張軼哲 董 佳

（南京工業(yè)大學(xué)浦江學(xué)院 江蘇·南京 210000）

本文建立在《新形勢(shì)下工業(yè)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室課程教學(xué)探討》（《科教導(dǎo)刊》2019年第十四期）基礎(chǔ)上，探討實(shí)驗(yàn)室教學(xué)教師的專業(yè)知識(shí)構(gòu)架。

新形勢(shì)下工業(yè)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室解決的教學(xué)任務(wù)是輔助學(xué)生通過實(shí)踐完成理論認(rèn)知過程，并且打破理論與實(shí)踐的瓶頸，并完成設(shè)計(jì)概念的實(shí)物化過程。

傳統(tǒng)的手工實(shí)踐與教學(xué)是實(shí)驗(yàn)室教學(xué)教師必不可少的專業(yè)技能，但是由于現(xiàn)代科技的進(jìn)步，以及現(xiàn)代科技對(duì)實(shí)驗(yàn)室的介入，傳統(tǒng)的知識(shí)構(gòu)架就不能再勝任現(xiàn)在的實(shí)驗(yàn)室管理與教學(xué)任務(wù)。需要更新并探討適應(yīng)新形勢(shì)下工業(yè)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室教學(xué)所需要的理論構(gòu)架。

新形勢(shì)下，實(shí)驗(yàn)室必須與時(shí)俱進(jìn)地引進(jìn)先進(jìn)的數(shù)字圖形圖像技術(shù)、數(shù)字制圖技術(shù)、數(shù)字三維建模技術(shù)、先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、快捷的信息傳輸技術(shù)、數(shù)字三維打印實(shí)物成型技術(shù)、數(shù)字多軸雕刻技術(shù)，數(shù)字三維采集與修復(fù)技術(shù)等數(shù)字設(shè)備與數(shù)字軟件，并且在擁有海量資源的信息時(shí)代提取有效信息的能力。

實(shí)驗(yàn)室實(shí)踐操作可分為二大類，即人工手工操作與機(jī)器自動(dòng)操作，手工操作類的實(shí)踐課程是必要課程，也是實(shí)驗(yàn)負(fù)責(zé)教師的基本業(yè)務(wù)能力及基本知識(shí)構(gòu)架。而新形勢(shì)下需要在保證傳統(tǒng)的教學(xué)模式下加入適應(yīng)現(xiàn)代化教學(xué)的內(nèi)容，雖然數(shù)字化控制已經(jīng)不是什么新的概念，但是在實(shí)際實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中并未真正形成可實(shí)施的教學(xué)系統(tǒng)。由于儲(chǔ)備的知識(shí)不足，很多先進(jìn)設(shè)備束之高閣，并未真正應(yīng)用到教學(xué)中?，F(xiàn)在迫切需要建立系統(tǒng)的知識(shí)構(gòu)架提升教學(xué)質(zhì)量。

實(shí)驗(yàn)室相關(guān)教學(xué)的最終目標(biāo)是把設(shè)計(jì)理念中的物像通過各種機(jī)器與加工工藝轉(zhuǎn)化為實(shí)物的過程。我們需要的知識(shí)構(gòu)架即是完成這種操作流程的知識(shí)與技能。在我們現(xiàn)的教學(xué)體系中會(huì)分為理論與實(shí)踐兩個(gè)部分，而大多數(shù)情況下這個(gè)系統(tǒng)被分為不同的教學(xué)者進(jìn)行實(shí)施，這種方式帶來的影響造成理論與實(shí)踐之間的割裂與不連貫。而在現(xiàn)實(shí)的教學(xué)過程中也人為地對(duì)這兩個(gè)部分進(jìn)行了側(cè)重。

