“新工科”下3D 打印前沿学科三位一体多维度教学模式研究

魏青松，李继康，闫春泽，廖敦明，樊自田，史玉升

（华中科技大学 材料科学与工程学院，材料科学与工程国家级实验教学示范中心，湖北 武汉 430074）

教育部在 2017 年发布的《关于开展新工科研究与实践的通知》中提出了“新工科”建设构想[1]。在高校人才培养环节上，传统工科专业须随时代发展逐步转型升级，应在原有专业优势的基础上，将创新创业教育贯穿大学生人才培养的全过程，达到“新工科”多维度、多层次、复合型大学生人才的培养目标[2-3]。针对应用型工科高校，通过建设应用型课程，才能进一步增强培养目标与课程建设、理论知识与应用能力的契合度[4]。

3D 打印是近10 多年来制造领域的前沿技术，融合了材料科学、机械科学、计算机控制、软件算法等多学科内容，具有显著的多学科交叉特征。在高校人才培养方面，通过该技术可提高学生对专业知识的学习兴趣和科技创新热情，有望成为材料类专业“新工科”建设的着力点、突破点。但同时，由于其发展时间短，原理、工艺和设备的系统性和成熟度较传统学科差距较大，在教学资源和培养模式等方面还有待开发与探索。

1 国内外的教学现状与问题

自2012 年3D 打印技术受到广泛关注以来，国外一些高校主要以开设 3D 打印专业必修或选修课程为主，涉及产品设计、机械设计制造、材料科学等相关专业。如以色列阿费卡工程学院[5]面向本科生建立了基于3D 打印的PBL（project-based learning，基于项目的学习）教学模型，开设为期14 周的课程，包含理论授课、讲座交流、项目实践等环节，分小组为残疾人设计并打印生活工具（如药物开瓶器、帕金森患者开门把手、盲人3D 拼图等），提升了学生的创新能力。除此之外，其他诸多国外高校在 3D 打印教学方面也进行了积极的探索与实践[6-7]。

国内高校对3D 打印学科人才的培养也非常重视，主要通过课程教学和实验教学的方式开展。课程教学方面：大批材料类专业优势高校均开设 3D 打印专业课程，或将其融入传统的铸造、锻造、焊接材料成形工艺等课程中，如四川大学[8]、山东大学[9]、北京航空航天大学[10]等；实验教学方面：面向材料、机械、能源等专业学生，将3D 打印纳入金工实训实验教学，如西安交通大学机械学院[11]以 3D 打印技术为着力点，构建了课内实验、CDIO 实验、科研实验 3 层次的实验教学体系，实现了“基础知识—创新设计—快速制造—评估改进”全链条的机械设计基础教学改革；河北工业大学工程训练中心建立了3D 打印实验室[12]，可完成三维扫描、逆向建模、三维设计、打印成形等层次化实验，提升了学生综合创新能力和实践动手能力。此外，还有诸多高校在这方面也进行了相关的实践与探索[13-15]，并取得良好的成效。

综上所述，国内外高校越来越重视培养 3D 打印科技人才，绝大多数高校开设了相关课程，搭建了实验实践平台，为创新创业人才培养提供技术支撑。但目前仍存在以下问题。

（1）课堂教学缺乏专业、实时、系统的教材，更缺少专业教师，课程体系设置不规范合理，学生难以全面、系统地学习，得到专业化培养。

（2）实验教学大多以低成本的桌面消费级 3D 打印机为主，学生很难接触到工业级 3D 打印设备，对整个 3D 打印体系的理解具有片面性，且实验教学时间短。

（3）未形成长期有效的科研科创实践有机体系，缺乏科学思维能力的训练，且实践培训各环节相互独立，与科技创新以及一线科研脱节，未能形成实用性强的培训模式。

2 “课堂—实验—科创”多维度教学模式的建设与实践

针对以上问题，结合本单位的材料专业发展实际情况，提出了“课堂—实验—科创”三位一体的多维度教学模式，并进行了实践与探索，如图1 所示。其中课堂主要实现对基础理论知识的学习和掌握，实验主要实现对科学素养的培养和实践，科创主要实现对现有技术的创新与转化。这三个环节层层深入、梯度配置、互融互促，形成“学—做—创”的多维度有机体系，达到工程实践与科学思维的统一，在培养多元化、创新型卓越工程人才方面取得了良好的成效。

