關(guān)于高校教育中增材制造專業(yè)課程體系建設(shè)的思考

張愷　劉潔

摘? 要：增材制造技術(shù)作為一種新興的智能制造技術(shù)，已經(jīng)在航空、航天和醫(yī)療等領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。2021年2月，教育部正式將“增材制造工程”列入專業(yè)列表，以期滿足國內(nèi)快速發(fā)展的增材制造行業(yè)對相關(guān)人才的需求。目前，高等教育中涉及增材制造的課程相對較少，未形成系統(tǒng)化教學(xué)內(nèi)容。文章總結(jié)國外高校增材制造專業(yè)課程體系建設(shè)的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，針對國內(nèi)高校進(jìn)行相關(guān)課程體系建設(shè)提出幾點(diǎn)教改建議。

關(guān)鍵詞：增材制造;課程建設(shè);交叉學(xué)科

中圖分類號：G640? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? 文章編號：1673-7164（2022）05-0045-04

增材制造（3D打?。┘夹g(shù)是一種以粉末或者絲材為原材料，基于離散/堆積原理，由激光、電子束、等離子體等進(jìn)行逐層疊加堆積的方式，實(shí)現(xiàn)將數(shù)字模型直接制造成成型產(chǎn)品的技術(shù)[1]。它不僅降低了制造復(fù)雜零件的難度，減少了零件結(jié)構(gòu)設(shè)計的形狀限制，提高了材料利用率，還是智能化制造發(fā)展的重要組成部分，尤其適合于航空、航天、能源以及醫(yī)療等領(lǐng)域復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件對于快速定型，設(shè)計優(yōu)化、智能化/個性化制造的需求，縮短交貨期，降低制造成本[2-6]。目前，增材制造技術(shù)以不可阻擋之勢快速發(fā)展，成為世界各國熱衷的新型智能產(chǎn)業(yè)，獲得了廣泛的關(guān)注以及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。根據(jù)美國增材制造行業(yè)研究咨詢機(jī)構(gòu)Wohlers統(tǒng)計，全球增材制造產(chǎn)值（包括產(chǎn)品和服務(wù)）從2012年的22.8億美元增長到2017年的73.36億美元，五年來增長超過300%，年復(fù)合增長率高達(dá)26.20%。2017年，全球增材制造行業(yè)市場規(guī)模達(dá)到了73.36億美元，2020年，全球增材制造行業(yè)規(guī)模更是達(dá)到128億美元。我國政府也在多處規(guī)劃中，包括《增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動計劃（2017—2020年）》《中國制造2025》以及《加強(qiáng)“從0到1”基礎(chǔ)研究工作方案》，明確“到2020年，增材制造產(chǎn)業(yè)年銷售收入超過200億元，年均增速在30%以上;關(guān)鍵核心技術(shù)達(dá)到國際同步發(fā)展水平，工藝裝備基本滿足行業(yè)應(yīng)用需求，生態(tài)體系建設(shè)顯著完善，在部分領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)規(guī)模化應(yīng)用”。加強(qiáng)技術(shù)創(chuàng)新，提高核心競爭力，力爭在該領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)國際領(lǐng)先地位。

隨著增材制造產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，要想在國際上處于領(lǐng)先地位，就必須有屬于自己的關(guān)鍵技術(shù)以及獨(dú)到之處。然而增材制造技術(shù)本身應(yīng)用成本相對較高，應(yīng)用范圍相對較窄，整體產(chǎn)業(yè)規(guī)模相對于傳統(tǒng)制造規(guī)模依舊較小。此外，受限于設(shè)備、場地以及安全等因素，學(xué)生對于增材制造技術(shù)的認(rèn)知僅停留于表面，沒有深入的挖掘和創(chuàng)新，更沒有進(jìn)行實(shí)地操作。在這種情況下，開設(shè)增材制造技術(shù)這類創(chuàng)新課程是十分有必要的。因此，按照中共中央、國務(wù)院于 2016 年在《關(guān)于加強(qiáng)和改進(jìn)新形勢下高校思想政治工作的意見》中明確強(qiáng)調(diào)的核心思想——“把思想價值引領(lǐng)貫穿教育教學(xué)全過程和各環(huán)節(jié)，形成教書育人、科研育人、實(shí)踐育人、管理育人、服務(wù)育人、文化育人、組織育人長效機(jī)制”。為了提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和學(xué)習(xí)效率，本文在相關(guān)教改資料以及國外先進(jìn)學(xué)習(xí)管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，提出增材制造技術(shù)這類課程的教學(xué)改革新思路，對如何上好增材制造技術(shù)這門課程進(jìn)行初步探索。

