新工科視域下增材智能建造技術(shù)創(chuàng)新教學(xué)探索

王家慶 王立彬 李強(qiáng) 孫浚博 呂貴芳

[摘 要] 隨著《“十四五”智能制造發(fā)展規(guī)劃》的提出，傳統(tǒng)工科日益向新工科轉(zhuǎn)變，高校應(yīng)重點(diǎn)培養(yǎng)創(chuàng)新型與工匠型人才。在土木工程學(xué)科中，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)關(guān)注基礎(chǔ)鞏固，加深理論知識(shí)理解。新工科背景下的實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)順應(yīng)智能建造發(fā)展需要，引入增材智能建造技術(shù)課程作為創(chuàng)新型、開(kāi)放型體感互動(dòng)環(huán)節(jié)，以激發(fā)土木類高校學(xué)生對(duì)智能建造技術(shù)的興趣，助力培養(yǎng)新工科視域下的智能建造人才。

[關(guān)鍵詞] 智能建造;土木工程;實(shí)驗(yàn)教學(xué);增材制造技術(shù);體感互動(dòng)

[基金項(xiàng)目] 2020年度江蘇高等教育質(zhì)量保障與評(píng)價(jià)研究課題“一流課程建設(shè)背景下課程建設(shè)評(píng)價(jià)體系研究”（2020056）;2021年度江蘇省高等教育學(xué)會(huì)“十四五”高等教育科學(xué)研究規(guī)劃課題（重點(diǎn)）“江蘇新農(nóng)科專業(yè)建設(shè)的調(diào)查研究”（ZDDY08）;2021年度教育部高等教育司產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目“碳中和背景下的綠色土木工程基礎(chǔ)設(shè)施智能建造師資培訓(xùn)”（202102011011）;2021年度江蘇省基礎(chǔ)研究計(jì)劃（自然科學(xué)基金）“路用纖維復(fù)合橡膠混凝土微界面調(diào)控及協(xié)同增韌抗裂機(jī)理研究”（BK20210617）

[作者簡(jiǎn)介] 王家慶（1994—），男（回族），安徽六安人，哲學(xué)博士，南京林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院講師（通信作者），碩士生導(dǎo)師，主要從事土木工程材料設(shè)計(jì)研究;王立彬（1970—），男，河北辛集人，工學(xué)博士，南京林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院教授，碩士生導(dǎo)師，南京林業(yè)大學(xué)教務(wù)處處長(zhǎng)，主要從事新型橋梁結(jié)構(gòu)體系與竹木復(fù)合結(jié)構(gòu)研究;李 強(qiáng)（1982—），男，江蘇新沂人，工學(xué)博士，南京林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院副院長(zhǎng)，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事道路結(jié)構(gòu)與材料設(shè)計(jì)研究。

[中圖分類號(hào)] G642.0 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 1674-9324（2022）25-0049-04 [收稿日期] 2022-03-21

傳統(tǒng)工科教學(xué)重點(diǎn)關(guān)注學(xué)生理論知識(shí)的扎實(shí)度，對(duì)于學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)大多依賴于實(shí)驗(yàn)課程。然而，當(dāng)下高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)基本遵循傳統(tǒng)基礎(chǔ)知識(shí)體系，少有專業(yè)將最新技術(shù)及前沿科技引入教學(xué)體系。土木工程學(xué)科在智能建造背景下，更應(yīng)契合新工科建設(shè)發(fā)展需要[1]，著力打造智能建造相關(guān)實(shí)驗(yàn)課程，培養(yǎng)智能建造方向的創(chuàng)新型人才，為國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)行業(yè)培養(yǎng)后備力量。土木工程建設(shè)過(guò)程中涉及的建筑材料（水泥混凝土、石膏、地質(zhì)聚合物等）通過(guò)一定的配比設(shè)計(jì)及性能優(yōu)化，均可應(yīng)用于增材制造技術(shù)，實(shí)現(xiàn)建筑物的智能化三維空間打印，減少人工成本，加快工程進(jìn)度。歐美國(guó)家近些年涌現(xiàn)了許多3D打印工程應(yīng)用實(shí)例[2]，3D打印智能建造技術(shù)已走在世界前列，這與將增材制造技術(shù)及早引入高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程中不無(wú)關(guān)系，培養(yǎng)了一大批掌握3D打印智能建造技術(shù)的高級(jí)人才。因此，我國(guó)高校土木工程專業(yè)人才培養(yǎng)也應(yīng)跟上技術(shù)發(fā)展的步伐，引入增材智能建造技術(shù)作為創(chuàng)新型、開(kāi)放型實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程，突破傳統(tǒng)工科的工程實(shí)踐內(nèi)容的局限性，以更加直接的體感互動(dòng)方式為學(xué)生呈現(xiàn)智能建造相關(guān)技術(shù)，為新工科人才培養(yǎng)提供創(chuàng)新途徑。

