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摘要:通过分析《塑料模具设计基础》课程传统教学中可能出现的问题,就如何将CAD/CAE/CAM技术引入教学过程以提高教育内容的针对性和实效性,如何灵活运用项目尝试教学方法以增强教育的目的性和互动性提出了建议。
关键词:塑料模具设计基础;CAD/CAE/CAM技术;项目尝试教学法
中图分类号:G717文献标识码:A文章编号:1672-5727(2010)04-0080-02
塑料工业近二十年来发展十分迅速,早在1995年塑料的年产量按体积计算已经超过钢铁和有色金属年产量的总和,塑料制品在汽车、机电、仪表、航天航空等国家支柱产业及人民日常生活相关的各个领域中得到了广泛的应用。塑料模具占到国内模具总量的40%。为了培养更多适应社会需要的模具设计与制造类应用人才,国内许多高校的机械类专业,甚至某些高分子材料应用专业都陆续开设了《塑料模具设计基础》课程。
而相对于发展迅速的塑料工业,我们的教学手段和教学方式渐显落后,依靠模型、挂图的传统教学模式已经难以适应市场上日趋先进的塑料工业对专业人才的需求,只有在教学模式上创新才能真正使学校教育与社会实际需求相结合。如何将这门既抽象又具体,既注重理论又注重实践的课程教好,始终是我们不断探索的课题。经过两年多的不断实践、总结与改进,我们在本课程的教学过程中引入了CAD/CAE/CAM技术和项目尝试教学法,提高了学生的学习兴趣,改善了课程教学效果。
因为目前塑料制品成型的众多方法中以注射成型为主,所以,以下内容都以注射成型教学内容为例。
传统教学中的问题
(一)教材的局限性
《塑料模具设计基础》是一门理论与实践并重的学科,而且综合性很强,涉及高分子材料学、高分子材料成型工艺、模具设计、模具制图等众多课程。其中的主要研究对象“塑料模具设计”是一项不断发展、不断出新的技术。随着塑料制品应用领域和应用范围的不断扩大,塑料成型工艺和塑料模具设计技术也得到了很快的发展,为了降低塑料制品的生产成本,提高塑料制品的产量、精度以及正品率,许多塑料制品生产厂家都在不断地积极探索新型的塑料成型工艺和先进的模具设计方法。而绝大部分《塑料模具设计基础》教材都是以基本理论和经验数据为基础进行编写的,无法跟上技术更新的脚步。另外,这部分教材偏重于介绍模具设计方面的知识,无法实现知识的整合,对于缺乏识图能力和相关模具制图知识的学生来说,阅读起来具有一定难度。
(二)教学手段的局限性
在《塑料模具设计基础》的教学过程中,经常会遇到一些难以用语言描述清楚的结构性和动态性内容,或者即使用语言表达清楚了,但学生仍然无法有一个形象的认识。教材中的模具结构图、模型、挂图虽然在某种程度上能对教学起到一个辅助的作用,但毕竟种类有限,而且他们所表达的只是模具结构的基本组成,各零件之间的位置与配合关系,是一种静止的状态,学生仍难于理解模具各零部件之间的动态关系。之后又出现了一些多媒体课件,大多以二维的模拟动画来表达模具的运动过程,有了这些多媒体课件,学生对模具的工作状态有了一定的认识,但对那些缺乏空间想象能力的学生来说,理解起来会感到吃力。一些有条件的学校,还组织学生到注射厂或模具制造类的相关企业进行参观,以期让学生有更加直观的认识。但是模具制造厂只能看到模具的加工过程和一些组装好的模具,没有办法看到内部结构,也没有办法观察到模具的运动状态。在注射厂里,确实可以看到整个注射过程,也可以看到模具从开模、推出塑件、合模这一连串的工作过程,只是整个注射过程很短,如果不是有一定基础的学生,没有办法在那么短的时间里看清整个过程,更无法了解其工作原理。
