开放式激光加工创客平台建设探索

摘"要：为应对新工业革命带来的挑战，高等工程教育势必与时俱进、作出变革，适应国家对创新型工程人才的培养需求。天津大学在工程教育实践类课程的调整重构阶段，为解决传统激光实训受客观条件和固定模式限制的问题，将激光实验室、信息管理系统、虚拟仿真系统作高度集成，构建激光加工创客平台，面向不同背景、层次的学生建立开放式、自助型、分层级的项目牵引教学模式，并匹配全过程考核评价体系，寓思政元素于其中，致力于学生知识目标、能力目标和情感目标的全面达成。关键词：工程教育；激光加工创客平台；实践教学；课程思政0"引言制造业是国民经济的主体，是立国之本、兴国之器、强国之基。随着世界百年未有之大变局加速演进，制造业已逐渐成为左右大国博弈成败的核心力量。从全球范围来看，目前各国都在积极布局、蓄力投身新工业革命的浪潮：西方国家的“工业4.0”战略正在稳步实施，《中国制造2025》则对国内制造业的转型与升级作出了顶层设计，中国制造开始向中国创造全速迈进[1]。在此背景下，我国高等工程教育重任在肩，亟须识变、应变、求变，紧跟当今制造业前沿，将新兴技术与工艺融入教学体系，探索应用型、创新型工程人才培养的新范式[2]。激光加工技术是先进制造技术的典型代表，加工时通过聚焦使高能量密度精确传递到加工位置，实现复杂形状的高精度加工[3]。相对传统制造技术而言，激光加工被归类为无接触式加工，不存在刀具拆装与磨损问题，不会产生机械应力，加工速度快且无噪声，依靠调整能量密度与照射时间，能够实现多种类型加工，同一设备多工序集成性强，现已成为制造业自动化的主流技术，将其纳入高校工程教育实践类课程体系具有很强的现实意义，同时也是大势使然。本文将对高校传统激光实训中存在的问题进行分析，并就激光加工创客平台的建设方案作详细探讨。1"常规式激光实训中存在的问题自新工科建设提出以来，国内高校工程实践类课程改革如火如荼，各种新型训练内容层出不穷。激光加工在实践教学上有其独特的优势：设备种类多且大多容易上手、加工对象广且作品展现力丰富、加工过程快捷且精度高质量好。因此被众多高校所关注并相继引入，而在具体教学活动中却尚未突破客观办学条件的制约和传统实训模式的桎梏，总体呈现以下问题。1.1"教学设备资源不足激光设备的采购种类虽多，但单品种设备的数量有限[4]，在规定的课时内无法满足学生单机式训练的需求。1.2"过度强调技能培训常规式激光实训常将重点放在设备操作能力上[5]，忽视对学生工程综合能力与创新意识的培养。1.3"实训内容固定单一对所有学生都开设相同的训练内容[6]，没有充分考虑不同层次背景的学生在知识掌握程度与专业培养目标上存在的差异。鉴于以上种种，天津大学机械工程实践教学中心（以下简称中心）积极探索破局之法，对原有课程进行本地化升级与改造，基于现实设备打造激光加工创客平台，让学生有效地学习工艺知识、建立工程概念、参与制造过程、培养工程素质。2"基于激光加工打造创客平台2.1"开放式、自助型训练模式构建激光加工设备种类繁多。目前中心已购置非金属激光雕刻机2台、金属激光切割机1台、激光打标机3台、激光内雕机2台和激光焊接机5台，建成较先进的高校激光实验室。为破解传统实训受场所、设备、课时等条件限制的问题，现已将中心教学管理系统和虚拟仿真系统与实验室软硬件集成为激光创客平台，构建开放式、自助型实践教学新模式。实践教学不能脱离理论知识的指导，依托教学管理系统，将激光加工涉及的必要专业知识以视频、课件等多样化教学资源的形式作模块呈现并由互联网开放共享。同时教学管理系统还可以线上发布学习任务与答疑，提供加工时间、设备、材料等的预约服务，教师在后台做好全局性统筹和安排。针对教学设备资源不足的情况，匹配了基于中心真实设备开发的虚拟仿真资源，如图1所示，学生可以在其中进行设备操作的单机式仿真练习，弥补单品类设备台数不足的缺憾。在全新的教学模式下，学生按需利用课余碎片化时间进入跨越时空限制的线上第二课堂，通过网络进行理论知识的学习、设备操作的训练、设计软件的熟识、创意作品的设计，而线下加工则会采取预约制度进行设备开放。