一、“增材制造技術(shù)”課程教學(xué)現(xiàn)狀及問題

2021年2月10日，教育部發(fā)布《教育部關(guān)于公布2020年度普通高等學(xué)校本科專業(yè)備案和審批結(jié)果的通知》，正式將“增材制造工程”列入專業(yè)列表，設(shè)定4年學(xué)時，屬于機(jī)械類課程[7]。增材制造工程專業(yè)的正式推出，有望可以滿足快速發(fā)展的增材制造行業(yè)對于增材制造產(chǎn)品設(shè)計、設(shè)備操作以及后處理等相關(guān)內(nèi)容人才的需求。目前，增材制造工程相關(guān)專業(yè)和課程只在部分中職院校中開展，高等教育中涉及該領(lǐng)域的課程相對較少，有的也只是開設(shè)增材制造介紹類課程，進(jìn)行簡單的科普，并未形成系統(tǒng)化教學(xué)內(nèi)容，還存在些許問題。

（一）授課內(nèi)容科普性過多，缺乏全面的知識體系

以金屬增材制造為例，整個生產(chǎn)過程涉及基于增材制造特點(diǎn)進(jìn)行待生產(chǎn)零件模型設(shè)計;增材制造打印工藝優(yōu)化獲得最優(yōu)性能;打印后處理，包括熱處理、熱等靜壓處理、表面加工和表面拋光等;打印零件質(zhì)量檢測，包括無損檢測、表面粗糙度檢測等?？梢岳斫鉃樵霾闹圃旒夹g(shù)屬于典型的交叉學(xué)科范疇，需要學(xué)習(xí)的不僅僅是單一的某個技術(shù)或者某一個生產(chǎn)過程。此外，教學(xué)知識主要以科普、了解為主，仍停留在技術(shù)表面，也就是“是什么”這一階段，故事性不強(qiáng)，沒有更加深入地探索以及啟發(fā)學(xué)生進(jìn)一步的學(xué)習(xí)“為什么”和“怎么做”。在師資隊伍建設(shè)方面，相對于機(jī)械、車輛工程、互聯(lián)網(wǎng)等，增材制造課程專業(yè)教師較少，對于專業(yè)新型學(xué)科課程體系指定較慢，這就降低了很多學(xué)生的就業(yè)競爭力。迫切希望打造出一批實(shí)踐能力強(qiáng)、教學(xué)能力突出、科研能力出眾、以及事業(yè)心強(qiáng)的專業(yè)性教師。

（二）授課內(nèi)容單一，脫離生產(chǎn)實(shí)際，學(xué)生對課程認(rèn)知和重視程度不高

對于增材制造課程來說，實(shí)際內(nèi)容需要結(jié)合大量的上機(jī)實(shí)驗(yàn)來同步進(jìn)行。但目前受限于設(shè)備、場地以及安全等因素，課程內(nèi)容很容易脫離生產(chǎn)實(shí)際，大學(xué)生上課前不會主動了解該課程的學(xué)習(xí)目標(biāo)，課后也不會去練習(xí)和鞏固相關(guān)知識，更不用說進(jìn)一步的探索與創(chuàng)新。且一些學(xué)生認(rèn)為這類課程難以對將來在該領(lǐng)域從業(yè)形成實(shí)際的指導(dǎo)作用，只是為了湊夠?qū)W分和學(xué)習(xí)績點(diǎn)，因此，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性不高。在3D打印設(shè)備建設(shè)方面，由于設(shè)備以及技術(shù)昂貴，經(jīng)費(fèi)投入有限，現(xiàn)有的試驗(yàn)設(shè)備無法滿足大量的上機(jī)需求，更不能保證每一位學(xué)生都可以親自動手操作設(shè)備，進(jìn)行一些簡單的“建?！O(shè)置—成品打印”一系列的流程。

（三）授課內(nèi)容固定，無法與產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢相結(jié)合

