模具設計課程群教學改革范文

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塑料加工成型及模具設計課程群雖然屬于高分子工程領域的教學范疇，但所涉及的知識貫穿了高分子材料的性質、塑料加工機械設備的結構與使用、塑件設計與開發、成型模具設計與制造等領域，橫跨了高分子材料、機械設計與制造以及計算機科學等多個學科。不但有較多的理論授課學時，也有一定學時的實驗內容，是一類理論性、實踐性強的教學體系。很多知識點和內容相對抽象，需要學生具備一定的抽象思維能力。而使用傳統的教學方法和手段，教師往往很難使學生充分理解所講授的知識點，無法調動學生的學習熱情，導致學生把課程當做負擔，產生畏難情緒，教學效果大打折扣。

例如在“高分子材料成型加工基礎”與“塑料制品工藝學”的教學中，涉及關于聚合物性質、成型設備結構與成型工藝關系的知識點，單純的課堂教學很難保證學生能夠充分理解和掌握。而在隨后的實驗中，由于實驗條件的限制，往往開展的是簡單驗證性實驗，大大限制了對學生思考和動手能力的培養。而在“塑料模具設計與制造”、“塑料模具CAD”的教學中，由于加工成型設備以及模具的種類繁多、且內部結構復雜，加上傳統模具制造成本較高，使得教學模具缺乏。在進行課堂教學以及CAD實驗時，由于缺乏模具實物，不得不依靠教學掛圖等二維平面手段進行講解，學生無法對模具的結構和組成產生直觀的感知，導致學習熱情和學習效果大打折扣。雖然有多媒體輔助手段，但上述問題依然不能得到有效解決。針對上述問題，教育工作者在教學方法上做出了有益的嘗試和努力。比如梁春杰等和陸軍建等將多媒體等現代教育技術與傳統教學法相結合，并將創意教學和案例教學引入到授課當中。張道洪等采用動畫仿真技術、成立科研興趣小組等手段調動學生的學習主動性；伍凱飛等和王乾探索了信息化教學中各種網絡信息化平臺工具在高分子材料成型加工技術及模具課程中的應用。吳育釗將項目教學法引入教學當中，調動學生在相關課程中的學習熱情和主動性。

筆者作為長期承擔本校塑料加工成型與模具設計課程群的授課教師，積極采取了一些相應的革新手段來提高教學效果，比如引入多媒體教學，增多實驗與實踐學時等，雖然取得了一定的效果，但離創新型人才的培養目標還有一定的距離。如何引進新型教學技術或手段，通過與現有教學方法進行融合，高效地將課堂教學和實習實踐有機結合起來，強化教學效果，激發學生學習熱情，增強學生自主學習和創新能力，是亟待解決的一個難題。由于3D打印技術的快速發展，極有可能在未來成為高分子材料成型技術中的一個重要分支。同時，3D打印技術在材料開發、個性化制品設計和開發領域具有獨特的優勢，非常適合將其引入塑料加工成型及模具設計課程群的教學與實驗當中，通過將該技術運用到實際的教學活動中，激發學生的學習興趣，引導學生進行個性化的課程實驗，甚至開展一定的科技創新活動。這對于培養具有創新精神和動手能力的科學及工程類人才具有較好的輔助作用。下面，我們將探討一些將3D打印技術與現有教學體系及方法有機結合的方式和方法，供大家共同研討。

