的根本要求[6]，将基本知识与“课程思政”相结合，从材料、工艺、模具、制造等方面深入挖掘思政元素，在教学过程中引领学生树立正确的价值观，强化职业道德及工匠精神等[7]。以“玩具奖杯”设计为例，从塑件结构与形状工艺分析，比较分析不同成型方案的优缺点和适应性，到型芯、型腔零件的成型尺寸计算，模具基本结构设计，分型面、浇注系统、推出结构选择，抽芯距离的理论计算及最终尺寸、强度校核等内容，均需要反复修改和不断优化，最终达到最佳效果，在整个模具设计过程中强化精益求精和勇于创新，培养了学生的工匠精神。

1.3 引入创新创业

加强创新创业教育内容，根据各种学科竞赛要求，教学团队教师讨论优选学科竞赛的优秀成果，从专业角度整体进行教学设计，确定本课程实施方案，不断更新教案和PPT课件，落实创新创业教育。例如，选择往届学生3D大赛中塑料模具设计获奖作品作为典型案例，进行任务分解，结合基本理论进行讲解介绍，激发学生学习兴趣，提高创新创业能力。

2 丰富教学方法增强教学效果

随着信息技术的发展，完全改变了人们的生活及行为方式。传统教师讲授为主的课堂教学，学生被动听讲，强迫做一些简单笔记，或用手机拍照记录，枯燥的课堂气氛使学生很难集中注意力，也很难培养创新能力，使教学效果不佳。因此，不断探索及改进教学模式，基于工程认证理念，加强“以学生为中心”的混合式教学模式，根据新时代大学生特征及信息技术应用现状，采用线上、线下混合式、启发式、项目式、讨论式、提问式等多种教学手段，促进教学效果。例如：课堂授课之前借助大学慕课资源，以积分制强制学生课前的线上学习；针对每个模块重要知识点，录制成视频，发布在学习通中，方便学生随时学习和讨论，并且在学习通中发布作业、课件等，引导学生课前学习。统计学生视频观看时长、作业完成情况，分析每位学生的具体学习情况，及时采取补救措施，如课内针对性地提问、讨论等，促进后进生的学习效果。学生课外可借助多媒体课件、动画及生产现场视频等资源进行基本知识点的学习，而课内采用翻转课堂，即训练学生演讲能力，活跃课堂气氛，提高学习效果。另外，一些基本知识讲解完成后，可以进行学生提问教师解答、教师点名提问、随堂小测验等形式进行教学效果反馈。

3 强化实践环节提高动手能力

3.1 开设三性实验

根据建设地方性应用型本科的要求，学校加强校内实验室基地的建设，2019年为材料成型及控制工程专业投入180万，补充建设塑料成型实验室、3D打印实验室等。在材控18级人才培养方案中增加了实践课时。本课程也设置了6学时实验，并且传统演示性实验改为三性实验（即：设计性、创新性、综合性）。例如：模具拆装实验室现有四十多付透明模具和生产模具，各类工具和量具。学生分组，团队合作，创新设计实验实施方案，在现场动手操作完成模具拆装和测绘，通过自评、互评、点评，获得成绩，并培养工程素养；数字化设计实验室绘制2D和3D塑件、零部件、模具装配图、爆炸图，使学生掌握塑料模具的设计流程及软件应用能力，并结合学科竞赛，创新设计且绘制出模具装配三维图、动作分解图以及制作短视频；借助3D打印实验室的各种设备，打印ABS实体模具，验证设计的正确性，课外进一步优化创新设计，最终成果作为创新创业等比赛产品，提高创新能力。塑料成型实验室学生可进行生产、工艺、设备、模具等环节实验及实训，旨在体验塑件的成型全过程，使学生将理论知识与企业生产相结合，掌握模具结构、注射成型原理及工艺流程。

3.2 校企合作

目前，已经建设了以兰石集团为主的多个校外实习基地。在这一实践环节中，学生通过与生产现场人员交流，进一步掌握塑料模具设计中应该考虑的主要问题，了解生产企业的先进理念及设计手段，当今主要采用哪些CAD/CAE/CAM等软件。在模具加工、装配、试模车间，通过企业技术人员讲解生产工艺图纸、模具生产工艺规程制定原则、工艺流程图、模具实物、先进加工技术与设备等，使学生全面熟悉从设计到制造的整个模具生产过程。同时，学生身临其境，体验生产，增强工程意识。此外，学生通过车间各种公告栏，以及企业人员的讲解，较全面地认识了生产企业的生产与管理模式、塑件的成型工艺及模具行业情况等。

