文/戴建浜

引 言

近年來(lái)，計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展以及大型設(shè)備的小型化，使原本一些只能在大學(xué)和職業(yè)教育中使用的高端大型數(shù)字化加工設(shè)備，如激光雕刻機(jī)和三維打印機(jī)等，逐漸開(kāi)始在中小學(xué)教學(xué)中得以推廣和應(yīng)用。在通用技術(shù)學(xué)科領(lǐng)域，學(xué)生要能夠運(yùn)用數(shù)字化的加工設(shè)備制作簡(jiǎn)單產(chǎn)品的模型或原型[1]，廣東版、地質(zhì)版和蘇教版新一版的通用技術(shù)教材也都涵蓋了激光雕刻切割機(jī)的內(nèi)容，激光雕刻機(jī)在通用技術(shù)學(xué)科教學(xué)中的應(yīng)用與推廣勢(shì)在必行。

激光雕刻機(jī)是采用激光雕刻技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)材料進(jìn)行雕刻或切割的一種先進(jìn)設(shè)備，其技術(shù)原理是利用高功率密度的聚焦激光光束作用在材料表面或內(nèi)部，使材料氣化或發(fā)生其他物理變化，通過(guò)控制激光能量、光斑大小、運(yùn)動(dòng)軌跡和速度等參量可以使材料呈現(xiàn)出要求的圖形圖案[2]。激光雕刻機(jī)常見(jiàn)光源主要有CO2光源、光纖光源、紫光光源、綠光光源、二極管光源等，目前國(guó)內(nèi)教學(xué)激光雕刻機(jī)一般以CO2非金屬玻璃激光管居多，主要適合雕刻的材質(zhì)有木材、皮革、塑料等非金屬材質(zhì)。

一、激光雕刻機(jī)的特點(diǎn)及必要性分析

（一）激光雕刻機(jī)的使用范圍廣泛，具有雕刻質(zhì)量好、效率高、工序簡(jiǎn)單等諸多優(yōu)點(diǎn)

相對(duì)于傳統(tǒng)的手工雕刻方式，激光雕刻也可以將雕刻效果做到很細(xì)膩，絲毫不亞于手工雕刻的工藝水平。在通用技術(shù)課堂教學(xué)中應(yīng)用激光雕刻機(jī)可以有效降低作品的制作難度，提升模型制作的速度和質(zhì)量，讓學(xué)生產(chǎn)生設(shè)計(jì)和制作的欲望，從而獲得更多的創(chuàng)作靈感，促進(jìn)教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成。

（二）有利于培養(yǎng)學(xué)生通用技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)

通用技術(shù)學(xué)科的核心素養(yǎng)主要包括技術(shù)意識(shí)、工程思維、創(chuàng)新設(shè)計(jì)、圖樣表達(dá)、物化能力五個(gè)方面。這要求學(xué)生經(jīng)歷技術(shù)設(shè)計(jì)的全過(guò)程，形成一定的方案構(gòu)思、圖樣表達(dá)、工藝選擇及物化能力。激光雕刻機(jī)的應(yīng)用恰好貫穿這一過(guò)程，學(xué)生在使用激光雕刻機(jī)進(jìn)行模型設(shè)計(jì)時(shí)，先要使用設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，再畫(huà)出設(shè)計(jì)圖形，然后選擇適當(dāng)材料進(jìn)行雕刻切割，最后生成作品。這一過(guò)程不僅可以培養(yǎng)學(xué)生的圖樣表達(dá)能力，提高學(xué)生動(dòng)手操作和解決問(wèn)題的能力，也有助于提高他們的物化能力。

二、激光雕刻機(jī)在通用技術(shù)學(xué)科中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

（一）加深學(xué)生對(duì)系統(tǒng)知識(shí)的理解

系統(tǒng)是通用技術(shù)學(xué)科中重要的章節(jié)。認(rèn)識(shí)系統(tǒng)可以讓學(xué)生感受到系統(tǒng)科學(xué)的魅力，可以激發(fā)學(xué)生對(duì)技術(shù)課的學(xué)習(xí)興趣。而激光雕刻機(jī)就是一套極具趣味性的系統(tǒng)，學(xué)生了解激光雕刻機(jī)系統(tǒng)的組成，可以加深對(duì)系統(tǒng)知識(shí)的理解。例如，在講解激光雕刻機(jī)的工作原理時(shí)，教師可以讓學(xué)生了解CO2激光雕刻機(jī)一般采用水冷的方式，冷卻水可以帶走激光管產(chǎn)生的熱量，避免因激光腔內(nèi)積熱而導(dǎo)致管端炸裂，甚至損壞激光電源。如果水冷機(jī)停止工作，激光就出不了光。這個(gè)例子可以幫助學(xué)生理解系統(tǒng)是由多個(gè)子系統(tǒng)組成，當(dāng)一個(gè)子系統(tǒng)不能工作時(shí)，會(huì)影響到其他子系統(tǒng)或者整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)。

