3D打印技術人才培養改革探索

曾亮華

摘 要 圍繞3D打印技術專業人才培養進行探索，將其貫穿于整個人才培養周期，從大一至大四，在課程設置、專業實踐、畢業設計等方面進行改革探索，旨在培養合格的3D打印技術人才。

關鍵詞 3D打印；人才培養；智能制造；創客教育；課程體系；教學改革

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2018）16-0097-03

1 前言

3D打印技術采用增材方式實現制造，在一定程度上能夠顛覆傳統的減材加工技術。因為它不受設計零件的復雜度影響，所以現代產品設計的思維模式需要改變。基于此，為適應新時代對3D打印技術專業人才的市場需求，開展3D打印技術人才培養的課程體系建設具有一定的探索意義。

《中國制造2025》明確提出將主攻智能制造，3D打印技術又是實現智能制造的革命性技術。如今，3D打印技術已快速發展并落地為一種強大的生產技術，而大多數設計工程師是在傳統的減材制造教育中成長的，因此需要轉換思維模式。3D打印技術能夠完全釋放設計師的自由度，設計產品不用再受加工制造技術的限制。華南理工大學楊永強教授因此提出制造改變設計的理念。高校作為設計人才的培養基地，為應對3D打印技術的發展，應適時開展為3D打印而設計的人才培養研究，探討3D打印課程設置、實踐環節、職業教育等如何開展，尋求適合市場需求的3D打印技術人才培養的切入口。

2 3D打印技術的政策支持

《中國制造2025》主攻智能制造，旨在推動制造過程智能化。3D打印又是傳統制造走向智能制造的革命性技術。近年來，國家相關部門陸續出臺相應的政策支持3D打印技術，確保其健康發展。2017年12月13日，工業和信息化部、發展改革委、教育部、公安部、財政部、商務部等12部門聯合印發《增材制造產業發展行動計劃（2017—2020年）》。2018年1月，國家知識產權局官網發布關于印發《知識產權重點支持產業目錄（2018年本）》的通知。該《目錄》中確定的10個重點產業中有三個提到3D打印產業的發展，分別為“3.智能制造產業：3.6增材制造”“4.新材料產業：

4.3先進結構材料（3D打印材料）”“8.先進生物產業：

8.1.4 3D生物打印”。

從近一兩年國家發布的政策文件來看，3D打印技術將在新時期得到快速發展并能大顯身手。另外，隨著3D打印技術相關標準的制定，3D打印產業也將日趨規模變大且趨于完善。未來，3D打印技術人才的需求也將越來越大，對專業人才的要求也越來越高。

3 3D打印技術的當前高校需求

隨著2016年我國加入華盛頓成員國，國內高校掀起工程教育國際認證的浪潮。工程教育認證中強調學生的實作技能，鼓勵課程設計/畢業設計能出實際作品，鼓勵學生以團隊合作的形式完成，這是頂石（Capstone）的基本要求。3D打印技術是實現產品從電腦屏幕到實物最為便捷的方式，具有時間和成本優勢，從而備受關注和學生喜愛。從專業認證的發展需求看，3D打印技術在高校中的應用將逐步擴大。

另外，國家提出大學人才培養定位改革，能夠切實發揮3D打印技術的優勢。首先，作為定位方向之一的應用型人才培養，其重點在于培養學生的創新思維，掌握最新的制造技術，清晰定位3D打印技術在產品制造工程中的角色和作用，使學生具備更靈活的思考方式和更先進的技術，能解決實際問題，未來也能更加靈活地就業。因此，應用型人才培養與3D打印技術關系密切。其次，在研究型人才培養定位中，諸多高校如清華大學、華中科技大學、北京航空航天大學、華南理工大學、西安交通大學、西北工業大學等都已經開展3D打印技術的研究工作，包括控制、軟件、工藝、材料、設備等，取得相當的成績，許多學生圍繞3D打印技術開展相應的課題研究。從這點看，各種類型的高校都與3D打印技術具有一定的聯系。

除了本科院校外，高職、專科學校也已經關聯到3D打印技術。2015年，教育部印發《普通高等學校高等職業教育（專科）專業目錄（2015年）》，明確列舉了航空產品3D打印、增材制造技術等專業方向，旨在促使學校大力開展3D打印職業教育課程建設。

因此，在新背景下，開展3D打印技術人才的培養研究相當重要，高校如何培養能夠滿足社會需求的專業人才，值得探索。

4 3D打印技術課程設置改革探索

構建3D關聯技術的課程體系 3D打印技術人才的培養需要建立相應的課程體系。3D打印技術以3D數字模型為基礎，在工藝段前期關聯到計算機3D建模、3D掃描技術等，打印過程中關聯到工程材料、工藝優化、路徑規劃、質量監控等，打印后關聯到公差與配合、3D測量技術、誤差分析等。從知識體系上分析，3D打印技術涉及的課程類別較多，課程內容較廣，且涉及的內容上不是單一構成的。

因此，首先基于3D打印技術的基本原理，構建三維建模、三維掃描—3D打印—3D測量的循環課程體系（如圖1所示），是符合當前工科教育發展的。最典型的例子是教育部學校規劃建設發展中心組織的全國應用型人才技能大賽，比賽程序明確要求學生掌握作品從理論創新思維、三維模型的建立與裝配、三維掃描到最終的3D打印實物呈現，能夠全面考核學生3D打印技術相關能力。因此，學生需要較好地掌握3D軟件使用，完成設計模型的數字化；掌握逆向工程的點云處理、噪聲點處理、模型拼接等技術；掌握公差測

