关于高校教育中增材制造专业课程体系建设的思考

张恺　刘洁

摘  要：增材制造技术作为一种新兴的智能制造技术，已经在航空、航天和医疗等领域获得了广泛应用。2021年2月，教育部正式将“增材制造工程”列入专业列表，以期满足国內快速发展的增材制造行业对相关人才的需求。目前，高等教育中涉及增材制造的课程相对较少，未形成系统化教学内容。文章总结国外高校增材制造专业课程体系建设的相关经验，针对国内高校进行相关课程体系建设提出几点教改建议。

关键词：增材制造;课程建设;交叉学科

中图分类号：G640    文献标识码：A    文章编号：1673-7164（2022）05-0045-04

增材制造（3D打印）技术是一种以粉末或者丝材为原材料，基于离散/堆积原理，由激光、电子束、等离子体等进行逐层叠加堆积的方式，实现将数字模型直接制造成成型产品的技术[1]。它不仅降低了制造复杂零件的难度，减少了零件结构设计的形状限制，提高了材料利用率，还是智能化制造发展的重要组成部分，尤其适合于航空、航天、能源以及医疗等领域复杂结构零件对于快速定型，设计优化、智能化/个性化制造的需求，缩短交货期，降低制造成本[2-6]。目前，增材制造技术以不可阻挡之势快速发展，成为世界各国热衷的新型智能产业，获得了广泛的关注以及产业化应用。根据美国增材制造行业研究咨询机构Wohlers统计，全球增材制造产值（包括产品和服务）从2012年的22.8亿美元增长到2017年的73.36亿美元，五年来增长超过300%，年复合增长率高达26.20%。2017年，全球增材制造行业市场规模达到了73.36亿美元，2020年，全球增材制造行业规模更是达到128亿美元。我国政府也在多处规划中，包括《增材制造产业发展行动计划（2017—2020年）》《中国制造2025》以及《加强“从0到1”基础研究工作方案》，明确“到2020年，增材制造产业年销售收入超过200亿元，年均增速在30%以上;关键核心技术达到国际同步发展水平，工艺装备基本满足行业应用需求，生态体系建设显著完善，在部分领域实现规模化应用”。加强技术创新，提高核心竞争力，力争在该领域实现国际领先地位。

随着增材制造产业的快速发展，要想在国际上处于领先地位，就必须有属于自己的关键技术以及独到之处。然而增材制造技术本身应用成本相对较高，应用范围相对较窄，整体产业规模相对于传统制造规模依旧较小。此外，受限于设备、场地以及安全等因素，学生对于增材制造技术的认知仅停留于表面，没有深入的挖掘和创新，更没有进行实地操作。在这种情况下，开设增材制造技术这类创新课程是十分有必要的。因此，按照中共中央、国务院于 2016 年在《关于加强和改进新形势下高校思想政治工作的意见》中明确强调的核心思想——“把思想价值引领贯穿教育教学全过程和各环节，形成教书育人、科研育人、实践育人、管理育人、服务育人、文化育人、组织育人长效机制”。为了提高学生的学习热情和学习效率，本文在相关教改资料以及国外先进学习管理系统的基础上，提出增材制造技术这类课程的教学改革新思路，对如何上好增材制造技术这门课程进行初步探索。

一、“增材制造技术”课程教学现状及问题

2021年2月10日，教育部发布《教育部关于公布2020年度普通高等学校本科专业备案和审批结果的通知》，正式将“增材制造工程”列入专业列表，设定4年学时，属于机械类课程[7]。增材制造工程专业的正式推出，有望可以满足快速发展的增材制造行业对于增材制造产品设计、设备操作以及后处理等相关内容人才的需求。目前，增材制造工程相关专业和课程只在部分中职院校中开展，高等教育中涉及该领域的课程相对较少，有的也只是开设增材制造介绍类课程，进行简单的科普，并未形成系统化教学内容，还存在些许问题。

（一）授课内容科普性过多，缺乏全面的知识体系

以金属增材制造为例，整个生产过程涉及基于增材制造特点进行待生产零件模型设计;增材制造打印工艺优化获得最优性能;打印后处理，包括热处理、热等静压处理、表面加工和表面抛光等;打印零件质量检测，包括无损检测、表面粗糙度检测等。可以理解为增材制造技术属于典型的交叉学科范畴，需要学习的不仅仅是单一的某个技术或者某一个生产过程。此外，教学知识主要以科普、了解为主，仍停留在技术表面，也就是“是什么”这一阶段，故事性不强，没有更加深入地探索以及启发学生进一步的学习“为什么”和“怎么做”。在师资队伍建设方面，相对于机械、车辆工程、互联网等，增材制造课程专业教师较少，对于专业新型学科课程体系指定较慢，这就降低了很多学生的就业竞争力。迫切希望打造出一批实践能力强、教学能力突出、科研能力出众、以及事业心强的专业性教师。