（二）促進(jìn)學(xué)生對(duì)加工工藝的理解

激光雕刻機(jī)一般都配有鼓風(fēng)機(jī)或空氣壓縮機(jī)進(jìn)行吹氣，吹氣口就在激光頭的旁邊，主要作用是防止切割時(shí)煙塵污染聚焦鏡片，改善切割或雕刻時(shí)的產(chǎn)品加工效果。在加工木材時(shí)吹氣還可以防止木料燃燒，但在加工亞克力板時(shí)，氣體反而會(huì)影響切割邊緣效果，這時(shí)要關(guān)小或關(guān)掉出氣口。

（三）促進(jìn)學(xué)生對(duì)材料的認(rèn)識(shí)

在通用技術(shù)學(xué)科中有“材料與制造工藝”這部分內(nèi)容，但在教學(xué)中教師往往難以用語(yǔ)言文字詳盡描述材料的分類和性能。引入激光雕刻機(jī)后，教師可以帶領(lǐng)學(xué)生在操作雕刻機(jī)時(shí)反復(fù)實(shí)驗(yàn)、對(duì)比，認(rèn)識(shí)不同材料加工時(shí)的不同變化，促進(jìn)學(xué)生主動(dòng)探索與理解材料、工藝與設(shè)計(jì)之間的關(guān)系。激光雕刻機(jī)適用于木材、亞克力板、發(fā)泡板、厚紙板、玻璃、皮革、無(wú)紡布、大理石等多種常用的材料上，這些材料價(jià)格便宜，比較適合進(jìn)行模型的設(shè)計(jì)制作。在使用不同的材料雕刻時(shí)，機(jī)器的參數(shù)設(shè)置也會(huì)有所區(qū)別。例如，肌理十分豐富的木材表面，不適合雕刻線條太細(xì)致的圖案、標(biāo)志等設(shè)計(jì)作品，因?yàn)榇植诘哪炯y會(huì)掩蓋設(shè)計(jì)作品的細(xì)節(jié)，效果不佳。在這種情況下，改用塑膠、金屬薄板等材料來(lái)雕刻方可表現(xiàn)出較好的視覺(jué)效果。常見(jiàn)的雕刻材料有以下幾種。

1.木板

木板是由木材制成的一種天然材料，與其他材料相比具有自然、無(wú)毒、紋路清晰等特性。木材有松木、樺木、椴木、櫸木、楓木、紫檀木、樟木等，在眾多種類的木材中，用椴木來(lái)制作工藝品或裝飾材料的較多。椴木是一種上等木材，屬于軟木，質(zhì)地比較輕，具有獨(dú)特的油脂，且椴木耐磨耐腐蝕，不易開(kāi)裂，加之椴木本身也易加工，是激光雕刻機(jī)首選的雕刻材料[3]。

2.亞克力板

亞克力板又稱特殊處理的有機(jī)玻璃，是有機(jī)玻璃換代產(chǎn)品。用亞克力制作的燈箱具有透光性能好、顏色純正、色彩豐富、美觀平整使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，但使用亞克力板進(jìn)行雕刻時(shí)，會(huì)生成一股很難聞的氣體，氣體中包含了甲烷、塑化劑，還有少量的聚氯乙等，這些氣體對(duì)身體是有害的，使用時(shí)建議安裝抽氣系統(tǒng)及時(shí)將煙霧抽出。

3.竹片

竹片由竹子加工而成，堅(jiān)韌，耐用，易加工。竹片作為古代的書(shū)寫(xiě)載體，更是承載了中國(guó)文化的古文明。我國(guó)是世界上竹子資源最為豐富的國(guó)家。竹子以其環(huán)保、清潔與可再生的特性，盡顯材料優(yōu)勢(shì)。據(jù)史料記載，我國(guó)自六朝始就有了“竹刻”。竹刻又稱竹雕，是在竹制的器物上雕刻多種裝飾圖案和文字，或用竹根雕刻成各種陳設(shè)擺件。在通用技術(shù)課堂上，采用激光雕刻技術(shù)對(duì)竹片進(jìn)行加工，可以使傳統(tǒng)文化得到有效的傳承。