新教学方法的探索
(一)合理设计课程内容
笔者在授课过程中,除讲解书本上的基础理论以外,还加入了该学科的发展动态、注射模具最新技术的应用以及模具类杂志上与实际结合紧密的相关资讯的介绍,从而引导学生关注科学前沿,弥补教材内容滞后的问题。
《塑料模具设计基础》主要包括三部分内容:塑料成型基础、注射成型模具设计、其他塑料成型模具设计。其中,任何一部分都可以作为一门完整的课程来进行教学,课时有限,内容却很丰富,必须合理设计课程内容才能重点突出,让学生学有所获。对于第一部分“塑料成型基础”的内容来说,只将与模具设计紧密关联的部分内容作为重点向学生进行讲解,其余的内容以介绍或学生自学为主。第二部分“注射成型模具设计”的内容是本课程的重点和难点,将占用绝大部分的课时。在介绍模具结构的时候,加入模具制图的相关内容,让学生掌握模具零件的表达方法以及模具零件图、装配图的相关内容,更好地读懂模具图,并能绘制出准确的模具图纸。第三部分“其他塑料成型模具设计”的内容以介绍为主,除了教材上的内容以外,还将结合最新的塑料成型技术、模具设计及制造方法进行介绍。
(二)CAD/CAE/CAM技术在教学中的应用
CAD/CAE/CAM技术的应用利用CAD、CAE类软件进行造型和动画的生成,通过丰富的实例动画演示,让学生能形象地认识注塑机、模具的动作过程。图1即为利用华塑CAE软件生成的注塑机、模具动作过程中的一个画面。
1.利用CAD/CAM软件进行造型、装配并制作动画,演示模具结构及模具动作原理。塑料模具结构复杂,单纯依靠教材上的工程图,不论是学生学习还是教师讲解都显得吃力。有条件的学校可以组织学生到注射厂进行现场参观,以了解模具的工作原理和注射过程。就目前而言,利用Pro_E等CAD软件将模具结构的三维模型建立出来,并制作模具动作动画,在课堂上演示是比较好的一种教学手段。通过这种方法,可以让学生清楚地了解到模具的工作过程以及在注射过程中每个部件的作用。某鼠标外壳塑料模具如图2所示。
2.利用CAE软件进行注射工艺分析。塑料在注射过程中,原料要在有限时间内完成固体输送、熔融、熔体流动、压实、固化等非等温、非平衡过程,并伴随相变发生、分子取向、纤维取向及可能的结晶等复杂的物理、化学现象。成型过程中会产生熔接痕、充填不足、飞边、气泡、缩孔、翘曲变形等众多缺陷。为什么会产生这样的缺陷?具有这些缺陷的塑件到底是什么样?种种疑惑仅靠文字可能无法表达清楚,而CAE软件很好地解决了这类问题。直观的画面能够向学生展示塑料成型的整个过程,学生可以充分理解流动前沿、熔接痕的形成、浇口对充填的影响、温度场的分布、流动水道布置对塑件质量的影响等比较抽象的知识。图3即为利用Moldflow软件进行分析后得到的结果。其中,a图所示为最佳浇口所处的位置,即图中被圈出的部分;b图所示为填充时间的结果,从图中就可以判断出充填过程是否平衡;c图所示为冷却水道的设置以及塑料收缩率情况;d图所示的是塑件的变形情况。
应用效果分析应用了CAD/CAE/CAM技术以后,教学效果得到了明显改善:一是学生对模具结构、模具动作原理、注射成型工艺有了具体的认识和深刻的理解;二是增加了知识的系统性;三是激发了学生的学习兴趣,开拓了学生的视野。
(三)项目尝试教学法
