梁雄 伍曉宇 彭太江 黃桂堅

摘 要 塑料成型工藝與模具是機(jī)械設(shè)計制造與自動化類本科專業(yè)的核心專業(yè)課程，本課程的實踐教學(xué)活動與工程實踐結(jié)合極為緊密，因此在塑料成型工藝與模具課程的實踐教學(xué)中適當(dāng)引入PBL（Project based Learning，工程項目學(xué)習(xí)）實踐教學(xué)模式，通過設(shè)置小型模具全研發(fā)項目，指導(dǎo)學(xué)生分組完成模芯設(shè)計、關(guān)鍵零部件加工、精整、拋光、裝配、試模、修模和注塑成型等8個教學(xué)環(huán)節(jié)，提高學(xué)生的實踐能力。

關(guān)鍵詞 精品課程；實踐教學(xué)；PBL模式；塑料模具

中圖分類號：G642.44 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：1671-489X（2013）03-0154-04

Research on Project-based Teaching of Fine-designed Course Plastic Injection Process and Mould based on PBL//Liang Xiong， Wu Xiaoyu， Peng Taijiang， Huang Guijian

Abstract Plastic Injection Process and Mould is a core specialized course for the student majoring in Machine Design， Manufacturing and Automation. The course is closely connected with the engineering practice， so that PBL teaching model is introduced in the teaching of Plastic Injection Process and Mould. Through the design of small-scale projects， students are instructed to achieve the following the eight teaching steps including mold core design， key components manufacture， finished machining， polishing， assembling， mould testing， mould modifying， mould injection and as a result students practical ability is improved.

Key words fine-designed course； practice teaching； PBL model； plastic mould

1 引言

塑料成型工藝與模具精品課程在2009年被廣東省教育廳確定為省級精品課程予以資助建設(shè)，課程的開課對象是有志于從事模具設(shè)計與制造的機(jī)械學(xué)科高年級本科生。該課程綜合性、實踐性非常強(qiáng)，通過設(shè)置小型模具全研發(fā)項目，指導(dǎo)學(xué)生分組完成模芯設(shè)計、關(guān)鍵零部件加工、精整、拋光、裝配、試模、修模和注塑成型等8個教學(xué)環(huán)節(jié)來提高學(xué)生的實踐能力。為此，提出根據(jù)專業(yè)技術(shù)領(lǐng)域和職業(yè)崗位（群）的任職要求，參照相關(guān)的模具工程師職業(yè)資格標(biāo)準(zhǔn)，改革課程體系，增加實踐教學(xué)內(nèi)容，建立突出職業(yè)能力培養(yǎng)的課程體系標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范課程教學(xué)的基本要求[1-2]。

傳統(tǒng)的塑料成型工藝與模具課程期末總評成績的取得主要有兩種方式：試卷考試和課程設(shè)計。試卷考試只是對一些課程知識點的筆試，缺乏實踐部分，而課程設(shè)計方式雖然被證明是一種相對較好的綜合訓(xùn)練方式，但很多高校由于缺乏相應(yīng)的實踐教學(xué)硬件和軟件環(huán)境，而最終也只囿于完成模具圖紙的設(shè)計，沒有或者很少涉及模具加工制造以后的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)模具課程培養(yǎng)出來的學(xué)生實踐能力較差，難以適應(yīng)于現(xiàn)代模具企業(yè)的需要。更為嚴(yán)重的是，目前高校青年教師也是從這樣的本科和研究生傳統(tǒng)教育體系中逐步過來的，他們之中的許多人畢業(yè)之后又沒有經(jīng)過模具企業(yè)技術(shù)工作的磨練而直接走向模具教學(xué)一線，造成極其嚴(yán)重的木桶效應(yīng)[3-5]。

目前國內(nèi)有些高校已經(jīng)認(rèn)識到實踐教學(xué)的重要性，在塑料模具實踐教學(xué)內(nèi)容中加入一些典型透明模具模型的拆裝實驗，這使得學(xué)生對一些典型的模具結(jié)構(gòu)有了較為粗淺的認(rèn)識，對于實踐教學(xué)效果有一定的改善，但沒有從本質(zhì)上解決問題。對于模具制造工藝教學(xué)內(nèi)容，有條件的高校雖然開設(shè)了模具型面的數(shù)控實踐教學(xué)內(nèi)容，但往往使用的是亞克力、ABS等硬塑性材料進(jìn)行模芯的演示性加工，并沒有涉及后續(xù)的精整、拋光、裝配和注塑成型等實踐性強(qiáng)的環(huán)節(jié)。

