新工科背景下塑料模具设计实践课程教学改革研究

［摘 要］ 新工科专业建设对模具行业人才培养提出了新的更高要求，通过对高校模具人才培养环节的核心课程——“塑料成型模具设计”现存问题的分析，从明确教学目标、优化教学内容、强化实践操作、校企协同育人等方面，指出课程实践教学模式的改革途径，提出“虚实一体化”和“校企协同化”二维一体的教学理念和方法，改革中注重课程内容与实践及实际生产环节的互联互动、相互促进，以满足模具行业对创新型应用人才的知识和素养需求。

［关键词］ 新工科；塑料模具；实践教学；课程改革

［基金项目］ 2022年度教育部产学合作协同育人项目“新工科背景下塑料成形工艺与模具设计课程实践教学改革研究”（220600625101013）；2020年度广东海洋大学专业核心课程培育项目“材料成型加工基础”（571119093）

［作者简介］ 文 成（1989—），男，广东湛江人，工学博士，广东海洋大学机械工程学院副教授，主要从事新材料设计及成型工艺研究；田玉琬（1990—），女，广东湛江人，工学博士，广东海洋大学机械工程学院副教授（通信作者），主要从事海洋工程材料腐蚀研究；余 江（1972—），男，广东湛江人，工学学士，广东海洋大学机械工程学院高级实验师，主要从事材料智能制造研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）52-0060-04 ［收稿日期］ 2023-10-11

引言

为应对“中国制造2025”、创新驱动发展等一系列国家战略的实施，教育部实施新工科建设，改造升级传统工科专业，主动布局培养实践能力强、创新能力强，具备国际竞争力的高素质、复合型人才［1］。新工科建设背景下，高校对实践课程教学的要求大大提高，高校需要改变传统工科实践课程模式，构建灵活多样的实践体系，以方便师生更好地利用实践平台、实习基地等资源，强化创新思维和创新能力的培养［2］。

模具工业是制造业中的一项基础产业，在家电、汽车、电子、飞机制造等工业领域具有举足轻重的地位。模具工业是技术成果转化的基础，其本身亦是高新技术产业的重要领域。模具作为制造技术与信息技术相结合的产物，在新工科人才培养的大力倡导下也迎来了新的契机，而模具设计与制造人才的培养是推动模具工业高质量、创新发展的核心和驱动力［3-4］。为了促进我国模具工业搭乘“中国制造2025”和“互联网+”的顺风车，向智能化、信息化高速发展，作为模具设计与制造人才培养环节的重要构成——“塑料成型模具设计”课程的教学改革需求迫切。

以模具工业为代表的智能制造等相关专业人才的培养要建立“以市场为导向、校企共同参与”共建的人才培养模式。其中以实践教学环节为依托，加强对学生创新思维和创新能力的培养尤为重要。如广东海洋大学的材料成型及控制工程专业模具方向，已较早意识到上述问题，针对“塑料成型模具设计”实践课程的教学改革，利用网络资源，如超星平台、雨课堂、智慧树等，丰富、创新了教学过程，同时不断推进了与企业建立产学联合的培养模式。但当前模具人才培养过程中，多数高校仍然存在教学模式陈旧，与新工科工程师人才培养要求脱节的问题［5］，尤其是实践教学改革，没有将基础知识教学、创新创业实践以及产学联合形成一个完整的闭环系统，所学的基础知识并不能有效指导创新创业实践，同时与生产实践脱节，甚至每一部分均是独立的个体，导致学生学习兴趣低，创新能力没有得到良好的培养［6］。

因此，模具类专业应用课程的实践教学改革若想取得实效，需要高校和企业通力合作，才能达到教育部倡导的产学合作协同育人的效果。针对“塑料成型模具设计”课程的实践教学进行改革，笔者在对教学内容进行深入剖析的基础上，提出对实践环节学识整合优化，强调理论结合实际、实验融合仿真的“虚实一体化”教学手段，和高校与企业实施人才共育的“校企协同化”实践教学理念，强调理论内容与实训实践及生产实际过程形成联动，引导学生进行身份转换，基于企业真实案例，设计塑料制件模具结构，模拟成型过程，结合仿真技术和模具拆装实训，进行实践过程的系统化教学。在此基础上，成立创新创业小组，针对模具企业现存相关模具设计问题，提出解决方案，强化学生创新思维、创新能力及实践应用能力的培养，形成基础知识教学、创新创业实践以及产学联合的实践教学改革完整闭环系统。

