增材制造領域工程碩士專業基本能力培養方法

任維彬 雷衛寧 薛亞平 何慶

[摘 要] 針對當前增材制造領域工程碩士培養中存在的專業認知程度不深、工程基本能力不強等問題，深入發掘增材制造理念內涵與外延，強化鍛煉工程思維與能力，嚴格夯實基礎能力培養，切實提升工程創新能力。提出了“內涵深化—工程思維—基礎涵蓋—創新提升”的四維培養方法體系，提升該領域工程碩士培養能力和水平，提升該專業工程碩士的基本能力和工程創新能力。相關研究為應用型院校工程碩士專業基本能力的培養，提供理論依據和方法參考。

[關鍵詞] 增材制造；工程碩士；專業基本能力；培養方法

[基金項目] 2018年度江蘇省研究生教育教學改革項目“面向‘新工科’的碩士專業學位研究生工程實踐教育體系與實踐平臺構建”（18&ZD076）

[作者簡介] 任維彬（1983—），男，黑龍江雞西人，工學博士，江蘇理工學院機械工程學院講師，碩士生導師，主要從事激光成形形狀與性能控制研究；雷衛寧（1963—），男，江蘇金湖人，工學博士，江蘇理工學院機械工程學院研究生處處長，教授，碩士生導師，主要從事精密與特種加工研究。

[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 1674-9324（2022）02-0130-04 [收稿日期] 2021-08-19

引言

在“雙一流”和高水平大學建設的新時期，作為教育結構中最高層次的研究生教育質量尤為重要，是國家高層次人才培養成敗的關鍵[1]。近年來，增材制造專業領域工程碩士培養需求急劇增加，而該領域工程碩士培養階段普遍存在新興領域專業認知程度不深、工程基本能力培養不夠等難點，體現在以下方面：（1）不能與傳統的焊接成形與質量控制形成明顯區分，無法體現專業特色；（2）工程理念及專業特點體現不充分，與學術碩士的差異性不明顯，工程相關基本能力培養不足，工程創新能力培養弱化；（3）專業體系內涵與單純增材制造工藝本身區分不明顯，對于增材制造全工藝流程理解不充分。該領域工程碩士培養過程中亟待解決的問題。

針對上述問題，高校教育工作者開展了廣泛而深入的研究，例如哈工大電子與信息工程學院采用“大師+科研團隊”、科教融合、科研育人的專業人才培養模式[2]。四川大學匹茲堡學院與增材制造解決方案供應商Stratasys采用校企合作的方式，開展校企協同育人，探索和試點3D打印考試認證項目，推動增材制造教學實踐[3]。北方民族大學陳宇紅提出通過依托開放實驗室，為研究生提供開放空間，利用實驗室的設備資源優勢，為研究生創新提供條件支撐和對外合作交流窗口[4]。李奇林等提出構建大學生科技創新能力評價體系，以科技競賽為載體，探索應用型學生專業基本能力及創新能力[5]。清華大學緊密結合工程前沿，發揮校企、課題組復合導師制的指導作用，強化培養實踐能力和職業素質[6]。楊關等教育者指出研究生培養中需注重學科必修與方向選修結合，突出學科交叉培養跨界復合型人才[7，8]。盡管上述研究取得了一定進展，但仍存在以下局限性：（1）針對增材制造專業領域工程碩士的培養體系及方法未建立；（2）對學生自身整體知識能力及水平有一定要求，不具有各層次工程碩士培養的普適性；（3）未能真正在“工程應用”研究過程中，實現創新能力的培養與提升。綜上，文章提出了“內涵深化—工程思維—基礎涵蓋—創新提升”的四維培養方法體系，多層次發掘該專業領域工程碩士的專業基本能力。

一、專業內涵認識深化

增材制造區別于傳統制造方式，具有“從無到有”的特點，其主要技術方式構成如圖1所示。

學生對上述增材制造概念都具有一定理解。但對增材制造專業的“工程”理念并無深入體會，而增材制造工程涵蓋工藝及方法的全流程，是一個閉合的制造體系流程，具體包括以下主要階段。