根據(jù)馬克主義哲學(xué)原理的思想，現(xiàn)在我們把理論稱之為認(rèn)知，認(rèn)知為整個(gè)教學(xué)系統(tǒng)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，與實(shí)踐密不可分，在某種層面上來講，認(rèn)知也是一種實(shí)踐，所以現(xiàn)在的理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)的提法是不全面的，而人為定義側(cè)重點(diǎn)也是不科學(xué)片面的。

在現(xiàn)代科技的影響下，數(shù)字技術(shù)介入實(shí)驗(yàn)室可以打破傳統(tǒng)的理論與實(shí)踐的“瓶頸”，“虛”的理論構(gòu)思到“實(shí)”的對(duì)象成型。在傳統(tǒng)手工實(shí)驗(yàn)室的教學(xué)模式下，理論與實(shí)踐結(jié)合極難形成，動(dòng)手技能的提升是需要時(shí)間與體力的付出的，而在大學(xué)教學(xué)實(shí)踐中受學(xué)時(shí)的限制，不可能有或者不能全面進(jìn)行積累的，所以之間存在一個(gè)極大的“鴻溝”，造成了理論與實(shí)踐之間關(guān)系的脫節(jié)，三維造型技術(shù)與設(shè)備的出現(xiàn)為彌補(bǔ)這一差別提供了可能性。

如何解決這一問題，為我們解決知識(shí)構(gòu)架需求提供可能。在分析工業(yè)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)對(duì)象完成的階段中我們整理出每個(gè)環(huán)節(jié)的必要條件并可優(yōu)化出適合的最優(yōu)化知識(shí)結(jié)構(gòu)。

數(shù)字化制造最大的優(yōu)勢(shì)就是通過數(shù)字化模型通過數(shù)控設(shè)備精準(zhǔn)成型，則整個(gè)流程就變?yōu)闃?gòu)思、建模、加工、成品階斷。

構(gòu)思：在整個(gè)系統(tǒng)中，構(gòu)思是每個(gè)教學(xué)單位最為重視與重點(diǎn)培養(yǎng)的部分，我們?cè)诖瞬蛔鲇懻?。這是每位實(shí)驗(yàn)教學(xué)教師先天所具備的技能。

建模：所謂建模是指通過計(jì)算機(jī)圖形軟件，建立未來加工對(duì)象的數(shù)據(jù)尺寸，包括二維與三維，所用軟件分為圖形類軟件、圖像類軟件、CAD制圖類軟件、三維類軟件。種類繁多，我們?nèi)绾芜x擇并提升軟件使用技能是完善自身知識(shí)構(gòu)架的重要保障。不同的專業(yè)傾向有著不同的選擇。

加工：數(shù)字模型提供后，即可通過編輯機(jī)器加工程序進(jìn)行數(shù)控成型加工，利用三軸雕刻機(jī)、三維打印機(jī)、激光雕刻機(jī)、水刀切割等設(shè)備成型制造。

成品：是機(jī)器制作完成后對(duì)實(shí)驗(yàn)對(duì)象的后期加工整理。

通常以上是工業(yè)產(chǎn)品實(shí)驗(yàn)加工的流程，針對(duì)此我們自身的知識(shí)構(gòu)架建設(shè)則需要以下三個(gè)部分進(jìn)行分析，即理論準(zhǔn)備階段、設(shè)備保障階段、應(yīng)用階斷。

