新工科背景下高校增材制造工程专业建设和人才培养探析

摘 要 增材制造工程专业是材料、机械、力学、信息、电气工程及其自动化等学科高度交叉融合的新工科专业，截至2023年，国内已有16所大学开设该本科专业。面对产业革新需求，如何培养符合产业发展的新工科人才和卓越工程师成为当前我国高校工科教育改革的当务之急。文章针对增材制造工程专业特点，从产业需求、建设背景、专业内涵、发展沿革和建设方向等方面梳理了国内外增材制造专业发展的现状；从服务制造强国战略和制造业创新能力培养出发，结合所在学校的实际情况探讨了专业建设的要求、趋势和方向。

关键词 增材制造；学科交叉；新工科；专业建设；人才培养

中图分类号：G642 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2024.16.004

On the Construction of Additive Manufacturing Engineering Major and Talent Training in Universities under the Background of New Engineering Disciplines

CHAO Qi， Xie Xinliang， WANG Jian

（Nanjing University of Technology， Nanjing， Jiangsu 211816）

Abstract Additive Manufacturing Engineering is a new engineering major that highly integrates disciplines such as materials， machinery， mechanics， information， electrical engineering， and automation. As of 2023， 16 universities in China have opened this undergraduate program. Faced with the demand for industrial innovation， how to cultivate new engineering talents and outstanding engineers who are in line with industrial development has become an urgent task in the current reform of engineering education in Chinese universities. This article focuses on the characteristics of additive manufacturing engineering， and summarizes the current development status of additive manufacturing at home and abroad from the aspects of industrial demand， construction background， professional connotation， development history， and construction direction; Starting from the strategy of building a strong service manufacturing country and the innovation capability of the manufacturing industry， combined with the actual situation of the school， this paper explores the requirements， trends， and directions of professional construction.

Keywords additive manufacturing; interdisciplinary; new engineering; professional construction; talent training

制造业是立国之本、强国之基，是实体经济的重要组成部分。2007年国际金融危机之后，产业空心化所带来的一系列弊端逐渐凸显，各国相继出台促进制造业发展的举措以保证就业和降低系统性风险。在国家层面，美、德、法、日、韩等国相继制定实施相关战略规划和配套行动计划，加强部署以微电子、自动化和信息技术为基础的先进制造业。我国也采取了一系列重大举措进行产业布局和规划，大力发展先进制造业。

增材制造也称3D打印，是一种通过逐层沉积，将材料不断叠加成所需实体模型的一种先进制造技术，目前已被广泛应用于航空航天、汽车制造及医疗等领域。增材制造技术集成了当代诸多学科的先进成果，是实现制造业向数字化转型的加速器，已成为第四次工业革命的一部分，是先进制造业的重要发展方向，也是智能制造不可分割的重要组成部分。截至2023年，国内已有哈尔滨工业大学、西北工业大学等16所高校开设了增材制造工程本科专业。为了主动应对新一轮科技革命与产业变革，教育部、工业和信息化部和中国工程院于2018年共同出台了《关于加快建设发展新工科实施卓越工程师教育培养计划2.0的意见》，旨在探索形成中国特色、世界水平的工程教育体系，促进我国从工程教育大国走向工程教育强国。增材制造工程本科专业正是在此背景下设立的。作为一门新设立的学科交叉和应用型新专业，如何在新工科建设背景下建设和发展好，如何培养符合行业需求、引领产业发展的增材制造专业人才和卓越工程师都成为相关高校和教育工作者面临的重要课题。

1 增材制造工程专业的产业需求和建设背景

增材制造技术受到主要工业强国的普遍重视，其中美国于2012年就在其《先进制造国家战略计划》中将增材制造技术列为未来美国最为关键的技术之一，并于2016年通过《增材制造路线图》对相关产业和标准进行布局。欧盟通过其“第一研发框架计划”和“地平线2020计划”对增材制造技术和项目进行资助支持。德国通过《高技术战略2020》《德国工业4.0战略计划实施建议》和《国家工业战略2030》等文件支持增材制造技术的研发与创新，把增材制造作为实现“工业4.0”目标中“智能生产”和“智能工厂”的重要路径[1]。法国、荷兰、英国、韩国、日本等国在其关于制造业的法案、战略和路线图中均将增材制造技术摆在重要的位置。我国通过《中国制造2025》、“十三五”和“十四五”《国家战略性新兴产业发展规划》等为增材制造产业发展描绘了发展蓝图和方向。