（二）授课内容单一，脱离生产实际，学生对课程认知和重视程度不高

对于增材制造课程来说，实际内容需要结合大量的上机实验来同步进行。但目前受限于设备、场地以及安全等因素，课程内容很容易脱离生产实际，大学生上课前不会主动了解该课程的学习目标，课后也不会去练习和巩固相关知识，更不用说进一步的探索与创新。且一些学生认为这类课程难以对将来在该领域从业形成实际的指导作用，只是为了凑够学分和学习绩点，因此，学生的学习积极性不高。在3D打印设备建设方面，由于设备以及技术昂贵，经费投入有限，现有的试验设备无法满足大量的上机需求，更不能保证每一位学生都可以亲自动手操作设备，进行一些简单的“建模—设置—成品打印”一系列的流程。

（三）授课内容固定，无法与产业发展趋势相结合

增材制造技术作为支撑智能制造、绿色制造的最重要组成部分之一，能够实现快速云生产。如果将其与5G技术、大数据分析、互联网等技术相结合，增材制造能够实现远程模型设计、云端数据上传下行以及自动化生产，从而真正实现智能制造。然而，目前主流高校开设的增材制造相关课程受限于所在专业，难以实现交叉学科授课，无法讲授增材制造发展趋势。且在课堂上，学生更加愿意“当低头族”，不专心听讲，课堂效果大打折扣。更为重要的是，人才培养的模式和专业领域方向模糊不清，不能紧跟行业发展需求，对学生的要求不高——仅仅只是学业课程过关，再加上课堂效率不高，导致部分学生学无所获、学无所用，有相当一部分学生不能从事与增材制造相关的行业。

二、“增材制造技术”课程国外体系建设

经过调研和总结，研究团队发现国外顶尖高校已经将增材制造以及相关课程列为主要课程内容，并且从顶层进行设计，充分考虑了增材制造生产工艺手段的实际情况，从不同专业角度出发，分不同侧重点，进行增材制造課程讲授和创新实验教学。以澳大利亚蒙纳什大学工学院所开设的增材制造类课程为例，它的交叉学科特征明显，目前已经成为工学院不同专业课程和创新项目的基础。

（一）相关课程种类较多，覆盖面较广，并且兼顾专业性

与增材制造直接相关的开设课程主要包括增材制造零部件设计;金属材料增材制造;高分子材料增材制造。其中，增材制造零部件设计课程主要为结合增材制造特点和成型特性进行零件拓扑优化方法教学，课程目标是为了让学生充分掌握增材制造成型特性和限制条件，学习拓扑优化方法，并了解实际零件设计中所采用的强度校核方法以及评判标准。金属增材制造和高分子材料增材制造课程主要包括增材制造材料特性、工艺以及后处理方法等内容，主要目标是为了让学生充分掌握增材制造工艺特性，了解增材制造工艺特性对于材料结构的具体影响并基于此掌握相关后续处理方法。

（二）交叉学科特性明显

机电一体化与先进制造课程，重点讲授先进制造与智能制造，囊括了增材制造技术、工业4.0、数字镜像、人工智能等，目的是为了让具有机械或者电子信息背景的学生可掌握机电一体化技术、增材制造技术在先进工业生产中的作用。

（三）采用教师组合方式，提升课程教师团队专业性

同一门课程至少由两名以上具有不同学术背景的教师讲授，保证讲授内容的全面性和专业性。以增材制造零部件设计这一课程为例，由两位教师合作讲授：一位教师具有机械设计、有限元分析等背景;另一位教师具有增材制造零件拓扑优化、工艺设计等背景。两位教师分工合作，基于各自的擅长领域，能够有效为学生讲授该课程，实现课程目标。

（四）快速实现相关课程创新设计

在不同专业的创新实践课程中，充分利用增材制造技术，特别是高分子增材制造技术个性化定制、快速成型这一特性，鼓励学生进行创新性设计，并利用增材制造技术实现学生设计。举例来说，在机械设计类课程中，鼓励学生以提升系统效能为目的进行系统零件的重新设计并进行模拟验证，最终使用增材制造技术进行所有零件打印与装配，验证学生优化设计，大大提升课程质量。

（五）基于增材制造技术优化已有创新项目，进一步提高创新项目质量

以蒙纳什大学工学院的传统优势本科生创新项目为例，该项目已有21年历史，每年均由不同年级不同专业（机械和电气工程为主）的学生组建，从零开始，进行方程式赛车的零件自主设计、定型、生产、组装、调试，并参加国际学生方程式赛车大赛。蒙纳什大学工学院的赛车团队获得过多项国际奖项，目前排在国家学生方程式赛车第三位。从2019年开始，该团队在学校以及工学院增材制造科研团队的支持下，进行赛车零件的创新设计并采用增材制造方式生产，进一步提升了所设计赛车的性能。