對于塑料成型工藝與模具這類實踐性很強(qiáng)的專業(yè)課程，高校教育工作者應(yīng)該改變以往傳統(tǒng)的教育思想，重新探索更加合理、完善的實踐教學(xué)模式，讓實踐教學(xué)與工程實際緊密結(jié)合起來，這樣才能培養(yǎng)出適合時代要求的高素質(zhì)工程技術(shù)人才?；谶@種理念，提出并且實施基于PBL模式的實踐教學(xué)，要求學(xué)生以模具項目為中心，邊干邊學(xué)，完成模具設(shè)計、關(guān)鍵零件的加工、精整與拋光、裝配和注塑成型教學(xué)實踐環(huán)節(jié)。

2 基于PBL模式的實踐教學(xué)

基于工程項目的學(xué)習(xí)（Project based Learning，PBL）模式，是以學(xué)習(xí)/研究某種或多種學(xué)科的概念和原理為中心，在真實世界中借助多種資源開展探究活動，并在一定時間內(nèi)解決一系列相互關(guān)聯(lián)問題的一種教學(xué)/學(xué)習(xí)模式[1，5-7]。

2.1 工程項目教學(xué)模式構(gòu)成要素

基于工程項目的學(xué)習(xí)實踐模式主要由內(nèi)容、活動、情境、結(jié)果四大要素構(gòu)成。

1）內(nèi)容：學(xué)科的核心觀念和原理。PBL模式的主要學(xué)習(xí)內(nèi)容是在現(xiàn)實生活和真實情境中表現(xiàn)出來的各種復(fù)雜的、非預(yù)測性的、多學(xué)科知識交叉的問題。這種內(nèi)容的定位體現(xiàn)了當(dāng)今教育教學(xué)改革發(fā)展的價值取向，因為它使得師生集中精力，對學(xué)科知識核心概念和觀點進(jìn)行深度學(xué)習(xí)和研究。

2）活動：生動有效的學(xué)習(xí)策略。PBL模式的活動主要是指學(xué)生采用一定的技術(shù)工具和一定的研究方法對問題求解所采取的探究行動。通常開展這種活動的順序是：①給學(xué)生一個非常具體的工程實踐問題；②學(xué)生通過自主學(xué)習(xí)和各種途徑搜尋資料，如實地調(diào)查研究、上網(wǎng)搜索、去工廠實地調(diào)研等；③對所掌握的工程知識和資料進(jìn)行相應(yīng)的處理、加工并生成一定的信息，從而找到解決工程實踐問題的最優(yōu)答案。

3）情境：特殊的學(xué)習(xí)環(huán)境。PBL模式注重促進(jìn)學(xué)生之間的合作學(xué)習(xí)，同時也支持學(xué)生的差異化學(xué)習(xí)。PBL模式中的情境作用定位主要表現(xiàn)在：①促進(jìn)個人與個人之間以及個人和團(tuán)體間的分工合作；②鼓勵學(xué)生使用并掌握技術(shù)工具。

4）結(jié)果：豐富的學(xué)習(xí)成果。PBL實踐模式強(qiáng)調(diào)促進(jìn)學(xué)生掌握豐富的工程技能并將這些技能運(yùn)用于終身學(xué)習(xí)中。其成果主要包括：①運(yùn)用知識的技能和策略；②特定的技能、計劃/部署、態(tài)度以及成功開展工作的信念。

2.2 PBL實踐教學(xué)模式操作流程

PBL模式強(qiáng)調(diào)的是以學(xué)生為中心，強(qiáng)調(diào)項目小組合作學(xué)習(xí)，要求學(xué)生解決工程中的實際性問題。通常，其操作流程分為“擬定/選定項目—制定計劃—活動探究—完成工程項目—成果交流—自我/活動評價”等6個步驟[2-3，5]。

