模具设计课程提升学生工业设计能力的现代化教学探索

［摘 要］ 针对模具设计课程不能满足现代化工业发展对模具设计人才要求的现状，以启发式创新型模具设计课堂建设为主旨，寻求通过模具设计课程提升学生工业设计能力。针对教学内容和模式单一的问题，提出启发式教学模式，以身边的模具设计应用为切入点引导学生进入课堂内容；针对目前学生创新能力不足的问题，提出模具创新设计课题，并以学生为评审专家进行相互点评，任课教师进行总结的创新性课堂；针对注塑模具难以可视化的问题，引入Creo模流分析实验，使学生对注塑过程有更深刻的认识。

［关 键 词］ 模具设计；启发式教学；创新型课堂；教学改革

［中图分类号］ G642 ［文献标志码］ A ［文章编号］ 2096-0603（2024）30-0129-04

博物馆里陈列的古代精美的青铜器，在无言地诉说着祖先们的智慧与顶级审美。而这些精美青铜器的制造离不开各类模具的支撑，人类历史上先后出现了分段浇铸法、泥范铸造法、失蜡铸造法等，有些方法时至今日仍在各工业领域发挥着重要作用[1]。其中，活字印刷术更是模具促进人类文明发展和进步的典型代表。在古代，由于生产力的限制，主要发展了铸造模具；随着工业革命的到来，主要发展出冲压模具这一大类[2，3]；而随着材料科学的发展，尤其是塑料的出现，催生了塑料模具的迅猛发展，更使模具设计与制造有了更为广阔的应用空间。我们日常生产、生活中所使用到的各种工具和产品，大到机床的底座、机身外壳，小到一个螺丝、纽扣以及各种家用电器的外壳，无不与模具有着密切的关系。借助各类模具所实现的高效生产使人类享受到空前的物质文明，可以说模具技术是衡量一个国家产品制造水平的重要标志。基于模具的重要地位，领域内众多专家学者和技术从业人员都对模具设计进行了深入的研究[4-6]。

但是目前模具设计课程教学存在教学内容更新不及时、教学内容单一、实践环节弱等问题，不能与当前工业领域对模具人才提出的新的需求相适应。基于前期的模具课程教学经验的积累与现代化教学探索，开发了以学生为中心的启发式创新型课堂教学模式，在此对模具设计课程的改革对学生工业设计能力提升的作用进行一些有益的探讨。

一、模具设计课程发展现状

模具设计课程的主要教学目标有：使学生掌握模具设计的基本理论和知识，包括模具的类型、结构、工作原理、材料选择；了解模具设计与制造的相关工艺和流程；培养学生分析和解决模具设计过程中遇到的技术问题的能力；培养学生的创新思维和设计能力，能够根据实际需求设计新型模具；培养学生的工程意识，包括对模具设计项目的规划、管理、质量控制、成本控制等方面的理解；培养学生的自主学习能力和批判性思维能力，能够适应模具设计领域的发展和技术变革等，为学生将来在模具设计、制造和相关领域的工作做好职业准备。

本门课程主要包括冲压模具和塑料模具两大部分，分别对各自的工艺过程和工作原理进行讲解，其主要知识结构框架如图1所示。当前工业的发展需要大量模具设计人才，但是模具设计课程却存在比较突出的问题，主要存在以下三个方面问题。

（一）教学内容较为滞后

部分模具设计课程的教学内容滞后于行业发展的最新趋势和技术，未能及时更新教学内容，导致学生在面对实际工作时存在较为明显的知识缺口。这是当前教学普遍存在的问题。此外，有部分教师没有生产实践经验，对各种模具的工作原理本身也了解不足，无法向学生清晰地解释各种模具的工作过程及原理，导致教学效果较差。模具设计作为一门工科课程，对学生人文素养的培育和提升这一方面是比较忽视的。然而我们在博物馆中看到的古代曾侯乙尊盘、四羊方尊、莲鹤方壶、三星堆铜立人等，无一不体现着美感与先人的智慧，细节上的精美纹饰更给我们带来震撼。这就要求我们设计的模具在满足功能的同时，还要具备一定的美学意义，学生审美能力的提升也要贯穿课堂教学始终[7]。