三、提高“增材制造技术”课程体系建设的教改建议

知己知彼，百战不殆。针对目前高校增材制造课程教学所面临的困境，结合国外高校增材制造课程教学的先进教学理念，理应取其精华，去其糟粕，因地制宜地提高增材制造课程的教学水平，特此提出如下建议。

（一）结合交叉学科特点，根据专业背景细化课程内容

增材制造课程属于典型的交叉学科，其背景知识横跨机械、电气、材料、信息工程等专业，主要内容包括零件设计、材料调控以及后处理。因此，单一专业背景的教师难以满足系统性讲授增材制造技术的需求，有必要结合不同专业背景教师，采用跨专业授课的方式，共同开设增材制造课程。此外，细化增材制造相关课程内容，针对不同专业背景学生来制订教学大纲和教学目标，开设有针对性的课程如增材制造零件设计、增材制造材料等，进行有侧重的讲授，加入新元素和新知识，使得教学内容更加饱满，提高学生学习和探索的积极性。教师需要采取翻转课堂教学模式，创新传统的学习过程，不断设计学习目的、学习任务和学习过程，引导学生利用各方资源独立主动地探索学习，提高学生的个人素养和解决问题的能力。

（二）将增材制造理论与其他核心课程内容相结合

增材制造技术因其成型过程的特殊性，与传统成型技术成型材料具有很大不同，但其影响机制仍然没有改变。现阶段由于增材制造工艺相对不太稳定，很容易在制造过程中引入孔洞、微裂纹等缺陷。这类增材制造缺陷的形成机制和焊接缺陷的形成机制类似。因此，可以将增材制造的缺陷形成机制内容揉入焊接相关课程，进行系统学习。可以将增材制造零件设计内容作为机械专业学生工业设计学习时的高阶内容进行讲授，有助于学生进一步了解增材制造工艺，能够提升零件设计自由度这一优点。为了让学生更加全面、容易地掌握相关知识，提高学生的学习能力、研究兴趣也是很重要的一点。教师应通过多种方式营造活跃的教学气氛。可以从视频、小实例以及个人经历入手，讲好增材制造的发展过程，相关创新点以及存在的难题，引导学生主动了解，创造更大的价值。与此同时，也需要不断提高教师队伍培养力度，如聘请专家进行实践指导;企业一线挂职锻炼;定期组织教师学习、考核;进企业学习深造等，提高教师的教育教学水平，强化各个教师本身对于理论知识、关键技术的理解与运用，进而增材教师本身的竞争力，从而提高学生的竞争力。

（三）基于增材制造技术，设立各类创新课程和创新项目

增材制造技术具有个性化设计定制、成型速度快等特点。基于该特点，可以实现系列创新设计课程和创新项目。以典型的增材制造技术之一——高分子熔融层积成型技术（FDM）为例，现阶段该技术手段市场普及率很高，设备成本低，在网购网站如淘宝等能够以低于1000人民币价格购买到;运行以及维护成本同样很低，一卷原材料高分子丝材采购价格30—70元人民币，可以完成多批次打印，每批次打印成本不超过10元人民币。FDM技术非常适合在创新课程、创新项目中，让学生快速实现各种设计的生产方式。基于增材制造技术来开设这类创新课程和项目，能够进一步促进学生了解增材制造技术特性，同时更好进行课程教育和项目实现。由于打印机设备、资源、场地以及安全等因素，学生上机训练难度大，FDM小型打印机也可以近距离地接触、认识打印机，从而简单进行一些3D打印零部件训练，提高学生的动手能力，实现课程目标。在基础设备满足要求后，希望继续加大经费投入，建设完备的增材制造教育教学体系，以“理论—实践—运用”为整体目标，促进整个增材制造技术教学平台完善，培养更多优秀人才，为国家的制造业添砖加瓦，更为我国未来中国智能制造创造契机、提供保障。

四、结语

“增材制造技术”课程是培养材料、机械等工科专业高素质人才的专业基础课，也是未来中国增材制造技术向前进步的点睛之笔，更是中国制造业实现飞跃的厚积薄发的重要环节。通过对这门课程的深入学习，学生能够了解增材制造技术的关键特点以及整个生产过程，基于所学知识，有所得、有所思考，能够自主将所学的理论知识熟练地运用到以后的工作中，促进增材制造技术创新，实现各领域交叉发展，真正达到培养高技术性人才的目标，为中国在该领域实现领先添砖加瓦。

参考文献：

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[7] 中华人民共和国教育部. 教育部关于公布2020年度普通高等学校本科专业备案和审批结果的通知[EB/OL].  （2021-02-20）. http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/moe_1034/s4930/202103/t20210301_516076.html.

（责任编辑：汪旦旦）