20世纪70年代,美国著名教育学家布鲁姆(B.S.Bloom)提出了新型教学模式,即目标教学法,该教学法主张改变教学观念,充分发挥教师和学生的积极性,提倡在教学活动中以学生为主体,教师为主导,教与学互动,这一教学理念能够使学生主动学习、掌握学习,最终达成教学目标。项目尝试教学法正是借鉴了目标教学法的思路,先由教师提出问题,学生在已有知识的基础上,采用自学和相互讨论的方法,经过思考和分析,尝试着解决问题,最终教师根据学生在尝试练习中出现的问题进行有针对性的讲解。这种方法旨在培养学生的自学能力和解决问题的能力。
首先,要结合各章节的内容,布置相关的任务,让学生利用课余时间查找资料解决问题。在第二部分“塑料模具设计”讲解过程中,笔者给学生布置了几个比较简单的模具设计任务,让学生利用课余时间查找资料,学习设计过程,遇到问题相互讨论。开始的时候由于学生刚接触这门课程,只能有一个初步的设计方案,拿不出具体的解决方法。随着所学知识的增多,就可以进行简单模具设计方案的制定。
其次,要通过在授课过程中加入该学科的发展动态、注射模具最新技术的应用以及模具类杂志上与实际结合紧密的文章的介绍,从而引导学生关注前沿,使教学内容更具前瞻性。CAD/CAE/CAM技术的运用,不仅能够进一步丰富教学手段,调动学生的学习兴趣,更有助于加深学生对该课程的了解。与此同时,项目尝试教学法将理论与实践有机地结合在一起,使学生的自学能力、设计能力以及创新能力都得到一定的提高,整体教学效果也得到很大改善。
参考文献:
[1]贾志欣,李红林.CAD/CAE/CAM技术在塑料模具设计课程教学中的应用研究与实践[J].模具制造,2008,(6):82-84.
[2]李德群,周华民.塑料注射成形过程仿真软件的开发和应用[J].中国机械工程,2002,(22).
[3]吴泊良,黄政魁.“产品目标”教学在《塑料成型工艺与模具设计》课程中的运用实践[J].时代教育,2008,(1):142-143.
[4]李建刚.中国目标教学研究15年[J].当代教育科学,2003,(3):21-23.
作者简介:
曾敏(1981—),女,江苏南京人,硕士,南京化工职业技术学院机械系讲师,研究方向为模具、计算机辅助设计与制造。
关键词:塑料模具设计基础;CAD/CAE/CAM技术;项目尝试教学法
中图分类号:G717文献标识码:A文章编号:1672-5727(2010)04-0080-02
塑料工业近二十年来发展十分迅速,早在1995年塑料的年产量按体积计算已经超过钢铁和有色金属年产量的总和,塑料制品在汽车、机电、仪表、航天航空等国家支柱产业及人民日常生活相关的各个领域中得到了广泛的应用。塑料模具占到国内模具总量的40%。为了培养更多适应社会需要的模具设计与制造类应用人才,国内许多高校的机械类专业,甚至某些高分子材料应用专业都陆续开设了《塑料模具设计基础》课程。
而相对于发展迅速的塑料工业,我们的教学手段和教学方式渐显落后,依靠模型、挂图的传统教学模式已经难以适应市场上日趋先进的塑料工业对专业人才的需求,只有在教学模式上创新才能真正使学校教育与社会实际需求相结合。如何将这门既抽象又具体,既注重理论又注重实践的课程教好,始终是我们不断探索的课题。经过两年多的不断实践、总结与改进,我们在本课程的教学过程中引入了CAD/CAE/CAM技术和项目尝试教学法,提高了学生的学习兴趣,改善了课程教学效果。
因为目前塑料制品成型的众多方法中以注射成型为主,所以,以下内容都以注射成型教学内容为例。
传统教学中的问题
(一)教材的局限性