（二）教学手段单一

部分模具设计课程仍然采用传统的教学模式，教学手段单一，教学内容以理论讲解为主。但是工业模具的结构复杂，课堂展示的模具图纸对无工业生产背景的学生而言难以理解其工作原理。一些模具设计相关课程的课堂教学缺乏创新和多样化的教学方法，无法激发学生的学习兴趣和潜力。另外，“满堂灌”的教学模式依然存在，部分教师在课堂上与学生的互动环节少也使学生的参与度不够，课堂整体氛围低沉，学生对教学内容也无反馈，任课教师对学生的学习状态没有把控，无法调动起学生学习的积极性。

学习结果评价模式固化且单一，重理论知识的掌握而缺实践和创新能力的培养，也不注重对学生思辨能力的培养。在这种考核机制下，学生以机械记忆课堂理论内容为主，即便能取得好成绩，也是处于一种“知其然而不知其所以然”的状态，这使学生走上工作岗位以后难以快速融入生产。

（三）实践环节缺失明显

部分模具设计课程注重理论知识的传授，但在实践教学环节存在不足。之所以如此有两方面的原因：一是课程学时安排不合理，部分高校本门课程共32学时，但是实验教学内容仅4学时，学生在有限的时间内难以对模具的工作原理及设计理念产生深刻的理解。其次是教学经费不足，难以实现充分的实践教学。学生缺乏实际操作经验，便难以将理论知识应用到实际项目中。即便有实践教学环节，由于学生数量众多难于管理，工厂出于安全考虑，也基本不让学生离机器太近，学生无法仔细了解模具的工作过程。另外，实践教学时间普遍较短，走马观花式的实践教学在浪费资金的同时并不能起到很好的教学效果。此外，现在的教育模式下，学生去生产一线接触实际情况的机会变少，部分模具设计课程与企业的合作机会有限，学生缺乏与行业真实项目接轨的机会，难以深入了解行业需求和实际工作环境。上述因素的存在使高校模具设计课程实践教学环节存在短期内难以解决的短板。

二、以学生为中心的启发式创新型课堂建设

我国高等工程教育改革发展已经站在新的历史起点，2017年开始，教育部积极推动新工科建设[8]，为把我国建设成为高等教育强国而努力。对在工业生产中起基础作用的模具设计课程而言，则要与时俱进，为我国模具事业的发展培养优秀人才。首先要做好教学内容的安排和更新，并建设启发式创新型课堂，提升学生的创新能力和知识迁移能力。

（一）整体教学内容及其安排

基础理论教学：在前几周，重点介绍模具设计基本理论。理论授课环节应多加原理性动画、工厂实录视频等对教学内容进行辅助，以加强学生对教学内容的理解。

专业课程教学：在教学中期，深入学习冲压模具设计和塑料模具设计，同时引入模具制造工艺，以避免学生只懂设计不懂模具的制造工艺，使设计与生产脱节。

实践教学：在理论学习的同时，安排实验和实践课程，让学生动手操作，巩固理论知识。

综合项目实践：在课程的最后阶段，进行综合模具设计项目实践，让学生将所学知识综合运用。

考查与评价：整个课程中，穿插进行课堂讨论、作业、实验报告、项目报告等形式的考查，以评价学生的学习效果。

课程总结：在课程结束时，进行总结和反馈，帮助学生梳理所学知识，为将来的学习和工作打下基础。

（二）启发式教学的实现

每次课前准备教学案例，利用身边与模具相关的事物引入课堂教学内容，可以发挥良好的启发作用。下面试举两例。

在冲压模具相关内容的课堂上，以教室里风扇的金属扇叶的形状为例，让学生讨论扇叶上凹槽的作用。先让学生自己猜想扇叶上结构的具体功能，通过学生的讨论，即便答案不正确，也引起了大家的思考，任课教师稍加引导便可使该部分内容在学生的脑海中留下深刻的印象。接着利用折纸进一步说明加强筋在易变形结构上的神奇作用：将一张A4纸沿长度方向水平放置，纸张在重力的作用下自然弯曲，很难保持其平铺在桌面上的平整状态。沿其长度方向在纸张中间对折，用手拿纸张的一侧，则纸张可以轻易保持形状不变。通过这一例子可以使学生直观地理解加强筋是如何对工件进行加强的。