3.3 学科竞赛和大创项目驱动

基于成果导向的工程教育理念，兰州工业学院加强建设每个专业的实践环节。根据新修订大纲，教学团队编写了《塑料成型工艺与模具设计指导书》，用于各种实践教学。本指导书第一部分介绍了单分型面、双分型面、斜导柱侧向抽芯三种模具设计的内容、方法和步骤，并把往届高水平学科竞赛获奖作品作为典型案例；第二部分介绍了最新相关国家标准，同时介绍了新工艺、新技术，以及在创新创业大赛中应用案例；第三部分介绍了设计选题，并强调选题必须同各种学科竞赛、科研项目相结合，并及时更新。本环节具体教学过程如图1所示。以项目为载体，分解任务，分组初步完成设计和实物的制作，优选优秀作品参与学科竞赛，或大创项目申报，实现赛教融合，促进教学改革。在各种实践活动中“以学生为中心”，在指导教师的引导下，学生自主完成项目任务，训练动手能力，学生不断发现和解决实际问题，培养创新能力，并在工程教育中融入文化素养，提高道德觉悟。

图1 项目驱动课程设计过程

4 多元考核方式

改变期末卷面成绩为主的考核方式，课程建设中加强了过程考核，形成多元化考核评价体系，如表1所示。其中课堂表现由学习态度、互动效果、提问回答课堂研讨等构成；综合作业是布置开放式题目，学生课外完成的设计，相似于简化的课程设计，根据完成质量，以及比赛获奖级别、大创立项级别、撰写论文情况给分；实验成绩包括出勤与纪律，预习情况，设备操作水平及规范性，实验报告质量等方面进行考核。期末考试出题前，首先根据教学大纲制定命题计划，确定每个知识点所占分值，以及考核方式，降低客观题的比例（≤30%），把部分知识点综合起来，通过没有确定答案的主观题来考察，给学生更多答题思路，增强知识应用能力。如提供一个塑件图，要求塑件结构分析，修改结构中的不合理部分，然后，根据改进后的新结构塑件完成分型面及成型零件设计等内容。

表1 课程考核项目及建议比例

5 提升师资力量强化双师型

新工科建设背景下，学校加强师资队伍建设。据调查，材料成型及控制工程专业的大多数新进年轻教师，从本科到博士毕业所学专业一般为材料科学与工程，也缺乏在企业从事相关工作的经验，对多学科交叉课程的难点重点把握不准，课堂控制力低等等。因此，针对具体问题，坚持以需求为导向，对新引进年轻教师进行循环培训，如岗前培训，相关知识培训，有经验专业老教授导师带助教制，定期走进企业参与生产实践锻炼等。同时，学院对全职教师进行实践能力、创新能力培训。联系新采购设备厂商进校分层次多级培训，第一阶段训练教师设备操作能力；第二阶段教师与厂商技术人员共同解决设备运作中出现的问题；第三阶段培训设备日常维护、检修能力，并开展创新实践教学，不断提升教学团队的实践水平。例如，2020年，塑料成型工艺与模具设计教学团队中，本课主讲教师获得“一级/高级技师”，另外二人获得“二级/技师”，三人顺利晋升为“双师双能型”教师。

6 实践效果明显成果丰富单位满意

通过实践，比较近三年材控专业16级、17级、18级学生塑料成型工艺与模具设计课程综合成绩，如图2所示。由图2可以看出，16级良好占26.6%，优秀占2.22%；17级良好占36.73%，优秀占4.08%；18级良好占51.16%，优秀为27.91%；这表明学生平均综合成绩逐年提高，良好和优秀学生比例增多。其主要原因是材控18级学生的塑料模具课程设计项目作品，在学科竞赛获得6项省级二等奖以上，4人创新创业训练项目，2人专利授权，2人发表论文。根据多元化考核方式，上述同学均给以加分，使18级的成绩显著提升。据用人单位、有关高校的研究生导师反馈，材料成型及控制工程专业毕业生具有良好的综合素质、较强的动手能力，满意度较高。