《塑料模具设计基础》是一门理论与实践并重的学科,而且综合性很强,涉及高分子材料学、高分子材料成型工艺、模具设计、模具制图等众多课程。其中的主要研究对象“塑料模具设计”是一项不断发展、不断出新的技术。随着塑料制品应用领域和应用范围的不断扩大,塑料成型工艺和塑料模具设计技术也得到了很快的发展,为了降低塑料制品的生产成本,提高塑料制品的产量、精度以及正品率,许多塑料制品生产厂家都在不断地积极探索新型的塑料成型工艺和先进的模具设计方法。而绝大部分《塑料模具设计基础》教材都是以基本理论和经验数据为基础进行编写的,无法跟上技术更新的脚步。另外,这部分教材偏重于介绍模具设计方面的知识,无法实现知识的整合,对于缺乏识图能力和相关模具制图知识的学生来说,阅读起来具有一定难度。
(二)教学手段的局限性
在《塑料模具设计基础》的教学过程中,经常会遇到一些难以用语言描述清楚的结构性和动态性内容,或者即使用语言表达清楚了,但学生仍然无法有一个形象的认识。教材中的模具结构图、模型、挂图虽然在某种程度上能对教学起到一个辅助的作用,但毕竟种类有限,而且他们所表达的只是模具结构的基本组成,各零件之间的位置与配合关系,是一种静止的状态,学生仍难于理解模具各零部件之间的动态关系。之后又出现了一些多媒体课件,大多以二维的模拟动画来表达模具的运动过程,有了这些多媒体课件,学生对模具的工作状态有了一定的认识,但对那些缺乏空间想象能力的学生来说,理解起来会感到吃力。一些有条件的学校,还组织学生到注射厂或模具制造类的相关企业进行参观,以期让学生有更加直观的认识。但是模具制造厂只能看到模具的加工过程和一些组装好的模具,没有办法看到内部结构,也没有办法观察到模具的运动状态。在注射厂里,确实可以看到整个注射过程,也可以看到模具从开模、推出塑件、合模这一连串的工作过程,只是整个注射过程很短,如果不是有一定基础的学生,没有办法在那么短的时间里看清整个过程,更无法了解其工作原理。
新教学方法的探索
(一)合理设计课程内容
笔者在授课过程中,除讲解书本上的基础理论以外,还加入了该学科的发展动态、注射模具最新技术的应用以及模具类杂志上与实际结合紧密的相关资讯的介绍,从而引导学生关注科学前沿,弥补教材内容滞后的问题。
《塑料模具设计基础》主要包括三部分内容:塑料成型基础、注射成型模具设计、其他塑料成型模具设计。其中,任何一部分都可以作为一门完整的课程来进行教学,课时有限,内容却很丰富,必须合理设计课程内容才能重点突出,让学生学有所获。对于第一部分“塑料成型基础”的内容来说,只将与模具设计紧密关联的部分内容作为重点向学生进行讲解,其余的内容以介绍或学生自学为主。第二部分“注射成型模具设计”的内容是本课程的重点和难点,将占用绝大部分的课时。在介绍模具结构的时候,加入模具制图的相关内容,让学生掌握模具零件的表达方法以及模具零件图、装配图的相关内容,更好地读懂模具图,并能绘制出准确的模具图纸。第三部分“其他塑料成型模具设计”的内容以介绍为主,除了教材上的内容以外,还将结合最新的塑料成型技术、模具设计及制造方法进行介绍。
(二)CAD/CAE/CAM技术在教学中的应用
CAD/CAE/CAM技术的应用利用CAD、CAE类软件进行造型和动画的生成,通过丰富的实例动画演示,让学生能形象地认识注塑机、模具的动作过程。图1即为利用华塑CAE软件生成的注塑机、模具动作过程中的一个画面。
1.利用CAD/CAM软件进行造型、装配并制作动画,演示模具结构及模具动作原理。塑料模具结构复杂,单纯依靠教材上的工程图,不论是学生学习还是教师讲解都显得吃力。有条件的学校可以组织学生到注射厂进行现场参观,以了解模具的工作原理和注射过程。就目前而言,利用Pro_E等CAD软件将模具结构的三维模型建立出来,并制作模具动作动画,在课堂上演示是比较好的一种教学手段。通过这种方法,可以让学生清楚地了解到模具的工作过程以及在注射过程中每个部件的作用。某鼠标外壳塑料模具如图2所示。