在塑料模具相关内容的课堂上，以日常常见的塑料矿泉水瓶为例，要求学生分析矿泉水瓶瓶底以及瓶身花纹结构的作用，让学生自己寻找答案。在学生返回来的答案中可以看出他们对矿泉水瓶身上花纹的作用进行了认真调研并有了深入了解：瓶底的凹陷结构可以使其承受更高的压力，可以增强其垂直放置的稳定性，还可以控制瓶底的收缩变形；瓶身花纹则可以增大摩擦，易于抓握不容易滑脱，花纹起到加强筋的作用，使瓶身不易变形；瓶身花纹还可以在瓶子歪倒以后减少其滚动，还可以通过纹理设计使瓶身更加美观并增强品牌的辨识度。再结合吹塑的视频，对矿泉水瓶的制造过程以及吹塑模具的工作原理有了更为清晰的认知。

启发式教学过程中，教师所举案例最好贴近生活，具有实际应用价值，此类问题更能激发学生的兴趣，使课堂教学能更顺畅地开展。

（三）创新型课堂建设

根据教学内容设置了两个开放性课题：（1）利用建模软件对冲压模具进行设计，包括但不限于冲裁、弯曲以及拉深模具的设计，要求所设计模具包含凸模、凹模、上下模板、导向机构、定位机构等，结构设计合理，包含凸、凹模圆角，凸、凹模间隙等各处细节，利用所设计的模具各部件进行装配，实现冲压模具的功能。（2）利用建模软件对注塑工艺品进行设计，并设计出相应的型芯和型腔，以及浇注系统、导向机构、推出装置、温度调节和排气系统等，要求每个学生所设计的产品均不相同。上述课题要求学生先通过建模软件构建模型，然后把建模过程做成PPT向大家进行汇报。在制作PPT的过程中可以对所设计模具的合理性进行二次思考，还可以培养学生的逻辑思维能力；在答辩汇报以及回答同学问题的过程中可以有效锻炼学生的思维能力和表达能力，并进一步对模型进行完善。通过上述步骤，学生可以较为清晰地认识模具设计的一般过程以及需要注意的细节问题。

在进行注塑模具的浇注系统的工作原理讲解的时候，即便是有实践环节，由于模具是不透明的，也难以看清熔融塑料在模具内的流动状况，导致学生对注塑模具成型的过程及各部分功能部件的作用理解不清。在此开展模流分析实验，引入具备模流分析功能的软件Creo，用于增强对注塑成型过程的理解。该软件可以轻松实现三维建模、模流分析等功能[9，10]，上手快，设置简单，适于辅助模具设计的教学。利用Creo对注塑过程中的材料选择，浇口位置、方向、数量以及大小等，填充时间，熔体温度，模具温度，最大注射压力等参数对注射成型过程的影响进行研究。该软件有指定浇口和自动化浇口创建两种模式，指定浇口模式下可以自行选择浇口方向和数量。本实验对比自动化浇口创建和指定浇口的模流分析情况，以进一步理解浇口的作用和模具内熔融塑料的流动情况。选择合适的填充时间、熔体温度、模具温度、最大注射压力、网格大小，即可进行计算，还可选择是否计算最大冷却时间、缩痕等。计算结束，各分析选项卡即显示正常，可以对注塑件的成型性、熔体前沿时间、困气、熔接痕等进行分析。点击视图控制，可以对注塑件进行截面剪切、层切等操作，还可以实现动画功能，使注塑过程可视化。最后该软件还可以自动生成PPT格式的分析报告。

（四）教学效果检验

1.同学点评

本课程摒除了以往任课教师作为教学主体的现象，也不再让任课教师作为唯一的评判人，而是让其他同学作为评委参与到对同学设计方案的点评中来。作品讲解完毕，随机抽取其他同学对产品进行点评，这一策略极大地调动了学生的积极性，汇报的同学准备得更为细致、认真，台下听讲的同学也会在别人讲解的过程中认真听讲、仔细分析产品存在的问题，并且反思自己的产品是否存在同类问题。学生在点评的过程中也会积极地思考问题、分析问题，甚至可以提出解决问题的方案。对于评判标准的制定，首先要求注重模具设计的功能性，考虑设计过程是否遵循了模具设计的基本原则。其次要符合人体工学、美观，还要考虑模具的制造难度和成本。