（1）將3D打印技術帶入高分子成型加工的授課環節。在“高分子材料成型加工基礎”和“塑料制品工藝學”的教學環節中，重點圍繞“組成-微觀結構-物理性能-加工成型”這四個要素進行展開，尤其在成型加工設備及工藝方面，比如注塑、擠出、吹膜等，由于實驗條件的限制，學生往往接觸到的是預先設定好的教學內容和驗證性實驗步驟，教學方式不夠靈活，導致學生在實驗過程中機械地進行實驗操作，無法發現新的問題并進行有效解決，造成學生不能對所學知識點充分的理解和掌握。激發學生好奇心和創新意識更是無從談起。而熔融層積型3D打印機，其實質是熱塑性高分子樹脂的熔融紡絲及層積定型過程，常用到的打印材料為ABS和聚乳酸。通過讓學生熟悉該類打印機的使用方法，制備出一些個性化的造型塑件，從而讓學生對3D打印產生興趣。向學生講解擠出及紡絲成型與高分子流變學、加工工藝、高分子微觀結構和組成間的關系、接收板溫度（熱處理溫度）與塑件結晶、內應力及收縮變形間的關系等等專業知識。在對上述加工成型知識和內容有了較深入的認識和理解后，可以讓學生嘗試使用多種其他類型的熱塑性高分子樹脂進行3D打印，指導學生通過使用熔融指數儀、毛細管流變儀選定適合3D噴絲打印的高分子樹脂，并適時讓學生思考影響和控制高分子熔體流動性能的影響因素有哪些；篩選出適合紡絲的樹脂后，通過3D打印機進行打印實驗，針對實時出現的問題，引導學生利用課堂所學習到的專業知識進行解決。

（2）利用3D打印制備仿真教具。“塑料模具設計與制造”、“塑料模具CAD”的教學中，由于金屬模具種類繁多、結構復雜、笨重，加之價格不菲，導致缺乏足夠的模具向學生展示，只能利用二維掛圖和PPT向學生介紹模具及其結構，無法強化學生對模具內部結構的感官認知，教學效果不佳。而利用3D打印可以方便的制得各類模具及相應零部件的仿真教具，在課堂講解時結合平面掛圖、多媒體，使學生對模具的內部結構及功能一目了然，增強了教學效果和學習興趣。在“塑料模具CAD”的上機實驗中，通過觀察事先3D打印的塑件，讓學生直觀了解所要繪制的塑件三維結構，減少繪制過程出現的低級錯誤，并可將學生完成的CAD圖樣用3D打印機打印出來，檢驗建模效果，如圖2所示。而在隨后對塑件進行的模具CAD開發環節，教師將事先打印出的仿真模具及其可拆卸零部件向學生展示，加深學生對所要構建模具內部結構以及各個零部件裝配關系等關鍵要素的了解，減少學生建模時的盲目性，提高學習興趣和效果。

（3）成立興趣小組或者項目小組。在經過上述課程教學后，成立若干圍繞3D打印的興趣小組或項目小組，以團隊合作的方式設計開發個性化3D作品；或者以項目的形式，根據教學需要，設計、繪制、打印并裝配一些新的教學模具，不但使高年級同學進一步加深對模具結構和功能的認識，提高模具設計水平，還能進一步豐富教學模具的種類。

（4）圍繞3D打印技術，鼓勵學生開展科技競賽和科研創新活動。為進一步培養學生的創新精神、科學研究以及工程技術能力，激發學生對工程、設計、制造和科學相關課程的興趣，圍繞對大學生“發現問題-解決問題-自主學習”這一能力體系的培養，以3D打印技術的應用以及新型3D打印用高分子材料的開發為主題，鼓勵學生積極申請和參與各類大學生科技競賽和創新創業項目。利用所學的高分子加工成型、塑料模具等方面的知識，逐步發現并解決在研發過程中遇到的種種不可預見的問題，從而在完成預定競賽和科研任務的同時，使大學生的科研和工程應用能力得到了大幅度的提升和強化。

綜上所述，通過在相關課程群的教學和實踐中適時引入3D打印技術，在與現有教學體系和手段密切配合下，將會有效提高學生的學習興趣和學習效果；學生通過對3D打印技術的親自操作，以及對新型3D打印用高分子材料的研發，進一步提高學生對所學專業知識的理解、掌握，有利于鞏固所學的專業知識，對提高高分子材料與工程專業學生的就業競爭力，以及培養具有創新精神和能力的卓越工程師和優秀科研人才具有重要的意義。

作者：徐鼐 李志君 杜杰 趙富春 單位：海南大學材料與化工學院高分子材料與工程系