浅谈激光雕刻机在通用技术学科教学中的应用

2022-10-17戴建浜

名师在线 2022年27期

文/戴建浜

引言

近年来，计算机技术的高速发展以及大型设备的小型化，使原本一些只能在大学和职业教育中使用的高端大型数字化加工设备，如激光雕刻机和三维打印机等，逐渐开始在中小学教学中得以推广和应用。在通用技术学科领域，学生要能够运用数字化的加工设备制作简单产品的模型或原型[1]，广东版、地质版和苏教版新一版的通用技术教材也都涵盖了激光雕刻切割机的内容，激光雕刻机在通用技术学科教学中的应用与推广势在必行。

激光雕刻机是采用激光雕刻技术实现对材料进行雕刻或切割的一种先进设备，其技术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内部，使材料气化或发生其他物理变化，通过控制激光能量、光斑大小、运动轨迹和速度等参量可以使材料呈现出要求的图形图案[2]。激光雕刻机常见光源主要有CO2光源、光纤光源、紫光光源、绿光光源、二极管光源等，目前国内教学激光雕刻机一般以CO2非金属玻璃激光管居多，主要适合雕刻的材质有木材、皮革、塑料等非金属材质。

一、激光雕刻机的特点及必要性分析

（一）激光雕刻机的使用范围广泛，具有雕刻质量好、效率高、工序简单等诸多优点

相对于传统的手工雕刻方式，激光雕刻也可以将雕刻效果做到很细腻，丝毫不亚于手工雕刻的工艺水平。在通用技术课堂教学中应用激光雕刻机可以有效降低作品的制作难度，提升模型制作的速度和质量，让学生产生设计和制作的欲望，从而获得更多的创作灵感，促进教学目标的达成。

（二）有利于培养学生通用技术学科核心素养

通用技术学科的核心素养主要包括技术意识、工程思维、创新设计、图样表达、物化能力五个方面。这要求学生经历技术设计的全过程，形成一定的方案构思、图样表达、工艺选择及物化能力。激光雕刻机的应用恰好贯穿这一过程，学生在使用激光雕刻机进行模型设计时，先要使用设计软件进行创新设计，再画出设计图形，然后选择适当材料进行雕刻切割，最后生成作品。这一过程不仅可以培养学生的图样表达能力，提高学生动手操作和解决问题的能力，也有助于提高他们的物化能力。

二、激光雕刻机在通用技术学科中的应用优势

（一）加深学生对系统知识的理解

系统是通用技术学科中重要的章节。认识系统可以让学生感受到系统科学的魅力，可以激发学生对技术课的学习兴趣。而激光雕刻机就是一套极具趣味性的系统，学生了解激光雕刻机系统的组成，可以加深对系统知识的理解。例如，在讲解激光雕刻机的工作原理时，教师可以让学生了解CO2激光雕刻机一般采用水冷的方式，冷却水可以带走激光管产生的热量，避免因激光腔内积热而导致管端炸裂，甚至损坏激光电源。如果水冷机停止工作，激光就出不了光。这个例子可以帮助学生理解系统是由多个子系统组成，当一个子系统不能工作时，会影响到其他子系统或者整个系统的运转。

（二）促进学生对加工工艺的理解

激光雕刻机一般都配有鼓风机或空气压缩机进行吹气，吹气口就在激光头的旁边，主要作用是防止切割时烟尘污染聚焦镜片，改善切割或雕刻时的产品加工效果。在加工木材时吹气还可以防止木料燃烧，但在加工亚克力板时，气体反而会影响切割边缘效果，这时要关小或关掉出气口。

（三）促进学生对材料的认识

在通用技术学科中有“材料与制造工艺”这部分内容，但在教学中教师往往难以用语言文字详尽描述材料的分类和性能。引入激光雕刻机后，教师可以带领学生在操作雕刻机时反复实验、对比，认识不同材料加工时的不同变化，促进学生主动探索与理解材料、工艺与设计之间的关系。激光雕刻机适用于木材、亚克力板、发泡板、厚纸板、玻璃、皮革、无纺布、大理石等多种常用的材料上，这些材料价格便宜，比较适合进行模型的设计制作。在使用不同的材料雕刻时，机器的参数设置也会有所区别。例如，肌理十分丰富的木材表面，不适合雕刻线条太细致的图案、标志等设计作品，因为粗糙的木纹会掩盖设计作品的细节，效果不佳。在这种情况下，改用塑胶、金属薄板等材料来雕刻方可表现出较好的视觉效果。常见的雕刻材料有以下几种。

1.木板

木板是由木材制成的一种天然材料，与其他材料相比具有自然、无毒、纹路清晰等特性。木材有松木、桦木、椴木、榉木、枫木、紫檀木、樟木等，在众多种类的木材中，用椴木来制作工艺品或装饰材料的较多。椴木是一种上等木材，属于软木，质地比较轻，具有独特的油脂，且椴木耐磨耐腐蚀，不易开裂，加之椴木本身也易加工，是激光雕刻机首选的雕刻材料[3]。

2.亚克力板

亚克力板又称特殊处理的有机玻璃，是有机玻璃换代产品。用亚克力制作的灯箱具有透光性能好、颜色纯正、色彩丰富、美观平整使用寿命长等特点，但使用亚克力板进行雕刻时，会生成一股很难闻的气体，气体中包含了甲烷、塑化剂，还有少量的聚氯乙等，这些气体对身体是有害的，使用时建议安装抽气系统及时将烟雾抽出。