一、课程教学的基本情况

“塑料成型模具设计”作为模具制造相关专业方向的专业核心课程，主要内容涉及高分子材料知识、成型加工工艺和模具结构设计等，是一门综合性和空间概念较强的课程。教学过程通常要求学生，能通过空间想象将二维模具图转换为三维模具动图。除此之外，该课程现阶段的教学方式多以理论内容为主，教学过程利用模具模型穿插少量的演示性实验，使学生对注塑、挤出等成型工艺及模具结构有个基本的认识。理论教学内容又细分为塑料成型基础理论和模具结构设计两大部分。其中塑料成型基础理论内容较抽象，理论性相对较强，但知识内容占比不多，结合前期先修的“工程材料”“材料成型原理”等课程，多数学生的学习效果能够得到保证。理论教学的第二部分为模具结构设计，作为课程的主要部分之一，内容占比大，且理论知识与工程实际应用联系紧密，实践性较强，教学过程中虽辅以少量图片和动画资料，但学生缺乏更加直观的理解，不易达到实际模具行业对该部分知识的要求。

尽管有学校在后续的培养环节，有意引入企业技术人员对模具课程设计、毕业设计、大学生创新创业项目等实践环节进行参与指导，但由于学生专业核心内容知识未能掌握牢靠，实训环节设计与产业技术和生产实际脱离严重，学生对模具整体产业和行业生产过程认知不足，总体教学效果与模具工程师的培养目标相脱节，使得多数学生缺乏创新设计能力和工程应用能力。因此“塑料成型模具设计”课程的改革，首要体现在其相关的实践教学内容和模式的改革上。

二、实践教学改革的关键问题

“塑料成型模具设计”课程实践教学内容需要改革，但有效的改革不能仅仅在实践教学环节下功夫，还需要理论课程内容和教学设计的协同优化，搭配相应的动手实践环节，才能逐步满足模具行业对新工科人才素养和技能方面的培养要求。

（一）理论课程教学目标的明确与教学内容的再优化

高端技能人才的培养离不开工程实践应用与理论创新能力的融合发展，要避免理论结合实践素养的缺乏，防止工程师创新能力与实践应用的脱节，切忌纸上谈兵式的讲授教学。因此，根据新工科专业的要求，“塑料成型模具设计”课程的改革首先要明确对应用型创新人才的培养教学目标，理论课程应瞄准生产一线高等技术应用型人才对模具知识和素养的标准，内容知识的讲授应贯穿现场生产制造的全过程，强调学生学以致用能力的培养，使学生具备知识落地的方法和技能。而对教学内容的再优化，主要侧重模具领域前沿发展的知识补充和相关软件和信息技术应用技能的辅助训练。多年来，“塑料成型模具设计”教学采用传统的文字与图片相结合的方式讲解和描述，随着信息技术的发展，计算机辅助分析（CAE）技术、虚拟仿真技术、实景迁移技术的应用对高等教学，尤其是实践性强的工科专业教学的促进效果显著。但在“塑料成型模具设计”课程改革上的运用仍然较少，教学内容更新迟钝。对于实践性强、要求高的模具设计，需要聚焦当下新技术、新业态，在教学过程中针对塑料成型工艺及其相关模具，尽可能多介绍一些塑料模具发展的最新动态，引入前沿成果，以便更好应对“互联网+”时代新工科技术的挑战。了解前沿最新动态才能更好地思考与创新。