教研組拋棄了傳統(tǒng)教學(xué)只著重于模具結(jié)構(gòu)設(shè)計的思路，改用基于PBL的實踐型教學(xué)模式。學(xué)生在這一過程中依據(jù)項目的進(jìn)度來變換自身的角色，既可充當(dāng)工程師進(jìn)行模具結(jié)構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計，又可以作為操作工完成模具關(guān)鍵零部件的加工，最后作為鉗工完成模具的精整與拋光、裝配、修模與試模。邊干邊學(xué)、實際動手，完成全過程實踐訓(xùn)練。

這種實踐性的教學(xué)模式，需要仿真模具企業(yè)的運(yùn)作模式，不但要求學(xué)生嚴(yán)格按照規(guī)范完成塑件與模具的設(shè)計，還需按照進(jìn)度將模具加工制造出來，并且最終進(jìn)行注塑成型以獲得合格的塑件成品。因此，這種教學(xué)模式實施起來不管是對學(xué)生或是教師，有相當(dāng)?shù)碾y度，一般來說模具成本較高。就單拿工作周期來考慮，一套中等復(fù)雜程度的注塑模具即使由具有相當(dāng)經(jīng)驗的專業(yè)廠家來加工制造，其交貨期也需要一個月左右。教研組全部按照模具企業(yè)的流程來組織實踐教學(xué)是不太現(xiàn)實的，需要在模具結(jié)構(gòu)和企業(yè)流程上大量簡化，但簡化原則是在有限的課時內(nèi)，使得學(xué)生學(xué)會模具設(shè)計制造的基本知識和操作實踐技能，課堂學(xué)時需大量壓縮，同時還需占用學(xué)生一部分課外時間進(jìn)行加工制造。以往以知識傳遞和灌輸為主的教學(xué)模式，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)造靈感受到壓抑，所以也完全有必要進(jìn)行壓縮——僅有針對性地講授最基本的內(nèi)容，而其余相對次要的課程內(nèi)容交由學(xué)生自學(xué)，同時在實踐環(huán)節(jié)中互動解決，帶著問題向課本、向技術(shù)資料、向他人學(xué)習(xí)，進(jìn)而提升學(xué)生的學(xué)習(xí)實踐能力。

教研組將塑料成型工藝與模具的實踐教學(xué)內(nèi)容分解為6個部分，下面詳細(xì)討論其體系。

1）塑料制品。了解熱塑性材料和熱固性材料的共性規(guī)律，重點學(xué)習(xí)掌握常用塑料材質(zhì)ABS、PC、PP、POM、PVC等的使用性能、注塑成型熔化溫度和合理熱變形溫度范圍。掌握塑料制品結(jié)構(gòu)工藝性要點，重點學(xué)習(xí)分型面、脫模斜度、壁厚等基本設(shè)計參數(shù)。課后隨即要求學(xué)生以兩人組成一個項目小組，選擇不同的小型塑件進(jìn)行3D設(shè)計，各向尺寸不能超出事先規(guī)定的范圍以配合定制模架的規(guī)格，常選用的塑件如塑料瓶蓋、打火機(jī)機(jī)頭、鍵盤按鍵和小扣件等。

2）模具基本結(jié)構(gòu)。學(xué)習(xí)二板式和三板式模具基本結(jié)構(gòu)、各零部件中英文名稱和功能，教學(xué)項目限定為二板式模具，因此需要重點掌握。在掌握基本模具結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上學(xué)習(xí)不同類型的模具，重點是講解常見的斜導(dǎo)柱側(cè)抽芯結(jié)構(gòu)、斜推桿側(cè)抽芯結(jié)構(gòu)和高光無痕注塑模具；簡要講解帶拆卸螺紋抽芯結(jié)構(gòu)的模具、定模設(shè)有脫模機(jī)構(gòu)的模具、帶熱流道系統(tǒng)的模具、疊層模具、雙色模具和氣體輔助成型模具等。為了配合實踐教學(xué)，教研組自制一批不同類型結(jié)構(gòu)的透明模具，這一教學(xué)過程結(jié)合透明模具模型拆裝實驗互動進(jìn)行；澆注系統(tǒng)重點講解常用的流道形式、Z形冷料穴和側(cè)澆口，對于其他的形式只作一般性介紹。課下學(xué)生展開模芯毛坯的加工，每個項目小組各自進(jìn)行動定模芯六面銑削加工（開坯料）以及緊固螺釘孔的預(yù)鉆孔與攻絲，其中定模芯需要完成澆口套安裝孔的鉆削，而動模芯需要考慮課程項目設(shè)計塑件所需要安放頂針的數(shù)量和位置，完成頂針孔和拉料桿孔的鉆削。

