多层次激光加工实训教学改革探索

宋春雨 高明

哈尔滨工程大学 黑龙江哈尔滨 150001

激光加工是先进制造技术的代表，是激光束高亮度、方向性的技术运用，这项技术与计算机数控技术的融合是我国信息技术产业发展的重点技术。将激光加工技术融入高校工程实训教学中，能够让学生更全面掌握特种加工制造技术，制造加工工艺过程有利于培养学生的实践动手能力。所以，在工程课程教学中进行激光加工实训教学，能够进一步拓宽教学内容的深度、广度。依据学生的专业特征设置多层次激光加工实训课，实施实训课程教学改革是时代发展的趋势所在。

1 激光加工概述

1.1 激光加工定义

激光加工主要是使用激光束投射至材料表层，通过热效应来实现加工，涉及的环节很多。用激光束来加工材料，比如切割、划片等。激光能够满足任何材料的加工制造要求，特别是针对部分对精度、场合等有一定要求的加工制造工艺发挥着很大的作用[1]。

1.2 激光加工原理

激光加工是使用高功率、密度的激光束影射需要加工的材料，让材料发生熔化、气化，再穿孔、切割等。部分具备亚稳态能级别物质，受到外来光子作用，会吸收大量的光能，让处在高能级的原子树木超过低能级原子数目，如果受到一束光照射，光子的能量是高低能原子数相对应的差，此时会出现受激辐射，产生大量的光能[2]。从激光器输入的激光通过透镜聚焦至需要加工的材料上，温度可超过1万摄氏度，无论是什么材料都能够瞬时被熔化、汽化。激光加工也是通过该原理完成材料的各项加工工艺[3]。

1.3 激光加工的特点

激光本身的特性决定了其在加工行业的优势，其特点为：一是功率密度大，一旦工件吸收了激光就温度会立即升高，直到熔化或者汽化；二是激光头不和工件接触，不会出现工具磨损等方面的问题；三是工件没有受到应力作用，也不会被污染；四是能够实现处在运动状态或者密封状态工件材料的加工；五是激光束发散角度很小，作用时间也很短，易控制，使用范围广[4]。

2 激光加工实训教学现状

激光加工是运用很广泛的一项新技术，常见的激光加工技术包含激光切割、雕刻、打标、焊接、打孔等。其中，激光打标是经过表面物质的熔融、汽化等过程，让深层物质露出来，以此进行精美图案、文字的标刻。图1为激光打标原理图。根据不同的激光器，可以将激光打标机种类划分成半导体、气体、光纤等类型的激光打标机。激光焊接也就是非透明物质与激光作用产生的效果，该过程的反应比较辅助，宏观上体现为熔化、吸收等。激光内雕也就是利用激光聚焦后出现的强激光照射透明材料，出现非线性效应，瞬时吸收大量能量，出现微爆裂，当微爆裂点堆积起来后构成特定形状。其基本原理与激光打标类似，不同的是激光内雕必须要保证光斑能量密度达到临界值，才能让玻璃爆裂[5]。

图1 激光打标原理

这项技术的学习可以丰富学生的知识储备，所以被融入高校工程实训课程教学中。但在现在的高校激光加工实训教学中还存在以下问题：第一，教学设施设施数量少，种类单一，基本无法满足多种激光加工技术在作品加工中的综合应用，更无法适应每名学生实践操作的要求；第二，实训模式较为单一，即对于各专业学生都只设置一种课型的实训教学，比如激光内雕，有些非机械专业的学生甚至缺少参与学习的机会；第三，实训内容少[6]，因激光加工技术种类很多，对于各专业、学科的学生需要实施多样化的实训课程教学，根据各专业学生间的差异，安排相应的实训内容，规划好实训的时间。但现在高校实训内容很少，并没有依据各专业学生的实际特征进行实训内容的设置[7]。