增材制造技術(shù)作為支撐智能制造、綠色制造的最重要組成部分之一，能夠?qū)崿F(xiàn)快速云生產(chǎn)。如果將其與5G技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析、互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)相結(jié)合，增材制造能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程模型設(shè)計、云端數(shù)據(jù)上傳下行以及自動化生產(chǎn)，從而真正實(shí)現(xiàn)智能制造。然而，目前主流高校開設(shè)的增材制造相關(guān)課程受限于所在專業(yè)，難以實(shí)現(xiàn)交叉學(xué)科授課，無法講授增材制造發(fā)展趨勢。且在課堂上，學(xué)生更加愿意“當(dāng)?shù)皖^族”，不專心聽講，課堂效果大打折扣。更為重要的是，人才培養(yǎng)的模式和專業(yè)領(lǐng)域方向模糊不清，不能緊跟行業(yè)發(fā)展需求，對學(xué)生的要求不高——僅僅只是學(xué)業(yè)課程過關(guān)，再加上課堂效率不高，導(dǎo)致部分學(xué)生學(xué)無所獲、學(xué)無所用，有相當(dāng)一部分學(xué)生不能從事與增材制造相關(guān)的行業(yè)。

二、“增材制造技術(shù)”課程國外體系建設(shè)

經(jīng)過調(diào)研和總結(jié)，研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)國外頂尖高校已經(jīng)將增材制造以及相關(guān)課程列為主要課程內(nèi)容，并且從頂層進(jìn)行設(shè)計，充分考慮了增材制造生產(chǎn)工藝手段的實(shí)際情況，從不同專業(yè)角度出發(fā)，分不同側(cè)重點(diǎn)，進(jìn)行增材制造課程講授和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)。以澳大利亞蒙納什大學(xué)工學(xué)院所開設(shè)的增材制造類課程為例，它的交叉學(xué)科特征明顯，目前已經(jīng)成為工學(xué)院不同專業(yè)課程和創(chuàng)新項目的基礎(chǔ)。

（一）相關(guān)課程種類較多，覆蓋面較廣，并且兼顧專業(yè)性

與增材制造直接相關(guān)的開設(shè)課程主要包括增材制造零部件設(shè)計;金屬材料增材制造;高分子材料增材制造。其中，增材制造零部件設(shè)計課程主要為結(jié)合增材制造特點(diǎn)和成型特性進(jìn)行零件拓?fù)鋬?yōu)化方法教學(xué)，課程目標(biāo)是為了讓學(xué)生充分掌握增材制造成型特性和限制條件，學(xué)習(xí)拓?fù)鋬?yōu)化方法，并了解實(shí)際零件設(shè)計中所采用的強(qiáng)度校核方法以及評判標(biāo)準(zhǔn)。金屬增材制造和高分子材料增材制造課程主要包括增材制造材料特性、工藝以及后處理方法等內(nèi)容，主要目標(biāo)是為了讓學(xué)生充分掌握增材制造工藝特性，了解增材制造工藝特性對于材料結(jié)構(gòu)的具體影響并基于此掌握相關(guān)后續(xù)處理方法。

（二）交叉學(xué)科特性明顯

機(jī)電一體化與先進(jìn)制造課程，重點(diǎn)講授先進(jìn)制造與智能制造，囊括了增材制造技術(shù)、工業(yè)4.0、數(shù)字鏡像、人工智能等，目的是為了讓具有機(jī)械或者電子信息背景的學(xué)生可掌握機(jī)電一體化技術(shù)、增材制造技術(shù)在先進(jìn)工業(yè)生產(chǎn)中的作用。

（三）采用教師組合方式，提升課程教師團(tuán)隊專業(yè)性

同一門課程至少由兩名以上具有不同學(xué)術(shù)背景的教師講授，保證講授內(nèi)容的全面性和專業(yè)性。以增材制造零部件設(shè)計這一課程為例，由兩位教師合作講授：一位教師具有機(jī)械設(shè)計、有限元分析等背景;另一位教師具有增材制造零件拓?fù)鋬?yōu)化、工藝設(shè)計等背景。兩位教師分工合作，基于各自的擅長領(lǐng)域，能夠有效為學(xué)生講授該課程，實(shí)現(xiàn)課程目標(biāo)。