3）動定模芯結(jié)構(gòu)設(shè)計。使用三維CAD軟件互動進(jìn)行，不同的軟件工作思路基本一致，教研組所使用的是SolidWorks2003教育版軟件，學(xué)生在計算機(jī)輔助設(shè)計類的課程中已學(xué)會該軟件的基本使用功能，在本課程中學(xué)生需要重點掌握曲面操作功能，并且根據(jù)之前所設(shè)計的3D塑件設(shè)定其收縮率、動定模型腔曲面的抽取、缺口封閉、各曲面實體縫合成整張曲面實體等操作，最后通過曲面截切六面體模芯毛坯而分別得到動定模型腔，完成模芯3D設(shè)計。

4）模具材料和制造。講授常用的模具材料，學(xué)生需掌握國內(nèi)外常用的模具鋼型號，簡要了解動定模型的制造工藝編排，制造工藝的學(xué)習(xí)重點是數(shù)控加工和電火花加工。學(xué)生在實訓(xùn)教師的指導(dǎo)下，針對各自項目的動定模芯特點，使用UG、MasterCAM等后處理軟件生成G代碼進(jìn)行數(shù)控加工。

對于電火花加工則需要學(xué)生掌握電極設(shè)計基本方法和放電工作原理，由于電火花加工工時長，大多數(shù)項目小組應(yīng)盡量避免后續(xù)出現(xiàn)電火花加工，個別項目小組出現(xiàn)較短工時的電火花是允許的，此時可以集中所有學(xué)生進(jìn)行現(xiàn)場觀摩學(xué)習(xí)。

5）表面精整與拋光、模具裝配。采用現(xiàn)場互動教學(xué)，教師先示范，而后學(xué)生操作，這一過程時間較長，該階段的學(xué)習(xí)主要在課后進(jìn)行。大多數(shù)項目小組的模芯沒有經(jīng)過電火花放電加工，可先使用金剛石銼刀和纖維油石對其進(jìn)行型面整形，然后用銅條加研磨膏研磨。如加工表面較粗糙，可先用W40鉆石研磨膏進(jìn)行研磨，接下來用竹片工具頭或棉簽加W28、W14、W7鉆石研磨膏依牌號次序進(jìn)行拋光，就可達(dá)到Ra0.06左右的粗糙度；如有必要，可再用木片工具頭加W7、W3.5鉆石研磨膏依牌號次序進(jìn)行兩次拋光即可達(dá)到Ra0.012等級。研磨時加少量煤油使研磨膏成漿糊狀，拋光效果會更好。

更換研磨膏時，必須反復(fù)向?qū)W生強(qiáng)調(diào)，每次研磨完后，必須將工具清洗干凈，不能殘留有上次的研磨膏，銅條和竹片必須銼削干凈，每級研磨膏需配有專用的木片或棉簽，否則達(dá)不到預(yù)定的粗糙度而導(dǎo)致返工重做。

6）注塑機(jī)操作與注塑成型。項目進(jìn)行到這一階段，各項目小組之間的進(jìn)展有較大的差距，以最早完成加工和模具裝配的項目小組為例，進(jìn)行注塑機(jī)操作與注塑成型的互動式現(xiàn)場教學(xué)。首次注塑出的塑件在大多數(shù)情況下會出現(xiàn)缺陷，此時需授課教師有針對性地與學(xué)生討論缺陷出現(xiàn)的原因和改進(jìn)方案，之后學(xué)生會根據(jù)討論結(jié)果進(jìn)行一定程度的修模，直至注塑出合格的塑件，后續(xù)的項目小組可由先前完成項目任務(wù)的學(xué)生進(jìn)行指導(dǎo)而推進(jìn)實踐教學(xué)。