学生经由线上学习掌握基本知识并通过考核后方能获准进入激光实验室，实验室中的每台设备都已匹配专属的二维码，学生扫码即可获得设备的结构介绍、加工原理、安全规程、操作步骤等信息，结合前期的设备仿真训练和理论内容学习，完全能够以自助形式执行作品的加工制作，并具备对加工过程中所产生物理现象的基础分析能力，全面系统地认识激光制造技术。2.2"差异化、项目制教学内容设计激光加工实践教学受众面广泛，学生的专业背景和层次区别较大，若忽略教学主体的差异，继续遵循无层次性、专注于技能培训的旧轨，则实现应用创新型工程人才的培养目标将沦为天方夜谭。中心致力于脱离传统实训模式的窠臼，在促成学生主动式学习、探究性学习和个性化学习上推出诸多举措，基于CDIO（构思Conceive、设计Design、实施Implement、运行Operate）工程教育理念[7]，按照学生学习和认知的规律，打造一批由易到难递进式的训练任务，构建激光课程“基础实践、进阶强化、综合创新”三层次的项目牵引式课程体系。图2所示为课程的主体框架。非机械类专业低年级学生通常对设计和绘图软件基础知识掌握相对薄弱，适合向他们开放基础实践层次的训练项目，即安排他们进行LaserMaker激光建模软件的基础功能线上学习，线下则应用非金属激光雕刻机完成剪纸、书签等二维作品的加工制作，主要着眼于工艺过程认知和作品设计体验。针对非机械类专业高年级和机械类专业低年级学生，考虑到他们已具备初步设计能力和绘图基础，可以实施进阶强化项目，学生以小组形式进行前期学习与准备工作，作品任务为指定项目主题的3D立体拼插作品。设计方案涵盖零件轮廓绘制、榫卯结构设计、作品材料选择、工艺模式设置和加工参数调试等，全方位锻炼学生的创意设计水平、立体构图思维、加工精度意识和实践动手能力。图3所示为学生设计的天津大学东校门和最终呈现的椴木板拼插作品，应用了激光浅雕、描线、切割三种工艺。图4为进行激光雕刻时调试加工速度与激光功率的过程，以期呈现最佳的雕刻效果。针对机械类专业学生，开放创客平台全部的资源权限，鼓励他们应用多种工艺完成个性化创意作品的制作。引领学生面对综合复杂的工程情境，创造性地解决实际问题，全程贯彻“边做边学，在做中学”“真实产品，真实制造”的理念，唤醒学生的工程师意识，契合专业培养目标。2.3"全过程、多元性考核机制落实完善的实践课程体系必须以科学的评价方案作为支撑，考核评价方案合理与否直接决定了项目实施的效果，同时会影响后续学生选课的积极性。基于激光创客平台开放的所有项目都采取形成性全过程的评价方式[8]，由“学生自评所得、组内互评表现、教师点评过程”构成三角式循环，分别占比10%、40%、50%，如表1所示。考核评分表中所列各单项评分的满分为20分，近乎覆盖整个实训过程：线上学习的作业反馈、创意作品的图纸和工艺方案、设备的规范操作能力、作品的完成情况（兼顾创新性和复杂程度）、项目报告对整体执行情况的记录与总结。最大限度地体现考核结果的科学性与公正性，完整呈现对学生工程实践能力与创新能力的培养情况，有助于创客平台项目的持续建设与优化。3"思政元素融入创客教育工程教育改革和课程思政建设是时代赋予高等工科教育的主题与使命，参考现代教育理论中KAPO模型的教学改革三维度目标[9]，除知识与技能（Knowledgeamp;Skills）、过程与方法（Processamp;Steps）之外，情感态度与价值观（EmotionalAttitudeamp;Values）的培养也极为重要。在做激光加工创客平台的项目设计时，充分挖掘其中所蕴含的思政元素，例如：《墨经》光学八条的论述奠定几何光学的基础；我国激光技术从追赶西方到后来居上的历程；钱学森先生在翻译激光术语时强调融入中国味道，等等。同时，在学生进行激光加工的空隙，结合激光纸张切割、木板深雕和作品组件装配等具体阶段开展丰富的主题教育：民间剪纸艺术蕴含劳动人民对美好生活的向往、中国雕版印刷技艺作为印刷史上的“活化石”而入选人类非物质文化遗产代表作名录、榫卯技术在方寸之间展现了力与美的结合等等，形成了丰富的作品案例库。实践类课程以其亲历性、体验性的特点，自然成为开展思政教育的良好载体，而思政元素的引入也使实践教学更具育人价值。二者能够在激光加工创客平台上产生同频共振，并会继续同向同行。4"结束语激光加工创客平台是动态建设与逐步完善的，从最初的认知训练慢慢拓展为现在的激光造物，其间