（四）快速實(shí)現(xiàn)相關(guān)課程創(chuàng)新設(shè)計

在不同專業(yè)的創(chuàng)新實(shí)踐課程中，充分利用增材制造技術(shù)，特別是高分子增材制造技術(shù)個性化定制、快速成型這一特性，鼓勵學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新性設(shè)計，并利用增材制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)學(xué)生設(shè)計。舉例來說，在機(jī)械設(shè)計類課程中，鼓勵學(xué)生以提升系統(tǒng)效能為目的進(jìn)行系統(tǒng)零件的重新設(shè)計并進(jìn)行模擬驗(yàn)證，最終使用增材制造技術(shù)進(jìn)行所有零件打印與裝配，驗(yàn)證學(xué)生優(yōu)化設(shè)計，大大提升課程質(zhì)量。

（五）基于增材制造技術(shù)優(yōu)化已有創(chuàng)新項目，進(jìn)一步提高創(chuàng)新項目質(zhì)量

以蒙納什大學(xué)工學(xué)院的傳統(tǒng)優(yōu)勢本科生創(chuàng)新項目為例，該項目已有21年歷史，每年均由不同年級不同專業(yè)（機(jī)械和電氣工程為主）的學(xué)生組建，從零開始，進(jìn)行方程式賽車的零件自主設(shè)計、定型、生產(chǎn)、組裝、調(diào)試，并參加國際學(xué)生方程式賽車大賽。蒙納什大學(xué)工學(xué)院的賽車團(tuán)隊獲得過多項國際獎項，目前排在國家學(xué)生方程式賽車第三位。從2019年開始，該團(tuán)隊在學(xué)校以及工學(xué)院增材制造科研團(tuán)隊的支持下，進(jìn)行賽車零件的創(chuàng)新設(shè)計并采用增材制造方式生產(chǎn)，進(jìn)一步提升了所設(shè)計賽車的性能。

三、提高“增材制造技術(shù)”課程體系建設(shè)的教改建議

知己知彼，百戰(zhàn)不殆。針對目前高校增材制造課程教學(xué)所面臨的困境，結(jié)合國外高校增材制造課程教學(xué)的先進(jìn)教學(xué)理念，理應(yīng)取其精華，去其糟粕，因地制宜地提高增材制造課程的教學(xué)水平，特此提出如下建議。

（一）結(jié)合交叉學(xué)科特點(diǎn)，根據(jù)專業(yè)背景細(xì)化課程內(nèi)容

增材制造課程屬于典型的交叉學(xué)科，其背景知識橫跨機(jī)械、電氣、材料、信息工程等專業(yè)，主要內(nèi)容包括零件設(shè)計、材料調(diào)控以及后處理。因此，單一專業(yè)背景的教師難以滿足系統(tǒng)性講授增材制造技術(shù)的需求，有必要結(jié)合不同專業(yè)背景教師，采用跨專業(yè)授課的方式，共同開設(shè)增材制造課程。此外，細(xì)化增材制造相關(guān)課程內(nèi)容，針對不同專業(yè)背景學(xué)生來制訂教學(xué)大綱和教學(xué)目標(biāo)，開設(shè)有針對性的課程如增材制造零件設(shè)計、增材制造材料等，進(jìn)行有側(cè)重的講授，加入新元素和新知識，使得教學(xué)內(nèi)容更加飽滿，提高學(xué)生學(xué)習(xí)和探索的積極性。教師需要采取翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式，創(chuàng)新傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)過程，不斷設(shè)計學(xué)習(xí)目的、學(xué)習(xí)任務(wù)和學(xué)習(xí)過程，引導(dǎo)學(xué)生利用各方資源獨(dú)立主動地探索學(xué)習(xí)，提高學(xué)生的個人素養(yǎng)和解決問題的能力。