教學(xué)實踐表明，在PBL模式指導(dǎo)下的教學(xué)實踐對促進(jìn)課程建設(shè)起到十分明顯的作用。近年來培養(yǎng)的學(xué)生在三維軟件使用、模具設(shè)計和加工制造方面的能力有了明顯提高，大大提升了塑料成型工藝與模具課程的實踐教學(xué)質(zhì)量。

3 實踐教學(xué)的具體實施方案及成本預(yù)算

普通注塑模具加工難度大、成本高、交貨周期長，成本動輒在數(shù)萬元。而塑料成型工藝與模具課程總學(xué)時為60課時，如果按照每個項目組2名學(xué)生制作一套普遍模具，其工作量和成本是難以應(yīng)付的，在技術(shù)水平也難以達(dá)到要求。為使得教學(xué)實踐活動順利開展，教研組專門購置并改造一臺8噸直壓式微型注塑機(jī)，可以成型9克以內(nèi)的小型塑件。教研組自行研制一套二板式可快速更換模芯的通用型注塑模架，該套模架已獲得國家發(fā)明專利授權(quán)（一種通用注塑模架，專利批準(zhǔn)號為ZL200710077046.3），其特征之一是在頂針固定板上開設(shè)有蜂巢式的數(shù)排密集細(xì)圓通孔，可根據(jù)不同的塑件產(chǎn)品非常方便地調(diào)整頂針數(shù)量和位置，對于規(guī)格尺寸相近的塑件更換動定模芯、膠位鑲件、頂針和澆口套等零件后可共享同一規(guī)格模架。教研組根據(jù)上述專利加工5套同樣尺寸規(guī)格的二板式微型模架，其尺寸比目前常用最小規(guī)格的龍記模架1515CI還小，其型號被命名為深圳大學(xué)通用注塑模架SZU-QMB-1010-CI，其動定模板已預(yù)先開框，可嵌入的動定模芯尺寸在60mm×60mm×25mm以內(nèi)。

模芯采用普通的鋁合金材料，鋁合金材質(zhì)可保證數(shù)千次的成型周期，可以滿足實踐教學(xué)的要求。此外，鋁合金切削性能好，加工速度快、重量輕，價格便宜，大約為30元/公斤。其他零件價格：澆口套約5元/只，細(xì)頂針約1元/支。所有的加工利用學(xué)校工程訓(xùn)練中心的設(shè)備，不計入成本。因此，每個項目小組的材料總成本能控制在百元以內(nèi)，日常教學(xué)經(jīng)費(fèi)是完全承擔(dān)得起的。

在選擇和設(shè)計塑件時，應(yīng)避免設(shè)計帶有側(cè)抽芯、鑲件等較復(fù)雜結(jié)構(gòu)的模具，解決辦法就是對塑件的局部進(jìn)行適當(dāng)簡化處理，這樣做可以降低加工難度、縮短工時、降低成本。由于采用定制的二板式SZU-QMB-1010-CI型模架，其體積小、重量輕，項目組的兩位學(xué)生可通過手工操作快速安全地完成模具安裝和調(diào)試，最后進(jìn)行注塑成型。雖然塑件和模具結(jié)構(gòu)相對較為簡單粗糙，但對于PBL實踐教學(xué)而言，是一個綜合、完整和富有成就感的實踐過程，也很好解決了長期困擾教研組的實踐教學(xué)難題。

4 提高學(xué)生的綜合素質(zhì)

基于塑料模具全研發(fā)過程的實踐教學(xué)模式改變了以往“教師滿堂灌，學(xué)生被動學(xué)”的落后模式，在教學(xué)中，對教師的要求也更高了。教師需要根據(jù)每個項目小組工作進(jìn)展的情況進(jìn)行指導(dǎo)，出現(xiàn)共性問題時，可以集中所有學(xué)生進(jìn)行講解；出現(xiàn)個性化問題時，與項目組學(xué)生討論解決問題的各種方法，并選出最優(yōu)解決方案。在組織教學(xué)時，可適時結(jié)合最新技術(shù)參考資料來介紹本行業(yè)最新的技術(shù)進(jìn)展，更為重點的是要使學(xué)生進(jìn)行自主學(xué)習(xí)和主動提高其動手實踐能力。