3 多层次激光加工实训教学改革探索路径

3.1 多层次实训课程教学目标的确定

经过激光加工实训课程的学习，学生可以综合应用激光技术基础知识、技术等，可以依据材料加工工艺、科学选取设施设备，初步具备激光加工设备、技术的应用能量；可以在实训中，与团队成员高效合作，积极承担责任。主要需要实现的课程目标为：第一，掌握现代计算机辅助设计、制造的基础知识、运用特征及规律，了解激光加工技术设备的运用特征、发展方向。可以使用CAM软件做好零件的建模，可以依据设备性能、加工要求等科学选取或者是设置工艺流程。第二，掌握各种零件的基本加工方式与流程，弄清质量、成本、效益间的关联性，初步具备科学选取零件加工工艺，科学加工的能力。第三，了解制造工程的社会价值即制造技术的发展方向。可以独立进行设备的操作，具备团队合作精神，可以用所获取到的专业知识、技术解决实际问题[8]。

3.2 多层次实训课程体系与教学内容

高校教育教学工作是培养新兴工程科技创新人才，这也是高校工程实训教学的任务所在。为此，高校要树立“创新育人、知行合一”的教学思想，结合学生的专业、课程要求进行课程体系、内容的设计，建立多层次课程体系。具体如下：一是可以构建认知型课程体系，通过讲述+演示来授课，授课对象主要是非机械或机械大类的学生，实训内容包含激光技术类型、原理、特征及运用范围；利用实验室设备，对各种激光加工设备的构成、配置等加以学习；进行操作演示等。二是可以构建创新制作型课程，通过设计+实操来授课，授课对象主要是机械大类的学生，实训内容包含对各种激光加工技术及设备的基础知识进行学习；了解图形设计软件，进行作品设计；掌握激光及该功能设备操作技术等；三是可以构建拓展型课程，通过设计+实操来授课，授课对象主要是相关专业的学生，实训内容包含钣金塑性成型实训课，综合应用金属激光雕刻、切割等多项技术工艺进行作品加工制作；依据创新竞赛项目，综合应用激光加工等多项技术进行创新制作[9]。

在激光加工实训课程教学过程中，教师在确定好教学目标、课程体系后，就可以进行作品加工演示，激发学生探索知识的欲望，当学生学习的欲望被激发后，学生就想尝试自主进行作品设计。而创新制作型实训课就是为了让学生亲自去实践，所以课程的重点就是实训作品的设置。比较普遍的实训作品主题为设计激光内雕工艺品、激光3D成型等，这些创新设计都可以提升学生的机械设计能力、构图能力、实践能力。比如学生在设计作品前需要构思，构思的过程是对虚拟、实际物体的创新制作，在设置尺寸时，要对激光烧蚀量的影响进行考虑，还要综合分析各种零件的装配工艺。如果在装配过程中出现问题，还要去思考解决问题的方法，而这一过程也是自我反思、总结、提高的过程[10]。

拓展型实训课是提高型教学，其内容的设置要更趋于多样化。可组织“钣焊创新制作”项目，经过开放性主题的设置，将金属钣材等当作材料，通过小组合作设计作品，将金属板材塑性成形与新型的激光切割等多项技术融合起来，设计金属组合模型。此外，还可以设置综合训练项目，综合应用多学科知识，理论联系实际，培养学生的创新能力。比如，在工程综合训练项目“无碳小车制作”案例中，学生需要从多学科角度去思考项目完成的过程。无碳小车实训项目，从设计到制作的整个过程学生都要自主参加，亲自参与方案的设计、小车录像的计算、材料的选取、小车装配等各个环节。学生应用多学科知识，做好车架、动力等结构设计，使用激光切割技术将小车底座等零件制作出来，还要对无碳小车进行组装，使无碳小车能够按照预定轨迹运行。而这一过程都需要建立在学生知识的应用、分析、实践基础上。经过这类实训项目训练，学生对产品加工制作过程有一个更清楚的理解，提升了学生实践加工制作的能力和水平。

