新工科视域下增材智能建造技术创新教学探索

王家庆 王立彬 李强 孙浚博 吕贵芳

[摘 要] 随着《“十四五”智能制造发展规划》的提出，传统工科日益向新工科转变，高校应重点培养创新型与工匠型人才。在土木工程学科中，传统实验教学关注基础巩固，加深理论知识理解。新工科背景下的实验教学应顺应智能建造发展需要，引入增材智能建造技术课程作为创新型、开放型体感互动环节，以激发土木类高校学生对智能建造技术的兴趣，助力培养新工科视域下的智能建造人才。

[关键词] 智能建造;土木工程;实验教学;增材制造技术;体感互动

[基金项目] 2020年度江苏高等教育质量保障与评价研究课题“一流课程建设背景下课程建设评价体系研究”（2020056）;2021年度江苏省高等教育学会“十四五”高等教育科学研究规划课题（重点）“江苏新农科专业建设的调查研究”（ZDDY08）;2021年度教育部高等教育司产学合作协同育人项目“碳中和背景下的绿色土木工程基础设施智能建造师资培训”（202102011011）;2021年度江苏省基础研究计划（自然科学基金）“路用纤维复合橡胶混凝土微界面调控及协同增韧抗裂机理研究”（BK20210617）

[作者簡介] 王家庆（1994—），男（回族），安徽六安人，哲学博士，南京林业大学土木工程学院讲师（通信作者），硕士生导师，主要从事土木工程材料设计研究;王立彬（1970—），男，河北辛集人，工学博士，南京林业大学土木工程学院教授，硕士生导师，南京林业大学教务处处长，主要从事新型桥梁结构体系与竹木复合结构研究;李 强（1982—），男，江苏新沂人，工学博士，南京林业大学土木工程学院副院长，教授，博士生导师，主要从事道路结构与材料设计研究。

[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 1674-9324（2022）25-0049-04 [收稿日期] 2022-03-21

传统工科教学重点关注学生理论知识的扎实度，对于学生实践创新能力培养大多依赖于实验课程。然而，当下高校实验教学基本遵循传统基础知识体系，少有专业将最新技术及前沿科技引入教学体系。土木工程学科在智能建造背景下，更应契合新工科建设发展需要[1]，着力打造智能建造相关实验课程，培养智能建造方向的创新型人才，为国家基础设施建设行业培养后备力量。土木工程建设过程中涉及的建筑材料（水泥混凝土、石膏、地质聚合物等）通过一定的配比设计及性能优化，均可应用于增材制造技术，实现建筑物的智能化三维空间打印，减少人工成本，加快工程进度。欧美国家近些年涌现了许多3D打印工程应用实例[2]，3D打印智能建造技术已走在世界前列，这与将增材制造技术及早引入高校实验教学课程中不无关系，培养了一大批掌握3D打印智能建造技术的高级人才。因此，我国高校土木工程专业人才培养也应跟上技术发展的步伐，引入增材智能建造技术作为创新型、开放型实验教学课程，突破传统工科的工程实践内容的局限性，以更加直接的体感互动方式为学生呈现智能建造相关技术，为新工科人才培养提供创新途径。

一、增材智能建造技术实验教学创新思路

（一）3D打印技术教学应用现状

智能建造在建筑行业已得到广泛应用。建筑行业的转型升级离不开智能建造技术的发展与突破，更依赖于智能信息化、先进增材技术等新一代跨多学科交叉的综合体系。中国建筑业必须摆脱传统模式的束缚，向现代化、智慧化道路转轨，推进国家科技创新战略在建筑行业的落实。增材制造打印技术是近期前沿科技领域关注的热点之一，成为新时代欧美国家主推的研究和教育内容之一。3D打印技术在医学、机械制造等领域已经创造了一系列水平极高的教学与科研成果。增材智能建造技术本质上是综合利用计算机设计、材料设计、智能控制系统、监测检测体系经特定组合形成的智能化建造系统。通俗地讲，增材智能建造技术就是利用3D打印的特点实现（部分或全部）工程结构在三维空间上的自动化建设（见图1）。相较国外而言，国内3D打印技术的普及和教育处于起步阶段，但国家已经开始重视3D打印技术和应用的发展。科技部将3D打印技术纳入国家863计划后，3D打印技术相关课程的试点如雨后春笋般在全国多所高校出现[3，4]，但鲜有将3D打印技术引入土木工程类传统工科的实验教学中。

（二）3D打印智能建造技术教学思路

新时代学科交叉的涉及范围越来越广泛，传统的土木工程学科与智能化、现代化的数字信息学科，以及先进的机械制造学科的多学科交叉受到更多关注。在国家基础设施建设过程中，土木工程类传统工科行业贡献了不可或缺的主要力量，而新工科背景下土木工程行业过度依赖人工的现状亟待转变，大力推动智能建造技术的全面应用是必由之路。因此，在高校土木工程专业的教学中引入3D打印智能建造技术作为实验课程环节，将多学科交叉前沿技术应用于学生的实践动手环节，激发学习兴趣的同时，提升土木工程专业学生学科交叉及创新能力[5]。