一、增材智能建造技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)創(chuàng)新思路

（一）3D打印技術(shù)教學(xué)應(yīng)用現(xiàn)狀

智能建造在建筑行業(yè)已得到廣泛應(yīng)用。建筑行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)離不開(kāi)智能建造技術(shù)的發(fā)展與突破，更依賴于智能信息化、先進(jìn)增材技術(shù)等新一代跨多學(xué)科交叉的綜合體系。中國(guó)建筑業(yè)必須擺脫傳統(tǒng)模式的束縛，向現(xiàn)代化、智慧化道路轉(zhuǎn)軌，推進(jìn)國(guó)家科技創(chuàng)新戰(zhàn)略在建筑行業(yè)的落實(shí)。增材制造打印技術(shù)是近期前沿科技領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)之一，成為新時(shí)代歐美國(guó)家主推的研究和教育內(nèi)容之一。3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)、機(jī)械制造等領(lǐng)域已經(jīng)創(chuàng)造了一系列水平極高的教學(xué)與科研成果。增材智能建造技術(shù)本質(zhì)上是綜合利用計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)、材料設(shè)計(jì)、智能控制系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)檢測(cè)體系經(jīng)特定組合形成的智能化建造系統(tǒng)。通俗地講，增材智能建造技術(shù)就是利用3D打印的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)（部分或全部）工程結(jié)構(gòu)在三維空間上的自動(dòng)化建設(shè)（見(jiàn)圖1）。相較國(guó)外而言，國(guó)內(nèi)3D打印技術(shù)的普及和教育處于起步階段，但國(guó)家已經(jīng)開(kāi)始重視3D打印技術(shù)和應(yīng)用的發(fā)展?？萍疾繉?D打印技術(shù)納入國(guó)家863計(jì)劃后，3D打印技術(shù)相關(guān)課程的試點(diǎn)如雨后春筍般在全國(guó)多所高校出現(xiàn)[3，4]，但鮮有將3D打印技術(shù)引入土木工程類傳統(tǒng)工科的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。

（二）3D打印智能建造技術(shù)教學(xué)思路

新時(shí)代學(xué)科交叉的涉及范圍越來(lái)越廣泛，傳統(tǒng)的土木工程學(xué)科與智能化、現(xiàn)代化的數(shù)字信息學(xué)科，以及先進(jìn)的機(jī)械制造學(xué)科的多學(xué)科交叉受到更多關(guān)注。在國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)過(guò)程中，土木工程類傳統(tǒng)工科行業(yè)貢獻(xiàn)了不可或缺的主要力量，而新工科背景下土木工程行業(yè)過(guò)度依賴人工的現(xiàn)狀亟待轉(zhuǎn)變，大力推動(dòng)智能建造技術(shù)的全面應(yīng)用是必由之路。因此，在高校土木工程專業(yè)的教學(xué)中引入3D打印智能建造技術(shù)作為實(shí)驗(yàn)課程環(huán)節(jié)，將多學(xué)科交叉前沿技術(shù)應(yīng)用于學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手環(huán)節(jié)，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣的同時(shí)，提升土木工程專業(yè)學(xué)生學(xué)科交叉及創(chuàng)新能力[5]。

目前，增材打印制造在土木工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在諸多瓶頸與空白，拓寬實(shí)踐教學(xué)的互動(dòng)環(huán)節(jié)，將3D打印技術(shù)引入教學(xué)可以豐富土木類專業(yè)的新工科知識(shí)體系。結(jié)合南京林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院現(xiàn)有工程訓(xùn)練平臺(tái)，建立對(duì)應(yīng)的增材智能建造技術(shù)創(chuàng)新訓(xùn)練教學(xué)體系，該體系包括認(rèn)知與體驗(yàn)、總結(jié)與思考、創(chuàng)新與綜合應(yīng)用三個(gè)方面。對(duì)應(yīng)3D打印智能建造技術(shù)，每個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)模塊化制定教學(xué)內(nèi)容，服務(wù)于學(xué)科內(nèi)各專業(yè)課程實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)、課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)、畢業(yè)論文實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)、創(chuàng)新實(shí)踐訓(xùn)練計(jì)劃等多個(gè)重要教學(xué)環(huán)節(jié)，促進(jìn)土木工程專業(yè)人才智能基礎(chǔ)知識(shí)與智能建造技術(shù)的互動(dòng)發(fā)展[6，7]。

二、增材智能建造技術(shù)創(chuàng)新教學(xué)的實(shí)施

（一）增設(shè)土木類3D打印實(shí)驗(yàn)課時(shí)

