基于激光加工技术的创新训练项目研究

■ 朱雪明 曹刚 王凤华

0 引言

随着科技的进步和社会的发展，我国的高等教育已由20 世纪末的快速发展转到现在的稳定发展时期，我国经济建设的发展对高等教育的人才培养质量也提出了新的要求。根据教育部2013 年提出的《关于完善本科学校设置工作的指导性意见》，对于工程训练中心及其教学定位“工程训练中心要象高校的图书馆、体育馆一样，成为一种常态化的教育资源[1]。”

工程训练中心作为学校的工程素质教育平台，其在成立之初的既被赋予了“第二课堂”“实践操作基地”等职责，而在“大众创新、万众创业”“中国制造2025”以及新一轮“互联网+”的时代浪潮中更好的为学生服务，做好学生创新创业的“抓手”和“台阶”将是新时代工程素质教育的关注重点。

随着人类社会发展，新时代创新成果已由“摘果子”似的创新演变为在现有技术或产品的基础上通过对于不同技术或学科的交叉实现的“组合式”创新。在这个创新过程中，作为创新主体的人所了解或掌握的知识和技术就显得尤为重要。实践教学环节将成为学生创新教育的基础性环节，在这个过程中学生通过对于新知识，新技能的学习会初步掌握创新思维和创新方法，为后续创新能力的提升打下坚实基础。

1 激光加工技术的发展现状

激光加工技术的主要特点是由激光器产生较大功率的激光束，通过对材料表面的集中照射产生大量热能来去除材料的加工方式，自20 世纪60 年代问世后就广泛应用于通信、测量、医疗及加工制造等行业。经过多年发展，目前已经应用在生产实践中的激光加工技术主要有激光切割、激光打标、激光焊接及激光表面处理等[2]。

激光加工的原理特性决定了其具有非接触、高精度、高效率及可加工复杂形状的特点。由于激光加工的非接触特性，所以没有“刀具”的概念，在加工时也不会产生应力变形。所以激光加工在加工复杂的薄片状零件时具有很大优势，例如大型集成电路板的雕刻与切割，市面上主流的激光雕刻机可以在线宽15～25μm 槽深5～200μm 的范围内以200mm/s 的速度进行加工，且不会造成电路板的变形及破裂。

2 激光加工实训课程设置中对于创新教育的体现

激光加工实训课程主要分为以下几个层次，如图1 所示。

图1 激光加工教学体系

（1）日常实训教学，面向对象为所有低年级学生，学生多为初次接触激光加工手段。课程以基础理论讲解和激光设备简单使用为主，通过指导学生使用设备，对于激光加工的特点与加工能力有一个清晰的认识。

（2）综合创新课程，面向对象为高年级理工科专业学生，学生已接触过激光加工。课程内容主要是通过项目作品的制作来进行，学生需要使用包括激光加工在内的多种手段，按照教学目标通过团队合作的方式来制作某些机电结合的项目作品。

（3）社团创意课程，主要针对木创、创新创业等学生社团，社团学生可以在前期掌握激光加工设备的基础上通过发挥自己的创意制作创意作品。

（4）竞赛项目应用，工程训练中心一般定位为学校的“实践教学基地”，每学期都有大量学生参加各类学科竞赛，在这个参与竞赛的过程中，鼓励学生通过自己操作包括激光设备在内的各种加工设备制作作品参加比赛，如图2 所示。

图2 激光加工小车车架

3 基于激光加工的各类创新训练项目

3.1 木质国风书签

在木创社团的社团活动中，指导老师结合该激光加工的特点，给定了结合手工木作和激光加工来制作木质书签的选题方向。根据题目，首先要求学生以小组发挥创意来确定初步方案，然后通过学生小组交叉评审及投票来选定制作方案。根据设计方案，学生需要制作出具有本小组特色的木质书签，如图3。

图3 木质国风书签

在制作过程中，通过老师的指导，学生需要掌握如CAD、RDWORKS 等图形绘制及激光加工软件，以及简单的木作技巧，例如木材的开料、打磨、抛光等技艺。设计过程学生需要考虑材料的形状特点，以及各种装饰的图案或者文字，并且需要兼顾考虑作品的美感。例如材料打磨出来后，为了保持轮廓的清晰则需要对材料的边缘进行切割以及某些花纹的设计需要适当超出材料边框等。

在设计过程中学生除要求熟练运用各种绘图工具外，对于学生的创意以及技能的熟练程度都有一个综合性的要求，经历了此过程，学生将对设备的加工能力、材料的特性等都有了一定的了解，将有利于学生创新综合能力的培养。

3.2 创意小盒子

针对非金属激光加工的设备特性，设计此项目作为综合创新课程的激光加工训练项目。在项目中，学生根据设备能力、材料厚度、作品外形等条件设计各块板材的外形尺寸、卡口位置及厚度等内容。例如，如果选用3mm 的木芯板作为制作材料则两块板之间的卡口尺寸应选择3mm，同时考虑到激光加工的切缝，此卡口尺寸选择2.95～2.98mm 之间为宜，加工图例如图4。

图4 创意盒子图纸

作品虽小，但所有问题均是基于实际对象提出，学生在制作过程中会利用所学理论知识解决实际问题，在此过程中学生会涉及到诸如材料利用率方面的成本问题，也有不同板材厚度导致的卡口尺寸配合的工业问题[4]。通过对于这些实际问题的解决，训练了学生的综合创新能力，制作成品如图5。

图5 创意盒子成品

4 结语

创新创业除有创新的思维外，还要有相应的技术能力。而激光加工技术的应用门槛相对较低。学生通过对于设备操作知识的简单学习，再结合他们前期所学的理论知识，既可以将各种创意变为现实。通过理论、设计、创新这一过程，学生积累了对于实际工程问题的解决能力，并培养了学生的创新思维。通过此类实训项目的开展，学生对于产品的设计开发过程有了系统认知，这将十分有利创新创业教育的推广和发展。