The application of HWENO-LW scheme and immersed boundary method

2.1 课堂——夯实学生的学习掌握能力

3D 打印技术是一门综合性学科。在已开设“材料成形原理”“材料成形工艺”“金属学与热处理”等必修课基础上，设置 3D 打印模块选修课，具体流程如下。

（1）制订培养方案，培养能够从事与3D 打印有关的材料研发、三维建模、软件开发、自动化控制、结构拓扑设计等领域宽口径、研究型、复合型高级技术人才。

（2）搭建教师队伍，组建以实验室为核心的教师团队，包括科研一线带头人、技术骨干和海外引进青年学者，保证讲授内容的专业性、实时性和前沿性。

（3）规范课堂教材，融合团队科研成果和国内外最新技术发展编写《增材制造技术原理及应用》《3D打印技术概论》等近10 本适合大学教学的3D 打印教材[16-19]，形成模块化的教材体系。

（4）减少纯理论和纯技术内容，以问题为导向，以实例为主讲授 3D 打印的技术原理、工艺特点以及应用场合和效果。

图1 3D 打印学科“课堂—实验—科创”多维度教学模式

该模块选修课实施以来，每学年有超过半数的专业学生选修，这在一定程度上反映出学生对新兴学科的学习兴趣和热情。课堂教学使学生掌握了 3D打印基本理论与方法，为实验教学和科创实践奠定了基础。

2.2 实验——锻炼学生的挖掘探索能力

为使抽象的理论实际化，开展实验教学是培养创新探索能力不可缺少的环节。在此环节，将第一课堂延伸至实验室，学生扮演主要角色，通过实际操作提升学生的感性认识。在给定应用背景下，学生自主选题，以小组合作形式查阅文献、自主设计三维创新结构、自主操控打印设备、自主后处理等，将理论与实践相结合，提升小组协作能力和创新热情动力。具体实施流程如下。

（1）制订整体实施方案。开设“材料制备及组织性能综合实验”等相关实验课程，并作为必修课，共8 个学时，组织学院全体学生分班级参与。

（2）搭建教师队伍和实验平台。理论授课由高级工程师、实验员担任，设备操作讲解由博士研究生担任，组成“教师+研究生助教”授课体系。针对不同的 3D 打印技术，搭建不同的实验平台，提供包括价格几千元的 FDM 桌面消费级打印机、近百万元的SLM/3DP 等工业级打印机等设备，满足学生需求。

（3）编写教材。将3D 打印相关的经典实验整理成册，作为实验操作类参考教材，包含明确的实验目标、实验任务、实验方案、操作步骤等，对学生独立自主开展实验起到重要的作用。

（4）开展教学。通过“小组实验—结构设计—打印成形—提交报告”的形式，开展整个教学过程。合理分组：根据兴趣选择不同的3D 打印方式，每组4~5人。设计模型：小组合作设计创新性结构模型，解决生活难题。开始打印：每位学生上手操作设备，探索打印过程中不同工艺参数对成品质量的影响。形成报告：以实验报告的形式对整个环节进行总结，并以3D打印技术为点，探讨该技术与自己所学专业在未来可能的结合点，由点及面地激发创新意识。