3.3 多层次实训课程教学方法

激光加工实训课程教学要坚持以学生为中心，要有效借助现代化的技术手段，依据各专业学生的不同要求高效实施教学。具体如下：第一，针对认知型实训课教学，因课时很短，一般以“讲述+演示”的方式来授课。授课要把握学生的需求及兴趣点，使用区别于传统单一理论授课的方式。比如，在对激光加工的技术类型、特征及运用这一内容进行教学时，不能只是进行口头讲述或者是用多媒体课件来授课，而要综合实训室作品、展板，让学生去观看，直观了解激光加工的具体运用；在讲述工艺原理、结构内容时，不只是要结合设备，还要让设备动起来，进行设备演示，让学生去观察加工现象，如激光强度是怎样的、速度是怎样的等，并让学生在加工任务完成后提出不理解的问题，教师解答。第二，针对创新制作型实训课程，可以通过作品驱动、任务导向实施教学，将设计、操作等综合起来加以训练。在对设备操作内容进行介绍前，可用到多媒体附加动画教学法，将工艺原理、加工过程直观呈现出来。实训过程要从以教师为主体向以学生为主体方向转变，要注重师生间的交流互动。对于比较重要的结构原理，教师要多启发学生如何设计才可以实现，才可以更好。加工制作过程中，学生间要相互学习、探究，在实践中思考，在思考中理解知识。当然，教师也要适当提出启发性问题，让学生去思考，活跃学生的思维。第三，拓展实训课程可以使用CDIO工程教育模式，各个小组合作，自己选题进行创新设计，去感知从构思到设计、到加工的整个过程，提升学生应用所学知识进行加工制作的能力和水平。这类课程的作品主题往往都比较开放，教师在实践教学中要科学加以引导。比如，对于竞赛主题的作品，可以做成教学卡片的形式，便于学生观看选题。在实训的过程中要重视团队合作，在考评时要从多个方面、多个角度着手[11]。

3.4 多层次激光加工实训模式改革

为了将激光加工实训教学的作用最大限度地发挥出来，应将激光加工实训教学模式划分微通识教育、综合制作及自主创新几个层次，以让学生对激光加工技术有一个更全面的理解。

第一，通识教育层次。通识教育层次是针对文理科等非工科专业学生，在教学时要以操作为主，原理讲述为辅。教师要给学生讲述最基本的CAD绘图方法，让学生能够去制作矢量作品，调动学生参与学习的自主性。在此过程中，可以使用发散性教学模式，为学生创造更多有利的创作条件。

第二，综合制作层次。该层次是针对机械类专业学生的，基于通识教育层次，通过具体的案例引入，引导学生对CAD等绘图软件进行更为系统的学习，能够使用拉伸等各种功能构建三维模型。另外，要让学生能够熟练绘制图纸，科学调控激光功率、速度等各项参数，设计补偿，加工出结构完整的零件设备。

第三，自主创新层次。该层次是针对机械类或非机械类专业学生的。基于综合制作层次，让学生进行自主设计，完成作品。各专业设置了以下授课内容：(1)对于产品设计、材料科学专业，该层次授课内容主要是模型的逆向设计。逆向设计要基于实物，利用扫描仪获得实物尺寸、轮廓，构成三维曲面模型。(2)对于机械设计及自动化专业，除了要做好上述两个层次的学习任务外，还要基于激光加光实训平台，自主进行功能性产品设计，由教师指导，学生利用课下时间去做。

4 结论

传统的激光教学方式比较单一，通常都是教师演示，学生简单地完成作品制作，教学内容单一、枯燥，缺少深度，且传统教学会受到激光设备数量的影响。而通过多层次激光实训教学改革，取得了以下成绩：第一，优化了教学内容，调整了课堂纪律。经过增加软件、自主设计等教学内容，可以让学生对激光加工制作整个过程有更为全面的了解，激发学生的学习兴趣，改善了课堂纪律。第二，强化了学生实训的自觉性。激光加工属于快速、安全的加工模式，通过实训教学改革，进一步调动了学生参与加工制作的热情和自主性。第三，活跃了学生思维，强化了团队合作能力。在实施了教学改革后，对于各专业的学生，都有与之适应的课程要求，活跃了学生的思维，在加工制作中各小组合作，提升了团队合作能力。

当然，激光加工技术作为新兴技术，其发展速度快，应用前景广，在日后教学中，我们还要与时俱进，不断地进行教学改革。