理論準(zhǔn)備階段：用數(shù)字化技術(shù)必須要制作數(shù)字化機(jī)器可以讀取的數(shù)字文件，而現(xiàn)階段可以使用的數(shù)字軟件可以分為文字處理軟件、圖形軟件、圖像軟件、CADCAM類軟件、三維建模類軟件。這些軟件通過相應(yīng)的轉(zhuǎn)換方式皆可以編輯機(jī)器加工程序而進(jìn)行成型制作工業(yè)產(chǎn)品，因?yàn)檐浖N類繁多，而個(gè)人的時(shí)間有限，所以不可能所有軟件都可以接觸到，我們的文字處理軟件學(xué)常見的為OFFICE辦公軟件、WPS軟件；圖像軟件以Photoshop軟件為主，還有Paint軟件等；圖形軟件為生成矢量格式的文件為主，包括Adobe Illustrator、Flash、CorelDraw等；CADCAM類軟件為計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與計(jì)算機(jī)輔助制造軟件，其包括種類非常多，AutoCAD、Rhino 3D、Creo、ProE、Solid work、UG、等；三維建模類軟件包括：3DSMAX、MAYA、Zbrush等，另外CAD類軟件也具備三維建模功能。如此眾多的軟件，如何選擇性地學(xué)習(xí)，我們可以分析實(shí)驗(yàn)室常用數(shù)控機(jī)器的加工特點(diǎn)進(jìn)行選擇，數(shù)控機(jī)器加工動(dòng)作可以概括為：“切割”“鑿?fù)凇薄傲Ⅲw”三種動(dòng)作。

切割是對(duì)工件進(jìn)行裁斷的一種工藝，其裁斷方式是依據(jù)矢量的路徑進(jìn)行一定深度可逐層深入的切削加工方式，對(duì)軟件的要求是能生成路徑（PATH），Photoshop、Illustrator、CAD類的軟件都能生成路徑，而數(shù)控機(jī)器的編輯加工程序的軟件通常都可以支持AI格式、DXF格式，針對(duì)專業(yè)而言、視覺專業(yè)方向的可學(xué)習(xí)Photoshop、Illustrator、即可，室內(nèi)專業(yè)方向、產(chǎn)品設(shè)計(jì)方向的可以學(xué)習(xí)更為數(shù)據(jù)精度高的CAD類軟件中的一個(gè)。

鑿?fù)诠に囀侵覆回灤┘庸げ牧系膮^(qū)域加工方式，其加工限制與切割工藝基本相似，不同點(diǎn)在于加工時(shí)往復(fù)疊加刀具。所需軟件相同。

立體加工，一般是加工出復(fù)雜的立體構(gòu)件，包括浮雕、立體多面成型構(gòu)件，通常用的機(jī)器三軸雕刻機(jī)可以雕刻浮雕作品，而立體構(gòu)件則需要多軸加工機(jī)器，而這些成型則多數(shù)采用3D打印機(jī)完成了。如果是家具專業(yè)方向的則需要3DS MAX作為軟件知識(shí)的構(gòu)架，如果涉及雕花設(shè)計(jì)，則需要Zbrush軟件。加工程序編輯軟件一般都支持STL格式與OBJ格式。

綜上所述，在理論準(zhǔn)備階段所需要的知識(shí)構(gòu)架在軟件要求上的最低標(biāo)準(zhǔn)是，掌握 PSAI、AutoCAD或 Rhino 3D、3DSMAX。

設(shè)備保障階段：是指機(jī)器正常運(yùn)作的保障的系列問題，包括編輯加工程序、機(jī)器運(yùn)行特性。

編輯加工程序通常被數(shù)控機(jī)器的售賣方稱之為“編程”軟件，這對(duì)未使用過數(shù)控機(jī)器的操作者而言是一極大恐慌，存在極大的誤導(dǎo)，此“編程”實(shí)則是為機(jī)器編輯加工程序，而非用“C”語言之類的編程軟件進(jìn)行代碼設(shè)計(jì)的編程。加工程序的編輯重點(diǎn)還在于數(shù)據(jù)模型的建立，即前期理論準(zhǔn)備階段所需的知識(shí)構(gòu)架。而針對(duì)加工對(duì)象選擇適合的刀具、加工的優(yōu)先順序、刀具的加工路徑生成、ENG文件或NC文件的生成、機(jī)器運(yùn)行行程控制、三維雕刻機(jī)的空白部分支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。機(jī)器加工編程類軟件都為機(jī)器自身所帶，“專機(jī)專用”雖然數(shù)控機(jī)器種類繁多，但是其所處理的問題是一定的，所以學(xué)習(xí)方法也就相對(duì)簡(jiǎn)單。此也必須掌握。