1.評估與設計階段。包括增材制造的可行性評估、安全及風險性評估、工藝流程設計、材料成分設計與制備、制造結構分析與校核、增材裝備設計與構建、相關工裝夾具設計等。

2.增材制造準備階段。包括部件的拆解與解離、三維結構反求測量、數模比對與驗證、材料準備與前處理、裝備與工藝調試、優化工藝及參數試驗、人員準備及方案商定。

3.增材制造實施階段。包括優化工藝參數實現、成形高度及熔池溫度控制、實時在線閉環控制、氣體保護氛圍施加以及煙塵蒸汽過濾吸除等。

4.增材制造完成階段。包括去應力退火、機加前熱處理、整體及局部形變測量、覆層組織分析、力學性能試驗、防腐與特殊功能驗證、全過程整體評估及工藝定型等。

上述四個階段是以工程理念深化學生對增材制造的認識與理解，與現有的狹義的增材制造概念本身相區別。從廣義內涵理解培養學生的“工程”整體化思維，可以建立學生更廣泛的專業的工程化認識，“全流程”且“系統性”的鍛煉，提升學生的“工程化”思維與能力。

二、工程思維能力的培養

筆者始終以“5個為什么”，牽引學生進行工程化思維鍛煉，以某學生課題工程化思維啟發過程為例，該生課題為“某高溫合金激光增材制造覆層性能研究”，其工程化思維啟發引導流程如圖 2所示。上述辯證思維過程培養學生形成一種工程化思維習慣，始終圍繞“5個為什么”開展課題研究，即“為什么做”“怎么做”“做的過程是什么”“做的結果如何”“做的結果有什么用”。將上述5個問題貫穿學生課題的全過程，任何環節的問題無法闡述清楚，不得進入下一問題所涉及的課題環節，以此考查和培養學生的工程化思維和能力。

三、夯實專業基礎能力

本專業領域涉及計算機編程、機器人控制、數學算法研究、工裝夾具設計、材料分析基礎等多學科知識與能力的交互運用，而工程碩士在本科階段通識教育培養過程中顯然無法滿足上述需求，筆者在學生的指導過程中采用了“針對目標，專項涵蓋；反復運用，夯實基礎”的方法。具體實現過程舉例如下。

事例1：某工程碩士課題完成階段，需要進行激光熔覆條塊堆積程序編寫與校對，但該生無相關機器人操作培訓或相關基礎知識。

方法：（1）給予該生一周時間網上查詢KUKA機器人程序編寫，并提交報告；（2）在確認該生調研和預習充分的基礎上，保證安全的前提下，現場指導該生，基于本次試驗目標，對機器人基本操作進行熟悉；（3）現場監管指導該生進行機器人條塊堆積程序編寫；（4）現場監管指導該生進行激光熔覆過程工藝試驗驗證。

事例2：某研究生在進行鎂合金金相組織制備和研磨過程中，由于鎂合金覆層表面硬度較低，多次制備及研磨仍出現肉眼可見表面劃痕，且腐蝕液配方未明，相關研究工作進展緩慢。

方法：（1）暫緩該生該金相觀察工作。布置該生大量查閱相關文獻，提出兩種以上腐蝕液配方，并提交相關依據或文獻來源；（2）布置該生對金相研磨方法進行網上學習，并布置高年級研究生幫帶該生進行其他牌號合金鋼金相組織進行研磨、腐蝕及觀察；（3）通過（1）、（2）兩個環節的反復鍛煉，消除該生的挫敗感，建立金相組織研磨的信心及耐心；（4）將鎂合金金相組織的研磨及腐蝕觀察分立布置，即先布置該生研磨金相組織，然后在顯微硬度計下觀察劃痕情況，縮短工作周期，反復試驗并獲得成功后，建立起金相組織觀察的信心；（5）布置該生按照由小面積到大面積的順序，進行鎂合金金相組織的研磨、腐蝕及觀察，由簡到難，逐步攻克該項技能短板。

上述培養過程的關鍵在于，勿求“面面俱到”，但求短期快速“實現目標”，使學生充分體會實現目標的基本過程和方法。尤其注意在相關的研究工作中，及時對該專項基礎能力進行“任務式”鍛煉，以進一步夯實相關專業基礎能力。

四、工程創新能力的提升

學生不能實現工程創新能力提升的本質原因，主要在于以下三個方面：（1）不愿下手。學生自身研究作風松散，難以深入課題實質或淺嘗輒止。（2）無從下手。缺乏合理有效的科研思路或不清楚自身想法是否為創新。（3）難以下手。具有一定的創新思路，但不知該具體如何實現。本文著力解決后兩個方面問題?？蓮囊韵聨追矫鎸W生的工程創新能力進行引導。

