模具设计课程群教学改革范文

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塑料加工成型及模具设计课程群虽然属于高分子工程领域的教学范畴，但所涉及的知识贯穿了高分子材料的性质、塑料加工机械设备的结构与使用、塑件设计与开发、成型模具设计与制造等领域，横跨了高分子材料、机械设计与制造以及计算机科学等多个学科。不但有较多的理论授课学时，也有一定学时的实验内容，是一类理论性、实践性强的教学体系。很多知识点和内容相对抽象，需要学生具备一定的抽象思维能力。而使用传统的教学方法和手段，教师往往很难使学生充分理解所讲授的知识点，无法调动学生的学习热情，导致学生把课程当做负担，产生畏难情绪，教学效果大打折扣。

例如在“高分子材料成型加工基础”与“塑料制品工艺学”的教学中，涉及关于聚合物性质、成型设备结构与成型工艺关系的知识点，单纯的课堂教学很难保证学生能够充分理解和掌握。而在随后的实验中，由于实验条件的限制，往往开展的是简单验证性实验，大大限制了对学生思考和动手能力的培养。而在“塑料模具设计与制造”、“塑料模具CAD”的教学中，由于加工成型设备以及模具的种类繁多、且内部结构复杂，加上传统模具制造成本较高，使得教学模具缺乏。在进行课堂教学以及CAD实验时，由于缺乏模具实物，不得不依靠教学挂图等二维平面手段进行讲解，学生无法对模具的结构和组成产生直观的感知，导致学习热情和学习效果大打折扣。虽然有多媒体辅助手段，但上述问题依然不能得到有效解决。针对上述问题，教育工作者在教学方法上做出了有益的尝试和努力。比如梁春杰等和陆军建等将多媒体等现代教育技术与传统教学法相结合，并将创意教学和案例教学引入到授课当中。张道洪等采用动画仿真技术、成立科研兴趣小组等手段调动学生的学习主动性；伍凯飞等和王乾探索了信息化教学中各种网络信息化平台工具在高分子材料成型加工技术及模具课程中的应用。吴育钊将项目教学法引入教学当中，调动学生在相关课程中的学习热情和主动性。

笔者作为长期承担本校塑料加工成型与模具设计课程群的授课教师，积极采取了一些相应的革新手段来提高教学效果，比如引入多媒体教学，增多实验与实践学时等，虽然取得了一定的效果，但离创新型人才的培养目标还有一定的距离。如何引进新型教学技术或手段，通过与现有教学方法进行融合，高效地将课堂教学和实习实践有机结合起来，强化教学效果，激发学生学习热情，增强学生自主学习和创新能力，是亟待解决的一个难题。由于3D打印技术的快速发展，极有可能在未来成为高分子材料成型技术中的一个重要分支。同时，3D打印技术在材料开发、个性化制品设计和开发领域具有独特的优势，非常适合将其引入塑料加工成型及模具设计课程群的教学与实验当中，通过将该技术运用到实际的教学活动中，激发学生的学习兴趣，引导学生进行个性化的课程实验，甚至开展一定的科技创新活动。这对于培养具有创新精神和动手能力的科学及工程类人才具有较好的辅助作用。下面，我们将探讨一些将3D打印技术与现有教学体系及方法有机结合的方式和方法，供大家共同研讨。