（二）將增材制造理論與其他核心課程內(nèi)容相結(jié)合

增材制造技術(shù)因其成型過程的特殊性，與傳統(tǒng)成型技術(shù)成型材料具有很大不同，但其影響機(jī)制仍然沒有改變。現(xiàn)階段由于增材制造工藝相對不太穩(wěn)定，很容易在制造過程中引入孔洞、微裂紋等缺陷。這類增材制造缺陷的形成機(jī)制和焊接缺陷的形成機(jī)制類似。因此，可以將增材制造的缺陷形成機(jī)制內(nèi)容揉入焊接相關(guān)課程，進(jìn)行系統(tǒng)學(xué)習(xí)?？梢詫⒃霾闹圃炝慵O(shè)計內(nèi)容作為機(jī)械專業(yè)學(xué)生工業(yè)設(shè)計學(xué)習(xí)時的高階內(nèi)容進(jìn)行講授，有助于學(xué)生進(jìn)一步了解增材制造工藝，能夠提升零件設(shè)計自由度這一優(yōu)點(diǎn)。為了讓學(xué)生更加全面、容易地掌握相關(guān)知識，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、研究興趣也是很重要的一點(diǎn)。教師應(yīng)通過多種方式營造活躍的教學(xué)氣氛?？梢詮囊曨l、小實(shí)例以及個人經(jīng)歷入手，講好增材制造的發(fā)展過程，相關(guān)創(chuàng)新點(diǎn)以及存在的難題，引導(dǎo)學(xué)生主動了解，創(chuàng)造更大的價值。與此同時，也需要不斷提高教師隊伍培養(yǎng)力度，如聘請專家進(jìn)行實(shí)踐指導(dǎo);企業(yè)一線掛職鍛煉;定期組織教師學(xué)習(xí)、考核;進(jìn)企業(yè)學(xué)習(xí)深造等，提高教師的教育教學(xué)水平，強(qiáng)化各個教師本身對于理論知識、關(guān)鍵技術(shù)的理解與運(yùn)用，進(jìn)而增材教師本身的競爭力，從而提高學(xué)生的競爭力。

（三）基于增材制造技術(shù)，設(shè)立各類創(chuàng)新課程和創(chuàng)新項目

增材制造技術(shù)具有個性化設(shè)計定制、成型速度快等特點(diǎn)?；谠撎攸c(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)系列創(chuàng)新設(shè)計課程和創(chuàng)新項目。以典型的增材制造技術(shù)之一——高分子熔融層積成型技術(shù)（FDM）為例，現(xiàn)階段該技術(shù)手段市場普及率很高，設(shè)備成本低，在網(wǎng)購網(wǎng)站如淘寶等能夠以低于1000人民幣價格購買到;運(yùn)行以及維護(hù)成本同樣很低，一卷原材料高分子絲材采購價格30—70元人民幣，可以完成多批次打印，每批次打印成本不超過10元人民幣。FDM技術(shù)非常適合在創(chuàng)新課程、創(chuàng)新項目中，讓學(xué)生快速實(shí)現(xiàn)各種設(shè)計的生產(chǎn)方式?；谠霾闹圃旒夹g(shù)來開設(shè)這類創(chuàng)新課程和項目，能夠進(jìn)一步促進(jìn)學(xué)生了解增材制造技術(shù)特性，同時更好進(jìn)行課程教育和項目實(shí)現(xiàn)。由于打印機(jī)設(shè)備、資源、場地以及安全等因素，學(xué)生上機(jī)訓(xùn)練難度大，F(xiàn)DM小型打印機(jī)也可以近距離地接觸、認(rèn)識打印機(jī)，從而簡單進(jìn)行一些3D打印零部件訓(xùn)練，提高學(xué)生的動手能力，實(shí)現(xiàn)課程目標(biāo)。在基礎(chǔ)設(shè)備滿足要求后，希望繼續(xù)加大經(jīng)費(fèi)投入，建設(shè)完備的增材制造教育教學(xué)體系，以“理論—實(shí)踐—運(yùn)用”為整體目標(biāo)，促進(jìn)整個增材制造技術(shù)教學(xué)平臺完善，培養(yǎng)更多優(yōu)秀人才，為國家的制造業(yè)添磚加瓦，更為我國未來中國智能制造創(chuàng)造契機(jī)、提供保障。

四、結(jié)語

“增材制造技術(shù)”課程是培養(yǎng)材料、機(jī)械等工科專業(yè)高素質(zhì)人才的專業(yè)基礎(chǔ)課，也是未來中國增材制造技術(shù)向前進(jìn)步的點(diǎn)睛之筆，更是中國制造業(yè)實(shí)現(xiàn)飛躍的厚積薄發(fā)的重要環(huán)節(jié)。通過對這門課程的深入學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠了解增材制造技術(shù)的關(guān)鍵特點(diǎn)以及整個生產(chǎn)過程，基于所學(xué)知識，有所得、有所思考，能夠自主將所學(xué)的理論知識熟練地運(yùn)用到以后的工作中，促進(jìn)增材制造技術(shù)創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)各領(lǐng)域交叉發(fā)展，真正達(dá)到培養(yǎng)高技術(shù)性人才的目標(biāo)，為中國在該領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)領(lǐng)先添磚加瓦。

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