3D打印技術(shù)人才培養(yǎng)改革探索

曾亮華

摘 要 圍繞3D打印技術(shù)專業(yè)人才培養(yǎng)進(jìn)行探索，將其貫穿于整個(gè)人才培養(yǎng)周期，從大一至大四，在課程設(shè)置、專業(yè)實(shí)踐、畢業(yè)設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行改革探索，旨在培養(yǎng)合格的3D打印技術(shù)人才。

關(guān)鍵詞 3D打?。蝗瞬排囵B(yǎng)；智能制造；創(chuàng)客教育；課程體系；教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2018）16-0097-03

1 前言

3D打印技術(shù)采用增材方式實(shí)現(xiàn)制造，在一定程度上能夠顛覆傳統(tǒng)的減材加工技術(shù)。因?yàn)樗皇茉O(shè)計(jì)零件的復(fù)雜度影響，所以現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)的思維模式需要改變?；诖耍瑸檫m應(yīng)新時(shí)代對(duì)3D打印技術(shù)專業(yè)人才的市場(chǎng)需求，開展3D打印技術(shù)人才培養(yǎng)的課程體系建設(shè)具有一定的探索意義。

《中國(guó)制造2025》明確提出將主攻智能制造，3D打印技術(shù)又是實(shí)現(xiàn)智能制造的革命性技術(shù)。如今，3D打印技術(shù)已快速發(fā)展并落地為一種強(qiáng)大的生產(chǎn)技術(shù)，而大多數(shù)設(shè)計(jì)工程師是在傳統(tǒng)的減材制造教育中成長(zhǎng)的，因此需要轉(zhuǎn)換思維模式。3D打印技術(shù)能夠完全釋放設(shè)計(jì)師的自由度，設(shè)計(jì)產(chǎn)品不用再受加工制造技術(shù)的限制。華南理工大學(xué)楊永強(qiáng)教授因此提出制造改變?cè)O(shè)計(jì)的理念。高校作為設(shè)計(jì)人才的培養(yǎng)基地，為應(yīng)對(duì)3D打印技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)適時(shí)開展為3D打印而設(shè)計(jì)的人才培養(yǎng)研究，探討3D打印課程設(shè)置、實(shí)踐環(huán)節(jié)、職業(yè)教育等如何開展，尋求適合市場(chǎng)需求的3D打印技術(shù)人才培養(yǎng)的切入口。

2 3D打印技術(shù)的政策支持

《中國(guó)制造2025》主攻智能制造，旨在推動(dòng)制造過程智能化。3D打印又是傳統(tǒng)制造走向智能制造的革命性技術(shù)。近年來，國(guó)家相關(guān)部門陸續(xù)出臺(tái)相應(yīng)的政策支持3D打印技術(shù)，確保其健康發(fā)展。2017年12月13日，工業(yè)和信息化部、發(fā)展改革委、教育部、公安部、財(cái)政部、商務(wù)部等12部門聯(lián)合印發(fā)《增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃（2017—2020年）》。2018年1月，國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局官網(wǎng)發(fā)布關(guān)于印發(fā)《知識(shí)產(chǎn)權(quán)重點(diǎn)支持產(chǎn)業(yè)目錄（2018年本）》的通知。該《目錄》中確定的10個(gè)重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)中有三個(gè)提到3D打印產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，分別為“3.智能制造產(chǎn)業(yè)：3.6增材制造”“4.新材料產(chǎn)業(yè)：

4.3先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料（3D打印材料）”“8.先進(jìn)生物產(chǎn)業(yè)：

8.1.4 3D生物打印”。

從近一兩年國(guó)家發(fā)布的政策文件來看，3D打印技術(shù)將在新時(shí)期得到快速發(fā)展并能大顯身手。另外，隨著3D打印技術(shù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定，3D打印產(chǎn)業(yè)也將日趨規(guī)模變大且趨于完善。未來，3D打印技術(shù)人才的需求也將越來越大，對(duì)專業(yè)人才的要求也越來越高。

