新工科視域下增材智能建造技術創新教學探索

王家慶 王立彬 李強 孫浚博 呂貴芳

[摘 要] 隨著《“十四五”智能制造發展規劃》的提出，傳統工科日益向新工科轉變，高校應重點培養創新型與工匠型人才。在土木工程學科中，傳統實驗教學關注基礎鞏固，加深理論知識理解。新工科背景下的實驗教學應順應智能建造發展需要，引入增材智能建造技術課程作為創新型、開放型體感互動環節，以激發土木類高校學生對智能建造技術的興趣，助力培養新工科視域下的智能建造人才。

[關鍵詞] 智能建造;土木工程;實驗教學;增材制造技術;體感互動

[基金項目] 2020年度江蘇高等教育質量保障與評價研究課題“一流課程建設背景下課程建設評價體系研究”（2020056）;2021年度江蘇省高等教育學會“十四五”高等教育科學研究規劃課題（重點）“江蘇新農科專業建設的調查研究”（ZDDY08）;2021年度教育部高等教育司產學合作協同育人項目“碳中和背景下的綠色土木工程基礎設施智能建造師資培訓”（202102011011）;2021年度江蘇省基礎研究計劃（自然科學基金）“路用纖維復合橡膠混凝土微界面調控及協同增韌抗裂機理研究”（BK20210617）

[作者簡介] 王家慶（1994—），男（回族），安徽六安人，哲學博士，南京林業大學土木工程學院講師（通信作者），碩士生導師，主要從事土木工程材料設計研究;王立彬（1970—），男，河北辛集人，工學博士，南京林業大學土木工程學院教授，碩士生導師，南京林業大學教務處處長，主要從事新型橋梁結構體系與竹木復合結構研究;李 強（1982—），男，江蘇新沂人，工學博士，南京林業大學土木工程學院副院長，教授，博士生導師，主要從事道路結構與材料設計研究。

[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 1674-9324（2022）25-0049-04 [收稿日期] 2022-03-21

傳統工科教學重點關注學生理論知識的扎實度，對于學生實踐創新能力培養大多依賴于實驗課程。然而，當下高校實驗教學基本遵循傳統基礎知識體系，少有專業將最新技術及前沿科技引入教學體系。土木工程學科在智能建造背景下，更應契合新工科建設發展需要[1]，著力打造智能建造相關實驗課程，培養智能建造方向的創新型人才，為國家基礎設施建設行業培養后備力量。土木工程建設過程中涉及的建筑材料（水泥混凝土、石膏、地質聚合物等）通過一定的配比設計及性能優化，均可應用于增材制造技術，實現建筑物的智能化三維空間打印，減少人工成本，加快工程進度。歐美國家近些年涌現了許多3D打印工程應用實例[2]，3D打印智能建造技術已走在世界前列，這與將增材制造技術及早引入高校實驗教學課程中不無關系，培養了一大批掌握3D打印智能建造技術的高級人才。因此，我國高校土木工程專業人才培養也應跟上技術發展的步伐，引入增材智能建造技術作為創新型、開放型實驗教學課程，突破傳統工科的工程實踐內容的局限性，以更加直接的體感互動方式為學生呈現智能建造相關技術，為新工科人才培養提供創新途徑。

一、增材智能建造技術實驗教學創新思路

（一）3D打印技術教學應用現狀

智能建造在建筑行業已得到廣泛應用。建筑行業的轉型升級離不開智能建造技術的發展與突破，更依賴于智能信息化、先進增材技術等新一代跨多學科交叉的綜合體系。中國建筑業必須擺脫傳統模式的束縛，向現代化、智慧化道路轉軌，推進國家科技創新戰略在建筑行業的落實。增材制造打印技術是近期前沿科技領域關注的熱點之一，成為新時代歐美國家主推的研究和教育內容之一。3D打印技術在醫學、機械制造等領域已經創造了一系列水平極高的教學與科研成果。增材智能建造技術本質上是綜合利用計算機設計、材料設計、智能控制系統、監測檢測體系經特定組合形成的智能化建造系統。通俗地講，增材智能建造技術就是利用3D打印的特點實現（部分或全部）工程結構在三維空間上的自動化建設（見圖1）。相較國外而言，國內3D打印技術的普及和教育處于起步階段，但國家已經開始重視3D打印技術和應用的發展?？萍疾繉?D打印技術納入國家863計劃后，3D打印技術相關課程的試點如雨后春筍般在全國多所高校出現[3，4]，但鮮有將3D打印技術引入土木工程類傳統工科的實驗教學中。