（1）将3D打印技术带入高分子成型加工的授课环节。在“高分子材料成型加工基础”和“塑料制品工艺学”的教学环节中，重点围绕“组成-微观结构-物理性能-加工成型”这四个要素进行展开，尤其在成型加工设备及工艺方面，比如注塑、挤出、吹膜等，由于实验条件的限制，学生往往接触到的是预先设定好的教学内容和验证性实验步骤，教学方式不够灵活，导致学生在实验过程中机械地进行实验操作，无法发现新的问题并进行有效解决，造成学生不能对所学知识点充分的理解和掌握。激发学生好奇心和创新意识更是无从谈起。而熔融层积型3D打印机，其实质是热塑性高分子树脂的熔融纺丝及层积定型过程，常用到的打印材料为ABS和聚乳酸。通过让学生熟悉该类打印机的使用方法，制备出一些个性化的造型塑件，从而让学生对3D打印产生兴趣。向学生讲解挤出及纺丝成型与高分子流变学、加工工艺、高分子微观结构和组成间的关系、接收板温度（热处理温度）与塑件结晶、内应力及收缩变形间的关系等等专业知识。在对上述加工成型知识和内容有了较深入的认识和理解后，可以让学生尝试使用多种其他类型的热塑性高分子树脂进行3D打印，指导学生通过使用熔融指数仪、毛细管流变仪选定适合3D喷丝打印的高分子树脂，并适时让学生思考影响和控制高分子熔体流动性能的影响因素有哪些；筛选出适合纺丝的树脂后，通过3D打印机进行打印实验，针对实时出现的问题，引导学生利用课堂所学习到的专业知识进行解决。

（2）利用3D打印制备仿真教具。“塑料模具设计与制造”、“塑料模具CAD”的教学中，由于金属模具种类繁多、结构复杂、笨重，加之价格不菲，导致缺乏足够的模具向学生展示，只能利用二维挂图和PPT向学生介绍模具及其结构，无法强化学生对模具内部结构的感官认知，教学效果不佳。而利用3D打印可以方便的制得各类模具及相应零部件的仿真教具，在课堂讲解时结合平面挂图、多媒体，使学生对模具的内部结构及功能一目了然，增强了教学效果和学习兴趣。在“塑料模具CAD”的上机实验中，通过观察事先3D打印的塑件，让学生直观了解所要绘制的塑件三维结构，减少绘制过程出现的低级错误，并可将学生完成的CAD图样用3D打印机打印出来，检验建模效果，如图2所示。而在随后对塑件进行的模具CAD开发环节，教师将事先打印出的仿真模具及其可拆卸零部件向学生展示，加深学生对所要构建模具内部结构以及各个零部件装配关系等关键要素的了解，减少学生建模时的盲目性，提高学习兴趣和效果。

（3）成立兴趣小组或者项目小组。在经过上述课程教学后，成立若干围绕3D打印的兴趣小组或项目小组，以团队合作的方式设计开发个性化3D作品；或者以项目的形式，根据教学需要，设计、绘制、打印并装配一些新的教学模具，不但使高年级同学进一步加深对模具结构和功能的认识，提高模具设计水平，还能进一步丰富教学模具的种类。

（4）围绕3D打印技术，鼓励学生开展科技竞赛和科研创新活动。为进一步培养学生的创新精神、科学研究以及工程技术能力，激发学生对工程、设计、制造和科学相关课程的兴趣，围绕对大学生“发现问题-解决问题-自主学习”这一能力体系的培养，以3D打印技术的应用以及新型3D打印用高分子材料的开发为主题，鼓励学生积极申请和参与各类大学生科技竞赛和创新创业项目。利用所学的高分子加工成型、塑料模具等方面的知识，逐步发现并解决在研发过程中遇到的种种不可预见的问题，从而在完成预定竞赛和科研任务的同时，使大学生的科研和工程应用能力得到了大幅度的提升和强化。

综上所述，通过在相关课程群的教学和实践中适时引入3D打印技术，在与现有教学体系和手段密切配合下，将会有效提高学生的学习兴趣和学习效果；学生通过对3D打印技术的亲自操作，以及对新型3D打印用高分子材料的研发，进一步提高学生对所学专业知识的理解、掌握，有利于巩固所学的专业知识，对提高高分子材料与工程专业学生的就业竞争力，以及培养具有创新精神和能力的卓越工程师和优秀科研人才具有重要的意义。

作者：徐鼐 李志君 杜杰 赵富春 单位：海南大学材料与化工学院高分子材料与工程系