2.利用CAE软件进行注射工艺分析。塑料在注射过程中,原料要在有限时间内完成固体输送、熔融、熔体流动、压实、固化等非等温、非平衡过程,并伴随相变发生、分子取向、纤维取向及可能的结晶等复杂的物理、化学现象。成型过程中会产生熔接痕、充填不足、飞边、气泡、缩孔、翘曲变形等众多缺陷。为什么会产生这样的缺陷?具有这些缺陷的塑件到底是什么样?种种疑惑仅靠文字可能无法表达清楚,而CAE软件很好地解决了这类问题。直观的画面能够向学生展示塑料成型的整个过程,学生可以充分理解流动前沿、熔接痕的形成、浇口对充填的影响、温度场的分布、流动水道布置对塑件质量的影响等比较抽象的知识。图3即为利用Moldflow软件进行分析后得到的结果。其中,a图所示为最佳浇口所处的位置,即图中被圈出的部分;b图所示为填充时间的结果,从图中就可以判断出充填过程是否平衡;c图所示为冷却水道的设置以及塑料收缩率情况;d图所示的是塑件的变形情况。
应用效果分析应用了CAD/CAE/CAM技术以后,教学效果得到了明显改善:一是学生对模具结构、模具动作原理、注射成型工艺有了具体的认识和深刻的理解;二是增加了知识的系统性;三是激发了学生的学习兴趣,开拓了学生的视野。
(三)项目尝试教学法
20世纪70年代,美国著名教育学家布鲁姆(B.S.Bloom)提出了新型教学模式,即目标教学法,该教学法主张改变教学观念,充分发挥教师和学生的积极性,提倡在教学活动中以学生为主体,教师为主导,教与学互动,这一教学理念能够使学生主动学习、掌握学习,最终达成教学目标。项目尝试教学法正是借鉴了目标教学法的思路,先由教师提出问题,学生在已有知识的基础上,采用自学和相互讨论的方法,经过思考和分析,尝试着解决问题,最终教师根据学生在尝试练习中出现的问题进行有针对性的讲解。这种方法旨在培养学生的自学能力和解决问题的能力。
首先,要结合各章节的内容,布置相关的任务,让学生利用课余时间查找资料解决问题。在第二部分“塑料模具设计”讲解过程中,笔者给学生布置了几个比较简单的模具设计任务,让学生利用课余时间查找资料,学习设计过程,遇到问题相互讨论。开始的时候由于学生刚接触这门课程,只能有一个初步的设计方案,拿不出具体的解决方法。随着所学知识的增多,就可以进行简单模具设计方案的制定。
其次,要通过在授课过程中加入该学科的发展动态、注射模具最新技术的应用以及模具类杂志上与实际结合紧密的文章的介绍,从而引导学生关注前沿,使教学内容更具前瞻性。CAD/CAE/CAM技术的运用,不仅能够进一步丰富教学手段,调动学生的学习兴趣,更有助于加深学生对该课程的了解。与此同时,项目尝试教学法将理论与实践有机地结合在一起,使学生的自学能力、设计能力以及创新能力都得到一定的提高,整体教学效果也得到很大改善。
参考文献:
[1]贾志欣,李红林.CAD/CAE/CAM技术在塑料模具设计课程教学中的应用研究与实践[J].模具制造,2008,(6):82-84.
[2]李德群,周华民.塑料注射成形过程仿真软件的开发和应用[J].中国机械工程,2002,(22).
[3]吴泊良,黄政魁.“产品目标”教学在《塑料成型工艺与模具设计》课程中的运用实践[J].时代教育,2008,(1):142-143.
[4]李建刚.中国目标教学研究15年[J].当代教育科学,2003,(3):21-23.
作者简介:
曾敏(1981—),女,江苏南京人,硕士,南京化工职业技术学院机械系讲师,研究方向为模具、计算机辅助设计与制造。