3 3D打印技術(shù)的當(dāng)前高校需求

隨著2016年我國(guó)加入華盛頓成員國(guó)，國(guó)內(nèi)高校掀起工程教育國(guó)際認(rèn)證的浪潮。工程教育認(rèn)證中強(qiáng)調(diào)學(xué)生的實(shí)作技能，鼓勵(lì)課程設(shè)計(jì)/畢業(yè)設(shè)計(jì)能出實(shí)際作品，鼓勵(lì)學(xué)生以團(tuán)隊(duì)合作的形式完成，這是頂石（Capstone）的基本要求。3D打印技術(shù)是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品從電腦屏幕到實(shí)物最為便捷的方式，具有時(shí)間和成本優(yōu)勢(shì)，從而備受關(guān)注和學(xué)生喜愛。從專業(yè)認(rèn)證的發(fā)展需求看，3D打印技術(shù)在高校中的應(yīng)用將逐步擴(kuò)大。

另外，國(guó)家提出大學(xué)人才培養(yǎng)定位改革，能夠切實(shí)發(fā)揮3D打印技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。首先，作為定位方向之一的應(yīng)用型人才培養(yǎng)，其重點(diǎn)在于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，掌握最新的制造技術(shù)，清晰定位3D打印技術(shù)在產(chǎn)品制造工程中的角色和作用，使學(xué)生具備更靈活的思考方式和更先進(jìn)的技術(shù)，能解決實(shí)際問題，未來也能更加靈活地就業(yè)。因此，應(yīng)用型人才培養(yǎng)與3D打印技術(shù)關(guān)系密切。其次，在研究型人才培養(yǎng)定位中，諸多高校如清華大學(xué)、華中科技大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、華南理工大學(xué)、西安交通大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)等都已經(jīng)開展3D打印技術(shù)的研究工作，包括控制、軟件、工藝、材料、設(shè)備等，取得相當(dāng)?shù)某煽?jī)，許多學(xué)生圍繞3D打印技術(shù)開展相應(yīng)的課題研究。從這點(diǎn)看，各種類型的高校都與3D打印技術(shù)具有一定的聯(lián)系。

除了本科院校外，高職、專科學(xué)校也已經(jīng)關(guān)聯(lián)到3D打印技術(shù)。2015年，教育部印發(fā)《普通高等學(xué)校高等職業(yè)教育（專科）專業(yè)目錄（2015年）》，明確列舉了航空產(chǎn)品3D打印、增材制造技術(shù)等專業(yè)方向，旨在促使學(xué)校大力開展3D打印職業(yè)教育課程建設(shè)。

因此，在新背景下，開展3D打印技術(shù)人才的培養(yǎng)研究相當(dāng)重要，高校如何培養(yǎng)能夠滿足社會(huì)需求的專業(yè)人才，值得探索。

4 3D打印技術(shù)課程設(shè)置改革探索

構(gòu)建3D關(guān)聯(lián)技術(shù)的課程體系 3D打印技術(shù)人才的培養(yǎng)需要建立相應(yīng)的課程體系。3D打印技術(shù)以3D數(shù)字模型為基礎(chǔ)，在工藝段前期關(guān)聯(lián)到計(jì)算機(jī)3D建模、3D掃描技術(shù)等，打印過程中關(guān)聯(lián)到工程材料、工藝優(yōu)化、路徑規(guī)劃、質(zhì)量監(jiān)控等，打印后關(guān)聯(lián)到公差與配合、3D測(cè)量技術(shù)、誤差分析等。從知識(shí)體系上分析，3D打印技術(shù)涉及的課程類別較多，課程內(nèi)容較廣，且涉及的內(nèi)容上不是單一構(gòu)成的。

因此，首先基于3D打印技術(shù)的基本原理，構(gòu)建三維建模、三維掃描—3D打印—3D測(cè)量的循環(huán)課程體系（如圖1所示），是符合當(dāng)前工科教育發(fā)展的。最典型的例子是教育部學(xué)校規(guī)劃建設(shè)發(fā)展中心組織的全國(guó)應(yīng)用型人才技能大賽，比賽程序明確要求學(xué)生掌握作品從理論創(chuàng)新思維、三維模型的建立與裝配、三維掃描到最終的3D打印實(shí)物呈現(xiàn)，能夠全面考核學(xué)生3D打印技術(shù)相關(guān)能力。因此，學(xué)生需要較好地掌握3D軟件使用，完成設(shè)計(jì)模型的數(shù)字化；掌握逆向工程的點(diǎn)云處理、噪聲點(diǎn)處理、模型拼接等技術(shù)；掌握公差測(cè)