（二）3D打印智能建造技術教學思路

新時代學科交叉的涉及范圍越來越廣泛，傳統的土木工程學科與智能化、現代化的數字信息學科，以及先進的機械制造學科的多學科交叉受到更多關注。在國家基礎設施建設過程中，土木工程類傳統工科行業貢獻了不可或缺的主要力量，而新工科背景下土木工程行業過度依賴人工的現狀亟待轉變，大力推動智能建造技術的全面應用是必由之路。因此，在高校土木工程專業的教學中引入3D打印智能建造技術作為實驗課程環節，將多學科交叉前沿技術應用于學生的實踐動手環節，激發學習興趣的同時，提升土木工程專業學生學科交叉及創新能力[5]。

目前，增材打印制造在土木工程專業實驗教學中存在諸多瓶頸與空白，拓寬實踐教學的互動環節，將3D打印技術引入教學可以豐富土木類專業的新工科知識體系。結合南京林業大學土木工程學院現有工程訓練平臺，建立對應的增材智能建造技術創新訓練教學體系，該體系包括認知與體驗、總結與思考、創新與綜合應用三個方面。對應3D打印智能建造技術，每個教學環節模塊化制定教學內容，服務于學科內各專業課程實驗環節、課程設計實驗環節、畢業論文實驗環節、創新實踐訓練計劃等多個重要教學環節，促進土木工程專業人才智能基礎知識與智能建造技術的互動發展[6，7]。

二、增材智能建造技術創新教學的實施

（一）增設土木類3D打印實驗課時

以激發土木類學生3D打印學習興趣為導向，著力提高學生在智能建造方向上的創新性，根據本專業學科發展需要設置3D打印實驗課，并有針對性地安排足量學時[8]。對于交通土建工程、建筑工程專業的學生而言，可以依據專業課“土木工程材料”“路基路面工程”“結構設計原理”等專業重點課程對應設置4～8學時的3D打印實驗教學。實驗課針對特定設計案例進行3D打印智慧建造設計與實踐，由指導教師提出實際工程問題（如梁體結構的三維空間打?。缓笥芍笇Ы處焻f助學生通過設計與實驗實踐環節，開放性地解決該工程問題，并展示縮尺3D打印結構構件[9，10]。最終，基于“土木類專業力學”課程內容，為學生演示3D打印構件力學性能測試，串聯知識體系并鞏固基礎知識。

（二）增設In-Group體感互動環節

以輔助學生強化3D打印的感受為導向，激發學生的學習熱情，增設In-Group體感互動環節。學生以3～4人小組為單位進行自由組隊，實際感受3D打印的全過程。設置對應的預期目標，由組內成員合理分配任務，進行團隊協作，完成建材3D打印結構構件的任務。In-Group體感互動環節，目的是為了充分接觸并掌握建材3D打印系統的工作原理，學習打印平臺操作并完成縮尺構件的打印全流程。由指導教師從3D打印的原理、發展與應用等方面展開，重點關注增材智能建造技術的步驟，主要包括建筑結構（小尺寸梁、柱、板）的建模、3D打印軟件的操作、3D打印建筑材料的配合比優化設計、三維空間打印過程控制等。完成打印后，由于不同小組的設計參數不同，打印的構件力學性能會存在差異，需對力學性能進行測試并對比。在該過程中進行積分評比，對于各小組的表現進行總結，并在該過程中思考問題、解決問題，提高學生的創新能力、協作能力以及突破瓶頸問題的能力[11]。

（三）開展目標需求導向型實踐訓練

以開拓學生使用增材智能建造技術能力為導向，培養學生全過程動手實踐能力，開展以解決實際建造問題為目標的實踐訓練。契合新工科教學背景，結合教師科研項目，組建10～15人的3D打印智能建造綜合實訓社團。以解決實際工程項目問題為導向，根據實際建造問題，融合其他學科專業的學生共同開展工程實踐訓練[12]。在實踐過程中，學生以研究社團形式進行整體建筑結構建模、3D打印軟件參數優化設計、結構構件打印流程設計、新材料優化設計，達成理論知識提升與技能訓練的同時，也可培養學生對項目工程的智能管控、工程方案的鏈條式設計及團隊溝通等能力[13]。整個實踐過程可建立全過程跟蹤績效評價體系，激發學生學習土木工程增材智能建造技術的內生動力，最終以目標需求為導向的實踐訓練提升學生在實際工程建造中的智能建造能力。