在整个实验过程中，学生自主设计创新结构解决生活难题，采用不同 3D 打印技术打印出的实验作品如图2 所示。例如，在建筑领域，为开拓未来在该领域的应用，采用工业3DP 喷印设备黏结原砂，设计并成形了岳阳楼的建筑砂模；航天领域，为使喷气式发动机支架轻量化，查阅相关文献对其进行拓扑优化，并采用工业3DP 设备黏结金属粉末，实现了快速无模化制造多曲面金属零件的目标；工业生产领域，为探索SLM 可成形的最小壁厚，采用SLM 设备激光熔化不锈钢粉末，成形了壁厚为 0.2 mm 的蜂窝结构；环保汽车领域，为提高汽车尾气的净化效果，采用工业3DP 设备成形蜂窝陶瓷，增大了尾气接触面积，提升催化净化率；工艺设计领域，采用SLA、FDM 技术，成形光敏树脂和聚乳酸工艺品等。

图2 学生采用不同3D 打印技术打印出的实验作品

这种实验教学形式，培养了学生“发现问题—分析问题—提出问题—解决问题—迭代优化”的科学研究基本逻辑，锻炼科学阅读、科学实验、科学表达、科学协作的科研能力技巧，为未来读研深造打下了基础。

2.3 科创——培养学生的应用转化能力

在课堂教学与实验教学的基础上，学生有了理性和感性的认识，但仅仅停留在认知的层面，对创新能力的转化依然较难。为此，我校搭建了面向全校本科生的 3D 打印团队平台，聘请专业教师作指导，吸纳大一至大四学生，建立科技创新实践梯队，营造了传帮带的技术传承氛围，在学校和学院层面起到了良好的示范作用。具体实施流程如下。

（1）制订培养方案。团队以基于3D 打印技术培养学科交叉型复合人才为理念，通过项目制形式，将研究生科研课题引入本科生科创竞赛，积极引导学生参加如“挑战杯”“互联网+”等创新创业比赛，激发学生的科技创新潜能。

（2）搭建科创平台。设立建模组、控制组、软件组、材料组、运营组等，并拥有独立的工作室和零件加工设备，为科创活动提供便利。

（3）组建指导教师队伍。科研项目与实验教学不同，整个项目实施周期长、团队合作性强、技术要求高等，需要教师和学生有耐心、恒心、细心，期间指导教师起较为关键的作用，主要对学生的科技创新各个环节进行指导和把关，促进向更高水平发展。

（4）开展科创项目。以项目制形式研发3D 打印新设备，建立了“三维喷印打印机”“粒料3D 打印机”“体三维显示器”等设备研发项目，本科生团队部分研发项目如图 3 所示。每个项目包含机械、控制、软件、材料等不同方向学生，以“机械设计—零件加工—装配调试—迭代优化”一体化合作方式完成。在整个过程中，学生的动手操作能力、独立思考能力、严谨论证能力等都潜移默化地得到有效提升。

图3 本科生团队部分研发项目

近两年来，整个科创团队在国家级、省级等赛事中取得优异成绩，如挑战杯、创青春等赛事获奖 10多项，大创项目国家级立项3 项、申请发明专利8 项、软件著作权4 项、注册公司3 家等，形成了良好的创新创业氛围，吸纳了大量学生参与创新创业实践。

3 结语

3D 打印技术作为近年热门的材料成形技术，相对于传统加工技术，具有前沿性、创新性等，将其引入多层次、复合型人才的培养过程中具有重要的现实意义。本文以该技术为核心，面向高校本科生探索构建了“课堂—实验—科创”三位一体的多维度特色培养体系，取得了一定的成效，其中课堂教学是实验教学和科创实践的基础，科创实践是两者的提升与强化。在 3D 打印技术人才培养过程中，激发了学生科创实践热情，使得创新能力和创业意识均取得较大突破；同时科研一线教师贯穿整个培养体系，使得教研互融、教学相长，促进了科研队伍与教学队伍并重向高水平发展。

面向“新工科”培养复合型人才的需求，将进一步探索健全更完备的 3D 打印技术培养体系，更加注重跨学科实践，从而循序渐进引导学生养成勤于思考、勇于实践的好习惯，为推进“双一流”和“新工科”的内涵式发展贡献力量。