3.竹片

竹片由竹子加工而成，坚韧，耐用，易加工。竹片作为古代的书写载体，更是承载了中国文化的古文明。我国是世界上竹子资源最为丰富的国家。竹子以其环保、清洁与可再生的特性，尽显材料优势。据史料记载，我国自六朝始就有了“竹刻”。竹刻又称竹雕，是在竹制的器物上雕刻多种装饰图案和文字，或用竹根雕刻成各种陈设摆件。在通用技术课堂上，采用激光雕刻技术对竹片进行加工，可以使传统文化得到有效的传承。

4.无纺布

无纺布由定向的或随机的纤维构成，是新一代环保材料，具有防潮、透气、柔韧、质轻、不助燃、容易分解、无毒无刺激性、色彩丰富、价格低廉、可循环再用等特点。由于激光具有高亮度、高方向性、高单色性和高相干性四大特性，因此，激光切割无纺布具有其他加工方法所不具备的特性。由于它是无接触加工，对无纺布材料无直接冲击，因此，无机械变形；激光切割无纺布的过程中，无“刀具”磨损，无“切削力”作用于材料；在激光切割无纺布的过程中，激光能量密度高，加工速度快，并且是局部加工，对非激光切割部位没有影响或影响极小。

5.皮革

皮革是经脱毛和鞣制等物理、化学加工所得到的已经变性不易腐烂的动物皮。皮革行业使用激光雕刻机打破了传统手工和电剪速度慢、难以排版、效率低及材料浪费现象严重的难题。速度快、操作简单的特点为皮革行业的发展带来了非常大的效益。只需把所要裁剪的图形及尺寸输入电脑，激光雕刻机就会根据你电脑上的数据把整张的材料裁剪成你所需要的成品。

在使用激光雕刻机雕刻不同材料时，应根据材料的不同特性，调整速度、功率、雕刻步距等参数，这样才能雕刻出较好的作品。以下是各种材料的雕刻参数对比表，以常见的功率为60W 的激光雕刻机为例。

材料雕刻步距速度功率雕刻深度亚克力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无纺布0.05mm 400mm/s 10%～20%0.1mm

三、激光雕刻机在学科教学中的策略

通用技术是以设计学习、操作学习为主要特征的基础教育课程，教学过程建议立足学生的直接经验和亲身经历，让学生在“做中学”和“学中做”，要充分利用激光雕刻机这一现代化工具，把枯燥的理论学习融入课程设计中，让学生在动手设计、制作的学习活动中归纳总结获得知识。

（一）以“项目”促应用

项目式学习（PBL）由美国神经病学教授Barrows首创。PBL 注重学习者的实践和参与，侧重体现学习者的学习主体地位，培养学习者的问题解决能力。同时，该理论认为学习的过程应以问题为主线，并融合多种学习方式，以多元化教学方式达成教学效果[4]。在通用技术课堂上，教师通过设计一个个与学生真实生活情景接轨的技术实践“项目”，让学生参与设计开发，可以创新通用技术课堂教学的设计，提高通用技术实践活动的质量，从而推动技术学科核心素养在课程教学中的落实。例如，在“书签的制作”项目中，教师以生活中最常见的物品为例，让学生通过寻找合适的图片和文字，经图像处理后，雕刻在木板上。这样制作的书签既美观又实用。又如，在“木质故事书制作”的项目中，教师让学生以一个人成长过程中几个重要阶段发生的故事为设计背景，研究融合书籍艺术加工的新型展现形式，作品制作过程贯穿通用技术必修2 中结构、流程等多个章节的内容。

（二）以“比赛”促应用

在课堂上通过“比赛”来促进教学目标的达成，也是一种常见的教学策略。这种方式一般以小组的形式开展，可以促进学生之间相互合作，培养团队精神。不同的是，通用技术一般要用几节课才能完成一个比赛任务。例如，以“校园创意门牌”为主题，教师可以要求学生以激光雕刻技术通过三节课创作相关作品。门牌是生活中最常见的物品，可以是班牌或功能教室的门牌，一个富有个性的门牌可以彰显学校或班级的特色，体现一个场所的内涵品位与理念。学生通过小组讨论、制作、作品解说、评选投票等环节，最后制作出多个精美、富有创意的作品。又如，教师可以组织开展生活家居用品类（如灯具灯饰、装饰品、家用小电器等）、文化创意类（如文创产品、节假日传统特色、景区名人纪念品、艺术品等）、智能交通工具类（如智能小车、坦克、飞机等）及机械结构类（如机械蜂鸟、传动机构、机械动物等）作品的制作比赛，锻炼和提升学生的设计能力，培养其批判性思维，使其学会分工合作，从而让通用技术学科核心素养在每个学生身上都获得预期的发展。

（三）以“软件”促应用

激光雕刻机自身配有相关操作软件，如LaserMaker、LaserCAD 等，这些软件界面控制比较简单、容易上手。其中，LaserMaker 自带素材库，可以直接拖拉生成盒子、投石车、木质相框等物品，让学生可以轻松完成从平面作品到立体作品甚至机械作品的升级，大大提高作品制作速度。但仅仅学会机器自带的操作软件还不够，在通用技术课堂教学中应适当介绍一些专业的设计软件的简单应用，如AutoCAD、CorelDRAW、SketchUp、3DOne Cut 等软件。这些软件设计的图形可以转换为激光雕刻机可以识别的dxf 格式文件，导入激光雕刻机配套的软件中，进行再设置，最终生成作品。如在AutoCAD 中，教师可以让学生学习机械零件的加工与设计，使其掌握AutoCAD 画线、标注尺寸等简单的操作方法，雕刻生成零件。又如，在3DOne Cut 软件中教师可以让学生通过拉伸、抽壳、切口、投影等操作，设计生成笔盒、风车等形式多样的作品。通过学习应用这些软件，学生可以掌握设计的一般方法，提高学科技术素养。