以激發(fā)土木類學(xué)生3D打印學(xué)習(xí)興趣為導(dǎo)向，著力提高學(xué)生在智能建造方向上的創(chuàng)新性，根據(jù)本專業(yè)學(xué)科發(fā)展需要設(shè)置3D打印實(shí)驗(yàn)課，并有針對(duì)性地安排足量學(xué)時(shí)[8]。對(duì)于交通土建工程、建筑工程專業(yè)的學(xué)生而言，可以依據(jù)專業(yè)課“土木工程材料”“路基路面工程”“結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理”等專業(yè)重點(diǎn)課程對(duì)應(yīng)設(shè)置4～8學(xué)時(shí)的3D打印實(shí)驗(yàn)教學(xué)。實(shí)驗(yàn)課針對(duì)特定設(shè)計(jì)案例進(jìn)行3D打印智慧建造設(shè)計(jì)與實(shí)踐，由指導(dǎo)教師提出實(shí)際工程問(wèn)題（如梁體結(jié)構(gòu)的三維空間打?。?，然后由指導(dǎo)教師協(xié)助學(xué)生通過(guò)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)實(shí)踐環(huán)節(jié)，開(kāi)放性地解決該工程問(wèn)題，并展示縮尺3D打印結(jié)構(gòu)構(gòu)件[9，10]。最終，基于“土木類專業(yè)力學(xué)”課程內(nèi)容，為學(xué)生演示3D打印構(gòu)件力學(xué)性能測(cè)試，串聯(lián)知識(shí)體系并鞏固基礎(chǔ)知識(shí)。

（二）增設(shè)In-Group體感互動(dòng)環(huán)節(jié)

以輔助學(xué)生強(qiáng)化3D打印的感受為導(dǎo)向，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，增設(shè)In-Group體感互動(dòng)環(huán)節(jié)。學(xué)生以3～4人小組為單位進(jìn)行自由組隊(duì)，實(shí)際感受3D打印的全過(guò)程。設(shè)置對(duì)應(yīng)的預(yù)期目標(biāo)，由組內(nèi)成員合理分配任務(wù)，進(jìn)行團(tuán)隊(duì)協(xié)作，完成建材3D打印結(jié)構(gòu)構(gòu)件的任務(wù)。In-Group體感互動(dòng)環(huán)節(jié)，目的是為了充分接觸并掌握建材3D打印系統(tǒng)的工作原理，學(xué)習(xí)打印平臺(tái)操作并完成縮尺構(gòu)件的打印全流程。由指導(dǎo)教師從3D打印的原理、發(fā)展與應(yīng)用等方面展開(kāi)，重點(diǎn)關(guān)注增材智能建造技術(shù)的步驟，主要包括建筑結(jié)構(gòu)（小尺寸梁、柱、板）的建模、3D打印軟件的操作、3D打印建筑材料的配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)、三維空間打印過(guò)程控制等。完成打印后，由于不同小組的設(shè)計(jì)參數(shù)不同，打印的構(gòu)件力學(xué)性能會(huì)存在差異，需對(duì)力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試并對(duì)比。在該過(guò)程中進(jìn)行積分評(píng)比，對(duì)于各小組的表現(xiàn)進(jìn)行總結(jié)，并在該過(guò)程中思考問(wèn)題、解決問(wèn)題，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力、協(xié)作能力以及突破瓶頸問(wèn)題的能力[11]。

（三）開(kāi)展目標(biāo)需求導(dǎo)向型實(shí)踐訓(xùn)練

以開(kāi)拓學(xué)生使用增材智能建造技術(shù)能力為導(dǎo)向，培養(yǎng)學(xué)生全過(guò)程動(dòng)手實(shí)踐能力，開(kāi)展以解決實(shí)際建造問(wèn)題為目標(biāo)的實(shí)踐訓(xùn)練。契合新工科教學(xué)背景，結(jié)合教師科研項(xiàng)目，組建10～15人的3D打印智能建造綜合實(shí)訓(xùn)社團(tuán)。以解決實(shí)際工程項(xiàng)目問(wèn)題為導(dǎo)向，根據(jù)實(shí)際建造問(wèn)題，融合其他學(xué)科專業(yè)的學(xué)生共同開(kāi)展工程實(shí)踐訓(xùn)練[12]。在實(shí)踐過(guò)程中，學(xué)生以研究社團(tuán)形式進(jìn)行整體建筑結(jié)構(gòu)建模、3D打印軟件參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)構(gòu)件打印流程設(shè)計(jì)、新材料優(yōu)化設(shè)計(jì)，達(dá)成理論知識(shí)提升與技能訓(xùn)練的同時(shí)，也可培養(yǎng)學(xué)生對(duì)項(xiàng)目工程的智能管控、工程方案的鏈條式設(shè)計(jì)及團(tuán)隊(duì)溝通等能力[13]。整個(gè)實(shí)踐過(guò)程可建立全過(guò)程跟蹤績(jī)效評(píng)價(jià)體系，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)土木工程增材智能建造技術(shù)的內(nèi)生動(dòng)力，最終以目標(biāo)需求為導(dǎo)向的實(shí)踐訓(xùn)練提升學(xué)生在實(shí)際工程建造中的智能建造能力。