截至2022年，全球增材制造市场规模达到180亿美元并连续25年保持两位数的增长趋势[2]。同期我国增材制造产业规模为320亿元，过去10年复增长率超过40%，市场规模到2027年有望突破1000亿元[3]。据不完全统计，我国增材制造产业链相关企业截至2022年突破1000家，产业从业人员规模截至2018年约为2万人并呈快速增加态势[4]。作为一个新兴行业，增材制造产业现有从业人员主要是具备机械、材料、自动化等学科背景的科研、技能和管理型人员。现有人才结构中具备技术经验的中高级人才明显短缺，复合型、骨干型、工程型和管理型人才供给也明显不足。据有关机构统计，目前我国3D打印行业的专业人才缺口超过千万，其中制造行业对3D应用人才需求最大，缺口约为800万人，且需求还在不断攀升[5]。

随着全球产业市场规模快速增长，增材制造应用领域逐步从航空航天向医疗、交通、消费、电子和一般工业装备等领域拓展，生产模式从个性化订制向批量化生产过渡。与此同时，“中国制造2025”战略规划的实施对能适应产业发展和技术革新的专业人才的需求越来越迫切。培养形成多学科交叉、与国家制造业发展相适应的高素质人才队伍，成为我国增材制造技术发展和制造业转型的关键核心问题，也是高等教育行业面临的一项迫切又有挑战性的任务。

2 增材制造工程专业的专业内涵及发展沿革

增材制造工程专业于2021年被教育部正式列入《普通高等学校本科专业目录》。与机械工程、焊接技术和智能制造工程等相近专业相比，其专业内涵既有交叉又各有侧重。机械工程专业主要培养能在机械工程领域从事工程设计、机械制造、技术开发、科学研究、生产组织管理等方面工作的复合型高级工程技术人才。焊接技术与工程专业主要培养具有焊接专业背景、掌握焊接技术与工程系统理论基础知识和焊接结构制造专门知识与关键技术的复合型人才。智能制造工程专业主要培养能够进行智能制造系统规划和设计的高素质复合型工程技术人才。相比之下，增材制造工程专业更加注重培养学生的数字化模型及自动控制技术、通过微区累加成形最终构件方面的知识和能力。增材制造涵盖了非金属、金属、复合材料等不同的材料种类，对软件应用、编程能力、自动控制、高能束加工等方面的要求更高，学生同样需要具备材料制备、分析和应用的能力，更加突出学科交叉能力的培养。

2018年，人社部在其颁布的《全国技工院校专业目录》中明确标明“3D打印技术应用”成为机械类的独立专业。2019年，教育部在《中等职业学校专业目录（征求意见稿）》中将“增材制造技术应用”作为“加工制造类”的新增专业。2023年最新出台的《增材制造工程技术人员国家职业标准》从增材制造技术开发和应用两个职业方向明确了初级、中级和高级3个等级专业技术人员的职业功能、工作内容、专业能力要求和相关知识要求。

从增材制造专业人才培养目标分析，高职院校主要培养技术应用技能为主、设计为辅的复合型应用人才；高校本科主要培养应用型创新人才，致力于培养新工科专业领域的卓越工程师；高校研究生、博士生以培养创新研发型人才为主，解决设备、材料等关键技术难题。从课程设计层面分析，高职院校其课程安排主要涉及工业产品设计、逆向工程及创新创业实践等课程方向，培养创新生产、建设和服务第一线经营管理需要的高素质技术人才；高校本科课程安排主要涉及分析测试方法、技术设备及原理、模拟仿真等方向，培养面向智能装备制造业“宽口径、厚基础、强能力、善应用”的高素质复合应用型人才；高校研究生、博士生其培养方式不再局限于课程设计，更加注重对前沿领域国内外文献的调研和机理研究，培养自主创新意识和技术难题解决能力，以培养具有专业认知深度、工程思维能力的创新型人才。经过不断努力，我国已实现增材制造专门人才从技工院校、中等职业学校到普通高等学校的全面覆盖，持续为行业输送各类人才。