（二）实验实训等实践操作教学的整合强化

针对模具人才培养，除了“塑料成型模具设计”核心课程的理论教学以外，不少高校依据自身地域特点和行业优势制订了不同的人才培养方案，开展包括课程设计、塑料成型工艺过程综合实践、模具拆装和检测、生产实习等不同形式的实践环节，通过多层次、多样性的动手操作，使学生得到基本的实践能力培养。然而，基于新工科背景下的模具人才要求，仅通过上述实践仍培养不出适合时代的高素质工程技术人才。因此，针对工程实践教学的改革和创新，可以考虑产品或项目型的综合性实践教学模式，不再强调各个传统实践环节的差异性，而是对实践环节总课时进行重新分配和优化。以产品开发项目为载体，将模具相关课程的理论知识和实践技能训练有机结合，将实际生产可能遇到的技术问题引入平时的实习实践环节，以实战训练来强化学生的专业技能，学生角色转换，既充当工程师进行模具结构的设计，又作为操作工完成模具关键零部件的加工，在调动学生兴趣和积极性的同时，又将各部分知识融会贯通，真正做到学为所用、知识落地。例如减少基于简单软件绘图的课程设计的学时，增加模具拆装实验的操作和虚拟仿真技术实验的学时，依托透明模具模型和实体模具，学生分组团队合作，创新设计实验实施方案，动手操作完成模具拆装和测绘，采用组间互评的模式强化对模具设计的认知，培养工程素养，进一步通过生产过程中的模具安装调试虚拟仿真实训，促进学生对实际生产的认知，还可借助3D打印实验室的各种设备，打印ABS实体模具，验证设计的正确性，甚至可以通过课外进一步优化创新设计，凝练创新创业等比赛产品。

（三）校企合作产学协同育人方案落地

新工科专业应用型人才的培养离不开企业的参与，贯彻校企合作协同育人政策，制订合理的协同育人方案对模具行业创新型人才的培养至关重要。以广东海洋大学机械工程学院为例，材控专业为新成立专业，模具方向的教师团队以青年教师为主，多数缺乏企业实际模具设计与制造方面的经验，青年教师下厂实践锻炼不足，模具人才的培养更需要企业技术人员的深度参与。一方面，通过引入企业导师，选取真实的典型模具的案例，进行从模具结构设计到成型加工再到装备应用等整体环节的教学，过程中穿插模具软件、虚拟仿真等信息技术的应用。另一方面，模具专业学生就业主要面向广东地区，且广东模具行业的企业数量、企业规模、工业总产值和平均进展速度在全国范围内都名列前茅，这也为校企合作协同培养模具人才提供了先天条件。

三、课程改革实施的路径和方法

基于新工科对创新型应用人才培养的要求，针对“塑料成型模具设计”课程，围绕实践教学内容的改革创新，应始终贯彻学为所用的教学理念，融合“工程实践能力”和“创新创业能力”培育要求，关注应用型人才成长规律，培养工科学生的“自主”能力。因此，引出二维一体的教学模式。

第一维，实施“虚实一体化”的教学方法。针对当前先进的模具设计企业均采用CAE、VR等信息技术手段，结合软件课程设置和专业的虚拟仿真实验平台，开展生产过程中的模具安装调试虚拟仿真实训，提供塑料模的拆装基础操作、冲模与压力机、塑料模与注塑机的安装等训练任务。在虚拟环境中，让学生体验与实际生产线一致的场景和操作，结合透明模具模型和实体模具的线下拆装实验，完成模具结构认知及拆装等任务，达到虚实的完美结合。第二维，贯彻“校企协同化”的教学理念。建设并发挥校企协同育人基地的作用，一方面优选有一定规模的企业作为教师进修的场地和学生实践基地；另一方面，根据实际情况选择企业导师深度参与学生的实践教学环节，优化校企合作方式，有针对性地为模具行业培养人才。将企业的先进管理理念融入现场课堂，市场与理论相结合，打破学校教育和企业需求的壁垒，提高学生的职业素养。

基于上述教学模式，开展创新型实践教学，在实践环节设计中，采用项目分组教学法，结合企业实践生产的零件分组开展模具设计，具体包括零件的UG三维/二维造型，模具零件以及总装配图，成形过程的动画仿真模拟及CAE成形过程分析、模具设计说明书编写。采用小组答辩和自评、互评、点评的形式进行综合考核。此外，结合企业导师的深度参与，通过实践教学，建立塑料制件、模具配套图纸、虚拟装配、成型仿真为一体的模具人才培养实践教学资源库，形成一个开放式的虚拟网络实训室，学生可以随时自主获取大量的实践教学资源。