提高學(xué)生的創(chuàng)新實踐能力，放手讓學(xué)生自主進(jìn)行學(xué)習(xí)，最能激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識和潛能。在全研發(fā)過程的實踐教學(xué)模式剛開始實施時，學(xué)生有些不知所措，此時需要教師進(jìn)行引導(dǎo)和啟發(fā)，但是隨著學(xué)習(xí)的展開和深入，以往所學(xué)的基礎(chǔ)知識也得以加強(qiáng)鞏固。例如，對于零件圖上孔間距尺寸的標(biāo)注，工程制圖這門課上有不同的標(biāo)注方案，學(xué)生以往覺得只要標(biāo)注清楚即可，沒有從加工方便性這個角度出發(fā)來考慮問題；現(xiàn)在由于要自己加工模具零件，加工過程需要在機(jī)床上使用打表定位，如果標(biāo)注不恰當(dāng)，就需要進(jìn)行換算，極易出現(xiàn)差錯，就需要重新改進(jìn)圖紙標(biāo)注方法。從實踐教學(xué)的角度來說，這樣的反復(fù)有利于鞏固學(xué)過的基礎(chǔ)知識。又如，以往曾有過學(xué)生在沉頭孔上攻絲，這充分說明傳統(tǒng)實踐教學(xué)模式的不完善，與實際項目結(jié)合動手實操的機(jī)會太少。在模芯上加工不同規(guī)格的螺紋孔時需事前進(jìn)行何種規(guī)格的預(yù)鉆孔，這樣簡單而具體的問題都需要在具體的實踐過程中得到訓(xùn)練。在指導(dǎo)學(xué)生完成項目時，教師要和學(xué)生形成良性互動，既不能操之過急，一味追求進(jìn)度而忽視質(zhì)量，又不能放手不管，任其自由發(fā)展，在教學(xué)實踐中要注意和學(xué)生一起反復(fù)溝通。

本課程以課程設(shè)計作為學(xué)生取得成績的方法，是基于PBL模式的全新考核方法。教研組改革了傳統(tǒng)的教學(xué)成績評定機(jī)制，無期末理論考試，總成績由學(xué)生的工程項目成績（占40%）+模具實物成績（占30%）+工程項目研究報告成績（占30%）三部分構(gòu)成。其中工程項目成績在課程結(jié)束后，由項目小組學(xué)生的自評成績與互評成績構(gòu)成，任課教師有一票否決權(quán)。模具實物成績由模具加工、裝配、精整與拋光、試模等幾部分成績構(gòu)成，此部分成績由實訓(xùn)教師來評定。工程項目研究報告成績由任課教師根據(jù)每位學(xué)生的研究報告來評定。在項目中成績表現(xiàn)突出的學(xué)生有更多的機(jī)會參與到教研組教師的各類縱向或橫向課題的研究梯隊[1-2]。

項目完成后每組學(xué)生需要提交的資料包括：1）模具設(shè)計文件電子檔（3D裝配和零件）；2）模具裝配圖紙和動定模芯零件圖紙；3）動定模芯、澆口套、頂針和拉料桿；4）獲得的合格塑件樣品；5）試模問題報告；6）塑件質(zhì)量檢測報告。

5 結(jié)束語

基于PBL模式的實踐教學(xué)不僅為學(xué)生創(chuàng)造了自主學(xué)習(xí)機(jī)會，讓學(xué)生在動手實踐中樹立了信心，真正掌握了實際工作方法，培養(yǎng)了濃厚的專業(yè)興趣，而且有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、自學(xué)能力、動手實踐能力和團(tuán)隊協(xié)作精神。在此種實踐教學(xué)模式中最根本的問題是要同時兼顧實戰(zhàn)性和可操作性，實戰(zhàn)性保證項目在實施過程中學(xué)生能得到實實在在的訓(xùn)練，而可操作性則需保證項目能在規(guī)定的教學(xué)周期內(nèi)以可以接受的成本較高質(zhì)量地完成教學(xué)任務(wù)，兩者不可偏廢[6-7]。

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