（四）增材智能建造技術(shù)創(chuàng)新教學(xué)的案例實(shí)施

本教學(xué)案例依托南京林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院與重慶大學(xué)常州溧陽(yáng)智慧城市研究院合作打造的3D建材框架打印機(jī)（見(jiàn)圖2），以實(shí)際工程建設(shè)需求為案例，實(shí)施增材智能建造技術(shù)的創(chuàng)新型教學(xué)。在案例實(shí)施過(guò)程中，學(xué)生以既有研究社團(tuán)形式，通過(guò)3D增材打印技術(shù)制備一根截面尺寸為600mm×600mm、長(zhǎng)2400mm的足尺水泥混凝土矩形梁式試件，并進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試。本次教學(xué)實(shí)例共安排8課時(shí)，第1、第2課時(shí)由指導(dǎo)教師講解設(shè)計(jì)要求及預(yù)期性能指標(biāo)，協(xié)助研究社團(tuán)學(xué)生基于SketchUp軟件進(jìn)行矩形梁構(gòu)件的三維空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并由研究社團(tuán)學(xué)生分組討論制定打印線路方式;第3、第4課時(shí)由指導(dǎo)教師講解智能3D打印建造用水泥混凝土原料配合比設(shè)計(jì)要求，調(diào)配具有工作性能的3D打印原料;第5、第6課時(shí)由指導(dǎo)教師配合學(xué)生進(jìn)行構(gòu)件打印實(shí)踐操作訓(xùn)練，結(jié)合已制定的打印線路及原材料構(gòu)件的制作，完成對(duì)構(gòu)件外觀和尺寸完整度的檢測(cè);第7、第8課時(shí)由指導(dǎo)教師演示梁試件的抗彎強(qiáng)度測(cè)試，采取三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)對(duì)所制備的3D打印矩形梁抗彎強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)定，對(duì)比預(yù)期性能指標(biāo)，計(jì)算性能達(dá)成度。最后，對(duì)比3D打印智能建造與常規(guī)制備方式所制備試件的性能差異，總結(jié)3D打印智能建造全流程并布置課程設(shè)計(jì)作業(yè)，由研究社團(tuán)學(xué)生探索完成。

結(jié)語(yǔ)

基于前沿三維空間增材制造技術(shù)，適應(yīng)土木工程學(xué)科智能化、現(xiàn)代化發(fā)展需求，開(kāi)展土木工程學(xué)科增材智能建造技術(shù)創(chuàng)新教學(xué)的探索與實(shí)踐，能夠給土木工程類實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容提供技術(shù)補(bǔ)充，為學(xué)生帶來(lái)智能建造理性與感性相結(jié)合的認(rèn)知，提高土木領(lǐng)域新工科人才培養(yǎng)質(zhì)量，構(gòu)建學(xué)生的智能建造理念，培養(yǎng)出綜合掌握傳統(tǒng)工科基礎(chǔ)知識(shí)與智能建造技術(shù)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)行業(yè)的后備力量。

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Exploration of the Innovative Teaching of the Course of Additive Intelligent Manufacturing Technology from the Perspective of “Emerging Engineering Education”

WANG Jia-qing1， WANG Li-bin1， LI Qiang1， SUN Jun-bo2， LYU Gui-fang3

（1. College of Civil Engineering， Nanjing Forestry University， Nanjing， Jiangsu 210037， China;

2. Department of Civil Engineering， Curtin University， Perth， Western Australia 6000， Australia;

3. Baichuan Weiye Building Technology Co.， Ltd.， Tianjin 300384， China）

Abstract： With the proposal of The Fourteenth Five-Year Plan for the Development of Intelligent Manufacturing， the need? to transform traditional engineering into new engineering is becoming more and more prominent， and university education should focus on cultivating innovative talents with the “craftsman spirit”. In the civil engineering discipline， the traditional experiment teaching focuses on consolidating the foundation and deepening the understanding of theoretical knowledge. The experiment teaching in the context of “emerging engineering education” should be more in line with the development needs of intelligent manufacturing. The course of the Additive Intelligent Manufacturing Technology is introduced as an innovative and open somatosensory interactive link to further stimulate the interest of college students of civil engineering major in intelligent manufacturing technology and help cultivate? intelligent manufacturing talents under the background of “emerging engineering education”.

Key words： intelligent manufacturing; civil engineering; experiment teaching; additive manufacturing technology; somatosensory interaction