目前，增材打印制造在土木工程专业实验教学中存在诸多瓶颈与空白，拓宽实践教学的互动环节，将3D打印技术引入教学可以丰富土木类专业的新工科知识体系。结合南京林业大学土木工程学院现有工程训练平台，建立对应的增材智能建造技术创新训练教学体系，该体系包括认知与体验、总结与思考、创新与综合应用三个方面。对应3D打印智能建造技术，每个教学环节模块化制定教学内容，服务于学科内各专业课程实验环节、课程设计实验环节、毕业论文实验环节、创新实践训练计划等多个重要教学环节，促进土木工程专业人才智能基础知识与智能建造技术的互动发展[6，7]。

二、增材智能建造技术创新教学的实施

（一）增设土木类3D打印实验课时

以激发土木类学生3D打印学习兴趣为导向，着力提高学生在智能建造方向上的创新性，根据本专业学科发展需要设置3D打印实验课，并有针对性地安排足量学时[8]。对于交通土建工程、建筑工程专业的学生而言，可以依据专业课“土木工程材料”“路基路面工程”“结构设计原理”等专业重点课程对应设置4～8学时的3D打印实验教学。实验课针对特定设计案例进行3D打印智慧建造设计与实践，由指导教师提出实际工程问题（如梁体结构的三维空间打印），然后由指导教师协助学生通过设计与实验实践环节，开放性地解决该工程问题，并展示缩尺3D打印结构构件[9，10]。最终，基于“土木类专业力学”课程内容，为学生演示3D打印构件力学性能测试，串联知识体系并巩固基础知识。

（二）增设In-Group体感互动环节

以辅助学生强化3D打印的感受为导向，激发学生的学习热情，增设In-Group体感互动环节。学生以3～4人小组为单位进行自由组队，实际感受3D打印的全过程。设置对应的预期目标，由组内成员合理分配任务，进行团队协作，完成建材3D打印结构构件的任务。In-Group体感互动环节，目的是为了充分接触并掌握建材3D打印系统的工作原理，学习打印平台操作并完成缩尺构件的打印全流程。由指导教师从3D打印的原理、发展与应用等方面展开，重点关注增材智能建造技术的步骤，主要包括建筑结构（小尺寸梁、柱、板）的建模、3D打印软件的操作、3D打印建筑材料的配合比优化设计、三维空间打印过程控制等。完成打印后，由于不同小组的设计参数不同，打印的构件力学性能会存在差异，需对力学性能进行测试并对比。在该过程中进行积分评比，对于各小组的表现进行总结，并在该过程中思考问题、解决问题，提高学生的创新能力、协作能力以及突破瓶颈问题的能力[11]。

（三）开展目标需求导向型实践训练

以开拓学生使用增材智能建造技术能力为导向，培养学生全过程动手实践能力，开展以解决实际建造问题为目标的实践训练。契合新工科教学背景，结合教师科研项目，组建10～15人的3D打印智能建造综合实训社团。以解决实际工程项目问题为导向，根据实际建造问题，融合其他学科专业的学生共同开展工程实践训练[12]。在实践过程中，学生以研究社团形式进行整体建筑结构建模、3D打印软件参数优化设计、结构构件打印流程设计、新材料优化设计，达成理论知识提升与技能训练的同时，也可培养学生对项目工程的智能管控、工程方案的链条式设计及团队沟通等能力[13]。整个实践过程可建立全过程跟踪绩效评价体系，激发学生学习土木工程增材智能建造技术的内生动力，最终以目标需求为导向的实践训练提升学生在实际工程建造中的智能建造能力。

（四）增材智能建造技术创新教学的案例实施

本教学案例依托南京林业大学土木工程学院与重庆大学常州溧阳智慧城市研究院合作打造的3D建材框架打印机（见图2），以实际工程建设需求为案例，实施增材智能建造技术的创新型教学。在案例实施过程中，学生以既有研究社团形式，通过3D增材打印技术制备一根截面尺寸为600mm×600mm、长2400mm的足尺水泥混凝土矩形梁式试件，并进行力学性能测试。本次教学实例共安排8课时，第1、第2课时由指导教师讲解设计要求及预期性能指标，协助研究社团学生基于SketchUp软件进行矩形梁构件的三维空间结构设计，并由研究社团学生分组讨论制定打印线路方式;第3、第4课时由指导教师讲解智能3D打印建造用水泥混凝土原料配合比设计要求，调配具有工作性能的3D打印原料;第5、第6课时由指导教师配合学生进行构件打印实践操作训练，结合已制定的打印线路及原材料构件的制作，完成对构件外观和尺寸完整度的检测;第7、第8课时由指导教师演示梁试件的抗弯强度测试，采取三点弯曲试验对所制备的3D打印矩形梁抗弯强度进行测定，对比预期性能指标，计算性能达成度。最后，对比3D打印智能建造与常规制备方式所制备试件的性能差异，总结3D打印智能建造全流程并布置課程设计作业，由研究社团学生探索完成。

结语

基于前沿三维空间增材制造技术，适应土木工程学科智能化、现代化发展需求，开展土木工程学科增材智能建造技术创新教学的探索与实践，能够给土木工程类实验教学内容提供技术补充，为学生带来智能建造理性与感性相结合的认知，提高土木领域新工科人才培养质量，构建学生的智能建造理念，培养出综合掌握传统工科基础知识与智能建造技术的基础设施建设行业的后备力量。

参考文献

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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