1.鼓勵大量而廣泛的閱讀文獻。鼓勵學生大量而廣泛的閱讀相關文獻，擴展研究視野。并每半月開展一次文獻報告會，要求學生對有益文獻進行梳理總結，以組會PPT報告的形式開展探討。

2.發掘“從無到有”的工作能力，并適當進行示范性指導。以學生相對較為熟悉的領域或專業能力為契機，布置目標相對具體、工作量適當的階段性工作。例如：設計某型號葉片激光增材成形的輔助工裝、研究實時監測成形高度的控制機構等。

3.拓展學生的見學通聯能力。創新性工作的完成，常常面臨多方面的合作和互補。適當派出學生參加學術會議、前往企業進行短期的見習、與相關高?；蚪Y構建立合作，對于拓展學生的創新能力也具有較好的直觀培養效果。

4.關注研究前沿及熱點。本領域的研究前沿及熱點，往往是暫時難以解決且高水平研究的聚焦點，相關研究方法或思路往往可以順向遷移，積極鼓勵學生關注本領域研究前沿及熱點問題，可促使學生更快的接近創新性思路或方法，利于工程創新能力的提升。

5.注重實踐操作能力的培養。創新性思維及能力的提升，往往是建立在大量實踐操作的經驗基礎上，只有建立的大量而深入的感性認識，才能更貼切、更實際、更直接的誘發創新性思路及方法的產生。因此，在本專業領域的研究生培養過程中，應格外關注基礎性實踐操作技能的形成，例如：機器人控制程序的編寫、金相試樣的制備及研磨、激光熔池的近距離觀察等。

6.示范性創新的提示。針對某一難解決問題，可由指導教師提出創新性解決辦法，但應著重指出創新點的體現以及創新點產生的思維邏輯過程，啟發學生進行類同的思維過程，創新性地解決問題。

結語

增材制造專業領域具有多學科、多方向交互耦合的特點，對本領域工程專業的培養提出了更高要求。本專業工程碩士的培養應更加密切貼合專業特征，有的放矢，逐步啟發和引導，總結歸納為以下三方面。

1.“內涵深化—工程思維—基礎涵蓋—創新提升”四個層次互為基礎，互相促進，同步樹立。是貫穿研究生培養全階段的系統性工作，不能顧此失彼，更不能揠苗助長，應根據學生特點，因勢利導的進行逐步培養。

2.工程思維的發掘是關鍵一環。工程思維的發掘體現了研究生培養階段，嚴謹的科研邏輯的形成過程，是學生培養階段的核心素質和能力。應以增材制造的廣義理念為基礎，養成學生對課題的各個環節進行工程思維審視，形成基本的工程素養。

3.工程創新能力的提升是一個鼓勵和循序漸進的過程。該過程中，學生將經歷反復的失敗與否定，會對學生的自我認可心理形成一定的影響。研究生導師更應抓住矛盾開展培育，大膽鼓勵學生在該方面的點滴進步，使學生產生創新興趣，形成良性循環，最終實現工程創新能力的提升。

參考文獻

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Training Method of Basic Ability of Master of Engineering in Additive Manufacturing Field

REN Wei-bin， LEI Wei-ning， XUE Ya-ping， HE-Qing

（School of Mechanical Engineering， Jiangsu University of Technology， Changzhou， Jiangsu 213001， China）

Abstract： In view of the problems existing in the training of master of engineering in the field of additive manufacturing， such as the low professional cognition and weak basic engineering ability， the connotation and extension of additive manufacturing concept are deeply explored， in order to strengthen the engineering thinking and ability， consolidate the cultivation of basic ability， and effectively improve the engineering innovation ability. A four-dimensional training method system of “connotation deepening， engineering thinking， basic coverage， and innovation improving” is proposed to improve the training ability and level of engineering masters in the field， and strengthen the basic ability and engineering innovation ability of masters of engineering in this major. The relevant research provides theoretical basis and method reference for the training of basic ability of masters of engineering in application-oriented universities.

Key words： additive manufacturing； master of engineering； basic professional ability； training method