4.無(wú)紡布

無(wú)紡布由定向的或隨機(jī)的纖維構(gòu)成，是新一代環(huán)保材料，具有防潮、透氣、柔韌、質(zhì)輕、不助燃、容易分解、無(wú)毒無(wú)刺激性、色彩豐富、價(jià)格低廉、可循環(huán)再用等特點(diǎn)。由于激光具有高亮度、高方向性、高單色性和高相干性四大特性，因此，激光切割無(wú)紡布具有其他加工方法所不具備的特性。由于它是無(wú)接觸加工，對(duì)無(wú)紡布材料無(wú)直接沖擊，因此，無(wú)機(jī)械變形；激光切割無(wú)紡布的過(guò)程中，無(wú)“刀具”磨損，無(wú)“切削力”作用于材料；在激光切割無(wú)紡布的過(guò)程中，激光能量密度高，加工速度快，并且是局部加工，對(duì)非激光切割部位沒(méi)有影響或影響極小。

5.皮革

皮革是經(jīng)脫毛和鞣制等物理、化學(xué)加工所得到的已經(jīng)變性不易腐爛的動(dòng)物皮。皮革行業(yè)使用激光雕刻機(jī)打破了傳統(tǒng)手工和電剪速度慢、難以排版、效率低及材料浪費(fèi)現(xiàn)象嚴(yán)重的難題。速度快、操作簡(jiǎn)單的特點(diǎn)為皮革行業(yè)的發(fā)展帶來(lái)了非常大的效益。只需把所要裁剪的圖形及尺寸輸入電腦，激光雕刻機(jī)就會(huì)根據(jù)你電腦上的數(shù)據(jù)把整張的材料裁剪成你所需要的成品。

在使用激光雕刻機(jī)雕刻不同材料時(shí)，應(yīng)根據(jù)材料的不同特性，調(diào)整速度、功率、雕刻步距等參數(shù)，這樣才能雕刻出較好的作品。以下是各種材料的雕刻參數(shù)對(duì)比表，以常見(jiàn)的功率為60W 的激光雕刻機(jī)為例。

材料雕刻步距速度功率雕刻深度亞克力0.06mm 400mm/s 20%～30%0.5mm木板0.05mm 400mm/s 10%～20%0.1mm竹片0.05mm 400mm/s 20%～30%0.1mm皮革0.1mm 400mm/s 15%～25%0.2mm無(wú)紡布0.05mm 400mm/s 10%～20%0.1mm

三、激光雕刻機(jī)在學(xué)科教學(xué)中的策略

通用技術(shù)是以設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)、操作學(xué)習(xí)為主要特征的基礎(chǔ)教育課程，教學(xué)過(guò)程建議立足學(xué)生的直接經(jīng)驗(yàn)和親身經(jīng)歷，讓學(xué)生在“做中學(xué)”和“學(xué)中做”，要充分利用激光雕刻機(jī)這一現(xiàn)代化工具，把枯燥的理論學(xué)習(xí)融入課程設(shè)計(jì)中，讓學(xué)生在動(dòng)手設(shè)計(jì)、制作的學(xué)習(xí)活動(dòng)中歸納總結(jié)獲得知識(shí)。

（一）以“項(xiàng)目”促應(yīng)用

項(xiàng)目式學(xué)習(xí)（PBL）由美國(guó)神經(jīng)病學(xué)教授Barrows首創(chuàng)。PBL 注重學(xué)習(xí)者的實(shí)踐和參與，側(cè)重體現(xiàn)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)主體地位，培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的問(wèn)題解決能力。同時(shí)，該理論認(rèn)為學(xué)習(xí)的過(guò)程應(yīng)以問(wèn)題為主線，并融合多種學(xué)習(xí)方式，以多元化教學(xué)方式達(dá)成教學(xué)效果[4]。在通用技術(shù)課堂上，教師通過(guò)設(shè)計(jì)一個(gè)個(gè)與學(xué)生真實(shí)生活情景接軌的技術(shù)實(shí)踐“項(xiàng)目”，讓學(xué)生參與設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，可以創(chuàng)新通用技術(shù)課堂教學(xué)的設(shè)計(jì)，提高通用技術(shù)實(shí)踐活動(dòng)的質(zhì)量，從而推動(dòng)技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)在課程教學(xué)中的落實(shí)。例如，在“書(shū)簽的制作”項(xiàng)目中，教師以生活中最常見(jiàn)的物品為例，讓學(xué)生通過(guò)尋找合適的圖片和文字，經(jīng)圖像處理后，雕刻在木板上。這樣制作的書(shū)簽既美觀又實(shí)用。又如，在“木質(zhì)故事書(shū)制作”的項(xiàng)目中，教師讓學(xué)生以一個(gè)人成長(zhǎng)過(guò)程中幾個(gè)重要階段發(fā)生的故事為設(shè)計(jì)背景，研究融合書(shū)籍藝術(shù)加工的新型展現(xiàn)形式，作品制作過(guò)程貫穿通用技術(shù)必修2 中結(jié)構(gòu)、流程等多個(gè)章節(jié)的內(nèi)容。