3 增材制造工程本科人才培养

3.1 加强跨专业知识体系交叉融合

增材制造涉及机械工程、增材制造、材料科学及计算机技术等多个学科领域，具有较强的专业性和综合性。课程安排中应涉及多领域学科知识，构建材料学、建模设计、软件设计、增材制造工艺等多领域交叉的知识体系。学生培养方案的跨专业交叉融合首先要求教师具备扎实的学科基础，涵盖多个学科领域，能够将不同学科的知识进行整合应用，以有效培养学生的跨学科思维能力和创新能力。相应的，师资配置也需要跨院系调整组合出最强的教学队伍。在这方面，南京工业大学整合机械学院、材料学院和轻质材料中心等多个二级单位的师资推进增材制造工程专业的建设和人才培养。在课程设计和教学实施环节，教师需要整合学科知识，形成有机的教学内容，在教学过程中教学相长，不断改进，融会贯通。

3.2 注重基本知识框架体系与技术前沿的有机结合

增材制造相关的新工艺、新原理、新材料、新应用不断涌现，4D打印、体积3D打印、电子3D打印、细胞3D打印、微纳3D打印等新概念层出不穷[6]，技术发展日新月异。教师需要及时跟踪国际最新技术动态并将其融入教学活动中，达到基本知识框架构建与技术前沿讲解的有机融合。哈尔滨工业大学采用“大师+科研团队”、科教融合、科研育人的培养模式促进专业人才培养。南京工业大学通过开设专业导学课程、组织参加“增材制造论坛”和开设专业公众号等形式培养学生对技术前沿发展的兴趣。在此方面，各高校可以结合自身学科优势和人才队伍特点，不断更新和改进教学方法，面向行业培养能够适应技术变革和行业发展的专门人才。

3.3 综合技能培养和产业锻炼相结合

为了更好地适应卓越工程师培养需求，行业企业要深度参与培养过程，学校按通用标准和行业标准培养工程人才，同时强化培养学生的工程能力和创新能力[7]。通过加强校企合作，可以避免学校单方面“闭门造车”，同时有效提高学生的工程实践综合能力和就业竞争力。西北工业大学与西安铂力特增材制造技术有限公司在深度产学研融合方面作出了典范。四川大学匹兹堡学院与增材制造解决方案供应商Stratasys采用校企合作的方式，开展校企协同育人，探索和试点3D打印考试认证项目，推动增材制造教学实践[8]。除了工程应用实践能力外，教师还要培养学生的创新创业思维，南京工业大学通过鼓励学生参加挑战杯、互联网+等各种竞赛来锻炼学生的综合能力水平和创新意识。为了更好地服务于高素质复合型人才培养，高校在专业建设和发展过程中可以实行“一体多翼”的培养模式。其中“一体”是指能力培养与项目式教学融为一体；“多翼”是指构建多样化、多元化和立体化的教学资源平台，同时采取项目作业、实验报告、小组讨论等多样化的评估方式，为学生提供个性化、差异化和定制化的高质量教育服务。

4 结语

增材制造工程专业的设立是为了适应行业发展需求，培养该领域急需的高素质复合型工程技术人才和卓越工程师。人才培养既要注重德智体美劳全面发展，又要培养其国际视野、创新实践能力、职业素养和社会责任感。在培养计划设定和实践过程中，需要加强跨专业知识体系的交叉融合、兼顾基础理论框架搭建与技术前沿知识的拓展、将综合技能培养和产业锻炼相结合，才能为培养高素质专业性人才奠定基础，促进我国增材制造产业的长足进步与发展。

参考文献

[1] 胡端阳，孔艳艳，王震林.美德增材制造共性技术创新发展及启示[J].航空精密制造技术，2022，58（5）：48-51.

[2] Wohlers Associates.Wohlers Report 2023-3D printing and additive manufacturing global state of the industry[DB/OL].https：//wohlersassociates.com/wp-content/uploads/2023/03/Wohlers-Report-2023-Executive-summary.pdf.

[3] 李方正，李博，郭丹.中国增材制造产业发展现状与趋势展望[J].工业技术创新，2023（3）：1-8.

[4] 李方正，周岩.我国增材制造产业发展人才瓶颈探究及建议[J].工业技术创新，2020，7（4）：34-40.

[5] 3D科学谷，3D打印与中高等教育及科研白皮书第一版[DB/OL]. https：//qr05.cn/EDjBtg.

[6] 王磊，卢秉恒.我国增材制造技术与产业发展研究[J].中国工程科学，2022，24（4）：202-211.

[7] 任维彬，雷卫宁，薛亚平，等.增材制造领域工程硕士专业基本能力培养方法[J].教育教学论坛，2022（2）：130-133.

[8] 崔英花，杨曙辉.“卓越工程师”培养过程研究与探讨[J].中国电力教育，2013（32）：39-40.