量、工程測(cè)試、幾何精度等知識(shí)。可以通過3D測(cè)量技術(shù)考查學(xué)生對(duì)打印精度的理解，并能進(jìn)行相應(yīng)的誤差分析，進(jìn)而找出原因，用于指導(dǎo)工藝的優(yōu)化。

開展職業(yè)技能教育 3D打印技術(shù)作為一種先進(jìn)的制造技術(shù)，學(xué)生要能夠?qū)⑵溆糜诋a(chǎn)品的生產(chǎn)中去，需要掌握3D打印的基礎(chǔ)理論、3D打印材料、3D打印設(shè)備研發(fā)及操作實(shí)訓(xùn)等方面的一整套綜合技能。因此，高校需要圍繞3D打印技術(shù)開展職業(yè)技能教育及考證培訓(xùn)工作。綜合考慮珠三角地區(qū)3D打印行業(yè)的發(fā)展及需求，關(guān)于3D打印技術(shù)的職業(yè)技能教育需要開設(shè)從技術(shù)基礎(chǔ)—材料—工藝—設(shè)備等內(nèi)容，如3D打印技術(shù)基礎(chǔ)、3D打印成型材料、3D打印成型工藝及技術(shù)、3D打印設(shè)備的操作實(shí)訓(xùn)、3D打印產(chǎn)品的表面處理、3D打印設(shè)備保養(yǎng)及維修實(shí)訓(xùn)等系列課程，使學(xué)生得到全方位的知識(shí)補(bǔ)充與能力鍛煉。同時(shí)要改革教學(xué)方式，落實(shí)理論與實(shí)踐的充分融合，密切聯(lián)系3D打印相應(yīng)企業(yè)，真正實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)的人才適應(yīng)社會(huì)需求，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐的零間隙、畢業(yè)與就業(yè)的零過渡。

5 3D打印技術(shù)教育教學(xué)改革探索

3D打印作為一種新興技術(shù)，正逐步實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用，延伸至諸多領(lǐng)域。它在影響設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)思維及設(shè)計(jì)方式的同時(shí)，也引起高校教師對(duì)教育教學(xué)方法等方面的思考。傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)模式、常規(guī)的教學(xué)方法、產(chǎn)品的制造方法可能因此而產(chǎn)生改變。3D打印技術(shù)人才的培養(yǎng)需要循序漸進(jìn)，從大一至大四逐步加強(qiáng)學(xué)生對(duì)此技術(shù)的理解，逐步從科普講座、創(chuàng)客教育等開始，先使學(xué)生明白3D打印技術(shù)的基本原理、應(yīng)用場(chǎng)合等，再慢慢延伸至課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)中去，以實(shí)現(xiàn)用3D打印技術(shù)制造實(shí)際產(chǎn)品。

開展科普講座 科普講座可以用來引導(dǎo)學(xué)生了解學(xué)科發(fā)展前沿、最新的技術(shù)前沿等，有利于提升學(xué)生學(xué)習(xí)的專業(yè)興趣。針對(duì)一年級(jí)新生，開展新生專業(yè)教育活動(dòng)，有助于學(xué)生了解機(jī)械工程的前沿技術(shù)及其發(fā)展，提高其對(duì)專業(yè)的認(rèn)識(shí)及學(xué)習(xí)興趣。利用珠海市社科學(xué)術(shù)活動(dòng)周活動(dòng)，開展3D/4D/5D打印技術(shù)的宣講，包括：3D打印的基本原理、發(fā)展歷史、基本分類、最新應(yīng)用領(lǐng)域、國(guó)家的政策支持等；4D打印的基本原理、與3D打印的區(qū)別、潛在應(yīng)用領(lǐng)域等；5D打印技術(shù)概念的提出、與4D打印的區(qū)別，應(yīng)用領(lǐng)域等；3D打印技術(shù)未來的發(fā)展——XD技術(shù)概念。展示計(jì)算機(jī)3D軟件技術(shù)的建模作品，并結(jié)合學(xué)校3D打印設(shè)備，實(shí)現(xiàn)電腦屏幕上的模型到實(shí)物的轉(zhuǎn)化，給學(xué)生直觀的認(rèn)識(shí)。另外，通過概述性講解，展示從實(shí)物到電腦屏幕，再通過3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)物的快速反求，可給學(xué)生一定的沖擊，激起其好奇心。