量、工程測試、幾何精度等知識。可以通過3D測量技術考查學生對打印精度的理解，并能進行相應的誤差分析，進而找出原因，用于指導工藝的優化。

開展職業技能教育 3D打印技術作為一種先進的制造技術，學生要能夠將其用于產品的生產中去，需要掌握3D打印的基礎理論、3D打印材料、3D打印設備研發及操作實訓等方面的一整套綜合技能。因此，高校需要圍繞3D打印技術開展職業技能教育及考證培訓工作。綜合考慮珠三角地區3D打印行業的發展及需求，關于3D打印技術的職業技能教育需要開設從技術基礎—材料—工藝—設備等內容，如3D打印技術基礎、3D打印成型材料、3D打印成型工藝及技術、3D打印設備的操作實訓、3D打印產品的表面處理、3D打印設備保養及維修實訓等系列課程，使學生得到全方位的知識補充與能力鍛煉。同時要改革教學方式，落實理論與實踐的充分融合，密切聯系3D打印相應企業，真正實現培養的人才適應社會需求，實現理論與實踐的零間隙、畢業與就業的零過渡。

5 3D打印技術教育教學改革探索

3D打印作為一種新興技術，正逐步實現工程應用，延伸至諸多領域。它在影響設計者設計思維及設計方式的同時，也引起高校教師對教育教學方法等方面的思考。傳統的產品設計模式、常規的教學方法、產品的制造方法可能因此而產生改變。3D打印技術人才的培養需要循序漸進，從大一至大四逐步加強學生對此技術的理解，逐步從科普講座、創客教育等開始，先使學生明白3D打印技術的基本原理、應用場合等，再慢慢延伸至課程設計、畢業設計中去，以實現用3D打印技術制造實際產品。

開展科普講座 科普講座可以用來引導學生了解學科發展前沿、最新的技術前沿等，有利于提升學生學習的專業興趣。針對一年級新生，開展新生專業教育活動，有助于學生了解機械工程的前沿技術及其發展，提高其對專業的認識及學習興趣。利用珠海市社科學術活動周活動，開展3D/4D/5D打印技術的宣講，包括：3D打印的基本原理、發展歷史、基本分類、最新應用領域、國家的政策支持等；4D打印的基本原理、與3D打印的區別、潛在應用領域等；5D打印技術概念的提出、與4D打印的區別，應用領域等；3D打印技術未來的發展——XD技術概念。展示計算機3D軟件技術的建模作品，并結合學校3D打印設備，實現電腦屏幕上的模型到實物的轉化，給學生直觀的認識。另外，通過概述性講解，展示從實物到電腦屏幕，再通過3D打印技術實現實物的快速反求，可給學生一定的沖擊，激起其好奇心。

開展創客教育 智能時代的到來，世界各國都將培養科技創新人才納入國家核心戰略。從人才培養戰略性角度看，創客教育是一個必然的發展趨勢。高校開展創客教育或設置創客空間，供學生將新穎的設計思維直接轉化為實際可觸摸的產品，關鍵之一在于3D打印技術的應用。

針對二年級學生，已經逐步開設計算機輔助設計、機械原理、機械設計等課程，學生可以參加全國機械創新設計大賽、應用型技能大賽等，這些競賽都需要實物作品展示。因此，從二年級開始逐漸將學生引入創客空間實驗室，開展3D打印作品的實作訓練，為競賽做好技能準備。通過競賽作品的打印，學生能夠更加清楚地認識3D打印技術，了解其工藝過程、工藝參數設置、模型的前處理、打印制件的后處理等，達到以賽促練的效果。

課程設計改革 高年級學生開始具有機械設計課程設計、機械制造裝備課程設計等，傳統的執行方式是學生在電腦上完成設計結構的三維模型和繪制相應的裝配圖、零件圖。不少高校出于課時、安全、成本等各種因素考慮，學生真正利用傳統的加工機床完成實物制作的少之又少，進而無法驗證設計結構的合理性，也未能得到直觀的認識。3D打印技術具有快速實現、安全等優勢，因此考慮用3D打印技術來進行課程設計的實物制作，提升學生對設計結構的認識，是可行且十分需要的。通過課程設計的實物3D打印，學生一方面能夠認識設計結構，另外一方面能夠更深層次理解3D打印技術。

畢業設計改革 畢業設計作為對學生的綜合考查，工科專業學生往往需要完成設計作品的實物制作，工程教育認證也明確要求一定的實物制作。學生可選擇傳統加工技術與3D打印技術結合，將設計結構實物展示于答辯現場。另外，對于高年級學生開展一定的3D打印工藝研究與實踐，包括尺寸測量、誤差分析、缺陷分析甚至軌跡優化等，對于提升學生對3D打印技術的理解是十分必要的。

6 結語

本文圍繞3D打印技術展開，在分析國家3D打印支持政策和3D打印技術的高校需求后，從課程設置、教學改革兩方面進行一定探索。將3D打印技術貫穿于大學生各個階段進行相應的改革探索，旨在讓學生在實踐中理解3D打印技術的優勢，切實提升學生的3D打印技術水平。