機(jī)器運(yùn)行特性：包括機(jī)器本身運(yùn)作的特點(diǎn)，以及加工對(duì)象的特點(diǎn)，合理編輯加工程序。

機(jī)器的運(yùn)行速度、刀具的先擇、夾具的設(shè)計(jì)與選擇、被加工對(duì)象的材料屬性，都會(huì)極大影響實(shí)驗(yàn)對(duì)象的精度。工業(yè)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)教學(xué)包括產(chǎn)品設(shè)計(jì)、服裝設(shè)計(jì)、視覺傳達(dá)設(shè)計(jì)、環(huán)境設(shè)計(jì)等，實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，其實(shí)踐的被加工對(duì)象多種多樣，需要處理的對(duì)象形狀也千變?nèi)f化，但是我們可以根據(jù)加工對(duì)象的材料屬性進(jìn)行分類，可分為柔性材料與剛性材料加工方式。柔性材料的典型材料為紡織類面料、紙張，其特點(diǎn)是延展性好，彈性強(qiáng)，形變大，相對(duì)精度限制的要求低。剛性材料的典型材料為金屬、木材、石材、各種樹脂類等，加工精度要求較高。材料的不同限制了機(jī)器的使用，反之，不同的機(jī)器可以加工不同的材料，這也是實(shí)驗(yàn)教學(xué)教師必須掌握的知識(shí)構(gòu)架。

應(yīng)用階斷：包括機(jī)器加工程序改良、安全保障。

機(jī)器加工程序改良包括機(jī)器加工程序設(shè)計(jì)改良與夾具工件改良。機(jī)器加工程序設(shè)計(jì)的改良是指在總結(jié)常規(guī)加工編程后，對(duì)復(fù)雜影響加工效率的步驟進(jìn)行改良，提高運(yùn)行效率。另外，工業(yè)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室需要面對(duì)的工件復(fù)雜多樣，在實(shí)踐工作中通常對(duì)如何夾持實(shí)驗(yàn)對(duì)象而耗費(fèi)極多的時(shí)間，相對(duì)于專業(yè)企業(yè)的加工模式，其夾具功能是專用性質(zhì)的，功能專一并高效。為了提高效率，需要重新設(shè)計(jì)大量的夾具，并提高夾具的精度，通常用實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的數(shù)控加工設(shè)備，結(jié)合高精絲桿，與高精度光軸進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而提高夾具夾持性能，提高工作效率。因此針對(duì)機(jī)器設(shè)備，實(shí)驗(yàn)教學(xué)教師也必須具備夾具設(shè)計(jì)的知識(shí)構(gòu)成。

安全保障：機(jī)器的運(yùn)作大都是高速、高熱的、強(qiáng)光等，在實(shí)際工作中會(huì)出現(xiàn)較多的情況影響機(jī)器與機(jī)器使用人員的安全，實(shí)驗(yàn)教學(xué)教師需要加強(qiáng)機(jī)器突發(fā)狀況應(yīng)對(duì)與人員救護(hù)的知識(shí)。

以上論述了現(xiàn)階段新形式下實(shí)驗(yàn)教學(xué)教師所應(yīng)具備的知識(shí)結(jié)構(gòu)。

總而言之，“實(shí)驗(yàn)室是現(xiàn)代化大學(xué)的心臟”，實(shí)驗(yàn)室的重要性不言而喻，而在新的形勢(shì)下，會(huì)有越來越先進(jìn)的科技融入到實(shí)驗(yàn)室的實(shí)踐中，實(shí)驗(yàn)教學(xué)教師應(yīng)不斷關(guān)注并研究新的科技內(nèi)容，豐富自己的專業(yè)知識(shí)構(gòu)架，應(yīng)對(duì)日新月異的科技進(jìn)步。