開展創(chuàng)客教育 智能時(shí)代的到來，世界各國(guó)都將培養(yǎng)科技創(chuàng)新人才納入國(guó)家核心戰(zhàn)略。從人才培養(yǎng)戰(zhàn)略性角度看，創(chuàng)客教育是一個(gè)必然的發(fā)展趨勢(shì)。高校開展創(chuàng)客教育或設(shè)置創(chuàng)客空間，供學(xué)生將新穎的設(shè)計(jì)思維直接轉(zhuǎn)化為實(shí)際可觸摸的產(chǎn)品，關(guān)鍵之一在于3D打印技術(shù)的應(yīng)用。

針對(duì)二年級(jí)學(xué)生，已經(jīng)逐步開設(shè)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)等課程，學(xué)生可以參加全國(guó)機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽、應(yīng)用型技能大賽等，這些競(jìng)賽都需要實(shí)物作品展示。因此，從二年級(jí)開始逐漸將學(xué)生引入創(chuàng)客空間實(shí)驗(yàn)室，開展3D打印作品的實(shí)作訓(xùn)練，為競(jìng)賽做好技能準(zhǔn)備。通過競(jìng)賽作品的打印，學(xué)生能夠更加清楚地認(rèn)識(shí)3D打印技術(shù)，了解其工藝過程、工藝參數(shù)設(shè)置、模型的前處理、打印制件的后處理等，達(dá)到以賽促練的效果。

課程設(shè)計(jì)改革 高年級(jí)學(xué)生開始具有機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)、機(jī)械制造裝備課程設(shè)計(jì)等，傳統(tǒng)的執(zhí)行方式是學(xué)生在電腦上完成設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的三維模型和繪制相應(yīng)的裝配圖、零件圖。不少高校出于課時(shí)、安全、成本等各種因素考慮，學(xué)生真正利用傳統(tǒng)的加工機(jī)床完成實(shí)物制作的少之又少，進(jìn)而無法驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的合理性，也未能得到直觀的認(rèn)識(shí)。3D打印技術(shù)具有快速實(shí)現(xiàn)、安全等優(yōu)勢(shì)，因此考慮用3D打印技術(shù)來進(jìn)行課程設(shè)計(jì)的實(shí)物制作，提升學(xué)生對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)，是可行且十分需要的。通過課程設(shè)計(jì)的實(shí)物3D打印，學(xué)生一方面能夠認(rèn)識(shí)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，另外一方面能夠更深層次理解3D打印技術(shù)。

畢業(yè)設(shè)計(jì)改革 畢業(yè)設(shè)計(jì)作為對(duì)學(xué)生的綜合考查，工科專業(yè)學(xué)生往往需要完成設(shè)計(jì)作品的實(shí)物制作，工程教育認(rèn)證也明確要求一定的實(shí)物制作。學(xué)生可選擇傳統(tǒng)加工技術(shù)與3D打印技術(shù)結(jié)合，將設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)實(shí)物展示于答辯現(xiàn)場(chǎng)。另外，對(duì)于高年級(jí)學(xué)生開展一定的3D打印工藝研究與實(shí)踐，包括尺寸測(cè)量、誤差分析、缺陷分析甚至軌跡優(yōu)化等，對(duì)于提升學(xué)生對(duì)3D打印技術(shù)的理解是十分必要的。

6 結(jié)語

本文圍繞3D打印技術(shù)展開，在分析國(guó)家3D打印支持政策和3D打印技術(shù)的高校需求后，從課程設(shè)置、教學(xué)改革兩方面進(jìn)行一定探索。將3D打印技術(shù)貫穿于大學(xué)生各個(gè)階段進(jìn)行相應(yīng)的改革探索，旨在讓學(xué)生在實(shí)踐中理解3D打印技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，切實(shí)提升學(xué)生的3D打印技術(shù)水平。