（二）以“比賽”促應(yīng)用

在課堂上通過(guò)“比賽”來(lái)促進(jìn)教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成，也是一種常見(jiàn)的教學(xué)策略。這種方式一般以小組的形式開(kāi)展，可以促進(jìn)學(xué)生之間相互合作，培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)精神。不同的是，通用技術(shù)一般要用幾節(jié)課才能完成一個(gè)比賽任務(wù)。例如，以“校園創(chuàng)意門(mén)牌”為主題，教師可以要求學(xué)生以激光雕刻技術(shù)通過(guò)三節(jié)課創(chuàng)作相關(guān)作品。門(mén)牌是生活中最常見(jiàn)的物品，可以是班牌或功能教室的門(mén)牌，一個(gè)富有個(gè)性的門(mén)牌可以彰顯學(xué)校或班級(jí)的特色，體現(xiàn)一個(gè)場(chǎng)所的內(nèi)涵品位與理念。學(xué)生通過(guò)小組討論、制作、作品解說(shuō)、評(píng)選投票等環(huán)節(jié)，最后制作出多個(gè)精美、富有創(chuàng)意的作品。又如，教師可以組織開(kāi)展生活家居用品類（如燈具燈飾、裝飾品、家用小電器等）、文化創(chuàng)意類（如文創(chuàng)產(chǎn)品、節(jié)假日傳統(tǒng)特色、景區(qū)名人紀(jì)念品、藝術(shù)品等）、智能交通工具類（如智能小車、坦克、飛機(jī)等）及機(jī)械結(jié)構(gòu)類（如機(jī)械蜂鳥(niǎo)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、機(jī)械動(dòng)物等）作品的制作比賽，鍛煉和提升學(xué)生的設(shè)計(jì)能力，培養(yǎng)其批判性思維，使其學(xué)會(huì)分工合作，從而讓通用技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)在每個(gè)學(xué)生身上都獲得預(yù)期的發(fā)展。

（三）以“軟件”促應(yīng)用

激光雕刻機(jī)自身配有相關(guān)操作軟件，如LaserMaker、LaserCAD 等，這些軟件界面控制比較簡(jiǎn)單、容易上手。其中，LaserMaker 自帶素材庫(kù)，可以直接拖拉生成盒子、投石車、木質(zhì)相框等物品，讓學(xué)生可以輕松完成從平面作品到立體作品甚至機(jī)械作品的升級(jí)，大大提高作品制作速度。但僅僅學(xué)會(huì)機(jī)器自帶的操作軟件還不夠，在通用技術(shù)課堂教學(xué)中應(yīng)適當(dāng)介紹一些專業(yè)的設(shè)計(jì)軟件的簡(jiǎn)單應(yīng)用，如AutoCAD、CorelDRAW、SketchUp、3DOne Cut 等軟件。這些軟件設(shè)計(jì)的圖形可以轉(zhuǎn)換為激光雕刻機(jī)可以識(shí)別的dxf 格式文件，導(dǎo)入激光雕刻機(jī)配套的軟件中，進(jìn)行再設(shè)置，最終生成作品。如在AutoCAD 中，教師可以讓學(xué)生學(xué)習(xí)機(jī)械零件的加工與設(shè)計(jì)，使其掌握AutoCAD 畫(huà)線、標(biāo)注尺寸等簡(jiǎn)單的操作方法，雕刻生成零件。又如，在3DOne Cut 軟件中教師可以讓學(xué)生通過(guò)拉伸、抽殼、切口、投影等操作，設(shè)計(jì)生成筆盒、風(fēng)車等形式多樣的作品。通過(guò)學(xué)習(xí)應(yīng)用這些軟件，學(xué)生可以掌握設(shè)計(jì)的一般方法，提高學(xué)科技術(shù)素養(yǎng)。

結(jié) 語(yǔ)

在素質(zhì)教育大背景下，激光雕刻機(jī)在通用技術(shù)學(xué)科中的應(yīng)用必將越來(lái)越廣泛。學(xué)校應(yīng)配好激光雕刻機(jī)，而通用技術(shù)教師要熟練掌握雕刻機(jī)的使用和日常維護(hù)方法，引導(dǎo)學(xué)生正確使用雕刻機(jī)，并創(chuàng)設(shè)安全而又充滿樂(lè)趣的教學(xué)情境，激發(fā)學(xué)生對(duì)設(shè)計(jì)、制作的期許，讓學(xué)生獲得啟示及成就感。