例如，一学生设计的级进模具实现条料的冲孔、切断和折弯，其设计了合理的导向机构、条料送进机构、冲孔机构等，考虑到了先冲孔后折弯，并使孔与折弯区域保持了合理的距离。但是该设计遗漏了定距机构，不能实现条料的准确送进。在其他学生的建议下，改为侧刃定距送进，实现了条料的准确送进。该模型两侧的导料板都与条料紧密接触，没有留出一定的余量，在条料宽度发生波动尤其是变宽的情况下，会导致条料卡在导料板之间，经过讨论改变了两导料板之间的距离，并在一侧使用弹力浮动夹紧装置对条料进行一定的夹紧。上述讨论使学生对模具的导向装置的作用及其功能的实现都有了较为清晰的认知。

一学生设计的注塑模具，注塑件为齿轮。其整体结构设计大致合理，设计了良好的导向和对定结构，但是存在以下几个问题：没有设置合理的浇口；型芯上设置了倒角，但是注塑件上没有体现出来；也没有设置顶出机构，那么如何将成型件从型芯或者型腔上取下来是一个大问题。通过引导学生对上述问题进行讨论，使学生对浇注系统的工作原理、浇口的作用、注塑模具整体结构的工作原理等都有了新的认识。另一位学生设计的可挂在厨房墙角处的沥水篮注塑件则充分考虑到了使用环境、适用对象、浇注系统、外形设计等各处细节，赢得了同学们的一致好评。

2.教师总结

任课教师在答辩环节以及课程即将结束时，带领学生对本门课程进行整体总结。在点评和总结的过程中不宜以学生设计方案的对错为简单的评判标准，要善于发现学生的设计亮点并予以鼓励。此外，依据课堂理论教学内容对学生的设计进行有理有据的点评，并引入课堂核心教学内容，使其对教学内容有更深入的认识。在点评和总结的过程中也要注意人文内容的引入，尽力提升学生的审美能力和设计水平。

三、结束语

模具设计课程作为培养高水平模具人才的基础课程，具有很强的实践性，而目前的模具设计教学实践环节较弱，导致学生与生产实际相脱节。在此提出启发式创新型课堂建设，通过良好的教学设计，以身边的与模具设计相关的案例引入教学核心知识点，并增强与学生的互动，通过提问、设计创新型课题、课程答辩、同学评审等环节，以期激发学生对课堂教学的参与度，并增强该门课程提升学生创新能力和设计能力的促进作用。期望能为相关课程的教学改革提供一些有益的参考，为促进我国模具领域的发展培养更多的模具设计人才。

参考文献：

［1］ 仪德刚，盖洪力.熔模铸造工艺复证失蜡法研究［J］.中国科技史杂志，2023，44（3）：444－456.

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［3］ 张碧清.冷冲压模具的精度控制与表面处理［J］.模具制造，2023，23（12）：281-282，285.

［4］ 翁礼杰，彭贤峰，傅莹龙，等.汽车激光雷达盖板的双色注塑模具设计［J］.塑料，2024，53（3）：50－55.

［5］ 龚世海.注塑模具先进制造技术发展趋势综述［J］.现代制造技术与装备，2019（9）：208－209.

［6］ 黄湘兰.数字化技术在冲压模具设计与制造的应用［J］.锻造与冲压，2024（8）：44－46.

［7］ 闫羽萌，孙志浩.美术艺术文化与塑料模具设计的衔接分析［J］.塑料工业，2023，51（8）：179－180.

［8］ 杨仕杰，袁玉红.新工科背景下“锻造工艺及模具设计”课程混合教学研究［J］.遵义师范学院学报，2024，26（2）：137－140.

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［10］ 陈雄.融入模流分析结果的注塑过程混合现实开发［D］.上海：华东理工大学，2024.

◎编辑 马花萍