（四）增材智能建造技術創新教學的案例實施

本教學案例依托南京林業大學土木工程學院與重慶大學常州溧陽智慧城市研究院合作打造的3D建材框架打印機（見圖2），以實際工程建設需求為案例，實施增材智能建造技術的創新型教學。在案例實施過程中，學生以既有研究社團形式，通過3D增材打印技術制備一根截面尺寸為600mm×600mm、長2400mm的足尺水泥混凝土矩形梁式試件，并進行力學性能測試。本次教學實例共安排8課時，第1、第2課時由指導教師講解設計要求及預期性能指標，協助研究社團學生基于SketchUp軟件進行矩形梁構件的三維空間結構設計，并由研究社團學生分組討論制定打印線路方式;第3、第4課時由指導教師講解智能3D打印建造用水泥混凝土原料配合比設計要求，調配具有工作性能的3D打印原料;第5、第6課時由指導教師配合學生進行構件打印實踐操作訓練，結合已制定的打印線路及原材料構件的制作，完成對構件外觀和尺寸完整度的檢測;第7、第8課時由指導教師演示梁試件的抗彎強度測試，采取三點彎曲試驗對所制備的3D打印矩形梁抗彎強度進行測定，對比預期性能指標，計算性能達成度。最后，對比3D打印智能建造與常規制備方式所制備試件的性能差異，總結3D打印智能建造全流程并布置課程設計作業，由研究社團學生探索完成。

結語

基于前沿三維空間增材制造技術，適應土木工程學科智能化、現代化發展需求，開展土木工程學科增材智能建造技術創新教學的探索與實踐，能夠給土木工程類實驗教學內容提供技術補充，為學生帶來智能建造理性與感性相結合的認知，提高土木領域新工科人才培養質量，構建學生的智能建造理念，培養出綜合掌握傳統工科基礎知識與智能建造技術的基礎設施建設行業的后備力量。

參考文獻

[1]袁烽，趙耀.智能新工科的教育轉向[C]//數字技術·建筑全生命周期：2018年全國建筑院系建筑數字技術教學與研究學術研討會論文集，2018：15-22.

[2]丁烈云，徐捷，覃亞偉.建筑3D打印數字建造技術研究應用綜述[J].土木工程與管理學報，2015，32（3）：1-10.

[3]熊金泉.3D打印在教育領域的應用研究[J].南昌師范學院學報，2017，38（6）：21-25.

[4]楊錢榮，劉巧玲，王中平，等.3D打印建造技術發展與展望[J].建筑技術，2015，46（12）：1076-1080.

[5]謝佩軍.“新工科”建設背景下3D打印應用型人才培養機制研究[J].教育現代化，2017，4（18）：6-8.

[6]孟祥霓，白霄麗，張強.電子設計綜合實訓教學體系的改革與實踐[J].實驗技術與管理，2011，28（2）：129-130+150.

[7]雷黎，王煥磊，陳守剛，等.基于“新工科”人才培養的3D打印綜合實驗設計[J].實驗室科學，2021，24（1）：65-68+71.

[8]鞠錦勇.淺析新工科理念下的3D打印實踐教學形式改革探討與實踐[J].教育教學論壇，2020（14）：198-200.

[9]姜景山，何培玲，趙延喜，等.新工科背景下智能建造專業復合型人才培養的探索[J].中國多媒體與網絡教學學報（上旬刊），2022（1）：165-168.

[10]鄭兵云，張恒，錢應苗.新工科建設與智能建造雙重驅動下工程管理專業創新型人才培養路徑研究[J].長春師范大學學報，2021，40（12）：147-149+181.

[11]潘傳姣.新工科背景下“實踐研創”四位一體實踐教學體系改革[J].大學，2021（47）：70-72.

[12]雷黎，王煥磊，陳守剛，等.基于“新工科”人才培養的3D打印綜合實驗設計[J].實驗室科學，2021，24（1）：65-68+71.

[13]鄧飛，張諾，王金業，等.新工科建設背景下3D打印實驗教學方案開發[J].中國現代教育裝備，2020（13）：54-57.

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