“新工科”背景下3D打印技術與應用課程教學改革探索

閆凱波 陸思思 陳仁祥 余騰偉

(重慶交通大學機電與車輛工程學院 重慶 400074)

3D 打印是相對傳統制造技術的一次重大技術革命，實現了對減材制造、等材制造等傳統制造技術的革新，可為制造業的創新發展注入新鮮動力[1]，該技術已廣泛應用于航空航天、生物醫學、藝術設計等領域。3D打印技術正在改變人類的生活方式，并且有效推動了相關領域制造技術的創新發展，其增材制造方式對早日實現碳達峰、碳中和等目標具有重要意義。因此，3D打印技術已成為當前研究熱點。近日，科技部發布了“十四五”國家重點研發計劃“增材制造與激光制造”重點專項項目指南，其中功能化活性心肌組織增材制造、激光粉末床熔融增材制造在線監控與質量評價技術、增材制造構件長壽命服役行為表征與調控關鍵技術等前沿研究內容均包含在項目指南中，上述研究的順利開展需依托3D 打印技術的創新發展，為此，需培養大量具備3D 打印基礎知識的高素質專業人才。然而，目前國內3D 打印技術方面的人才匱乏，人才培養機制落后，嚴重阻礙了該項技術的推廣應用及持續進步[2]。為推動3D 打印技術的快速發展，適應制造技術的不斷革新，各大高校相繼開設了3D打印技術方面的課程，其內容通常涵蓋3D打印技術基礎、3D打印技術分類與原理、3D打印與3D建模、3D打印后處理技術等基本知識。此外，為支撐“中國制造2025”“互聯網+”“一帶一路”等重大國家戰略，教育部積極推進“新工科”建設，要求工程科技人才具備更高的創新創業能力和跨界整合能力，從而加快“新工科”建設，助力經濟轉型升級，培養實踐能力強、創新能力強、具備國際競爭力的高素質復合型“新工科”人才。3D 打印技術作為機械、材料、計算機科學等多學科交叉融合的技術，與新工科理念不謀而合，成為新工科背景下高校智能制造相關專業的教學熱點[3]。在3D打印技術類課程教學過程中，應注重完善3D打印教育、科研創新，培養滿足市場和科研需求的專業技術人才，使學生在未來升學、就業、創業和發展過程中具備更全面的素質和能力[4]。如何把3D 打印技術與復合型“新工科”人才培養有機融合，促進課堂教學與課外實踐的有機結合，激發學生學習熱情，培養學生自主學習和創新能力，是目前亟待解決的問題。該文針對3D 打印技術與應用課程的教學形式及教學內容所面臨的問題，探討更為有效的教學手段和應對策略，為培養智能制造領域高素質應用型人才拓寬思路。

1 當前存在的問題分析

1.1 教學方式單一

3D 打印技術與應用課程屬于理論和實踐性兼具的教學課程。理論教學中，由于缺乏零件實物，教師無法進行全過程示范演示，學生無法對零件的結構和組成產生直觀認知，難以掌握3D打印具體操作方法及流程，間接導致學生在后續的課程實踐中動手能力較差。在進行不同3D打印技術和原理講解時，單純依靠設備圖，學生缺少對設備細節結構、成型動作過程的直觀認知，難以掌握不同3D 打印方法的基本原理，導致學習效果大打折扣。雖然教學過程中借助多媒體設備，但教學形式通常是以教師為中心的灌輸式、填鴨式教學，學生參與度較低，課堂效率低下，學生和教師之間難以建立有效的溝通模式。

實踐教學中，受實驗條件限制，往往只能開展成本相對較低的熔融堆積成型實踐，且學生以小組形式開展實踐學習，難以確保學生能夠掌握多種3D打印成型方法及原理，無法調動所有同學的主觀能動性，部分小組僅有極少一部分成員真正參與到實踐中來，大多成員只是機械式地參觀記錄，全程無主動式的提問和交流，實驗實習報告質量較低，沒有過多地自主設計、研究創新過程，不利于學生創新思維的培養。總之，當前教學形式單一，難以滿足“新工科”人才培養需求，教學手段亟待更新[5]。

1.2 教學內容滯后

3D 打印技術與應用課程講授內容主要依賴于教材編寫情況，然而，市面上的普通書籍大多是簡單科普型，專業書籍更多的是面向研究生的培養，其理論深度和實踐操作復雜度更強。能詳細涵蓋3D打印材料、成型原理、成型技術及成型設備，適合本科生教學的書籍較少。此外，隨著3D 打印技術的快速發展，該技術已經被廣泛用于人們的生產生活領域，技術革新速度較快，現有書籍對相關領域的前沿技術未能及時補充，特別是部分教材仍停留在快速成型技術介紹階段，與當前的3D打印技術發展現狀嚴重脫節，從而導致講授內容很大程度上滯后于時代科技發展，學生創新思維的形成缺乏寬廣視野的支撐，難以達到理想的教學效果，不利于“新工科”人才的培養。如果3D 打印技術與應用的教學不隨著3D 打印技術的發展而不斷“升級、革新”，那么培養出來的相關人才，在知識儲備和技能運用環節會遠遠落后于從業人員，剛畢業就會面臨技術淘汰，被迫重新擇業的窘境。

1.3 學生缺乏動力

部分學生對智能制造領域相關知識缺乏興趣，認為自己日后升學、就業、創業過程中不會涉及3D 打印技術，故缺乏對該課程的重視程度，認為這門課程對自己日后的發展無任何幫助，缺乏學習熱情。同時，3D打印技術與應用課程知識體系結構與金屬工藝學等課程關聯度較高，部分學生對舊知識掌握程度較差、知識體系不扎實會嚴重影響新知識的理解學習，會進一步增加學習的難度，進而信心受挫，嚴重影響學習興趣和動力，形成惡性循環。此外，3D 打印受材料問題影響較大，并非所有材料都可用于3D打印，部分3D打印材料不僅在加工過程中價格昂貴，而且所生產產品的質量和強度通常也不能滿足技術要求。因此，日常生活中3D 打印制品沒有普及開來，學生缺乏學習興趣，創新創業思路受限，致使教學質量不高，對“新工科”人才的培養提出了更大挑戰。

2 教學改革措施

針對當前3D 打印技術與應用課程教學中存在的若干問題，從教學方式、考核方式改革，教學內容更新，建立校企合作等方面入手（如圖1 所示），提升學生學習興趣和學習效果，保障“新工科”人才培養質量。

圖1 3D打印技術與應用課程教學改革體系

2.1 教學方式改革

理論教學中，通過制定課前理論知識預習和學習視頻觀看任務，讓學生對所學知識有初步了解，并喚醒學生對于以前知識的記憶，為新課程的正常引入與講授奠定良好的基礎，教師在此過程中進行答疑式的指導，并評估學生對知識體系的了解程度，從而動態調整教學內容，有效提高教學質量與效率；在課堂中，對于比較抽象的知識體系，加入思維導圖等可視化圖表，將知識體系架構清晰地呈現在學生眼前，并基于音視頻多媒體授課，充分調動學生的積極性，減少課堂低效時間；課后作業的布置以開放式作業為主，針對3D 打印技術的工藝、材料、原理、應用等各個方面進行拓展，讓學生自選角度提出想法或觀點，同時作為預習下一節課的理論背景，為新課程的理論教學環節提前做好鋪墊，循序漸進。

實踐教學中，應著重介紹相關3D打印軟件的使用方法，采取小班化教學，增加分組數量；學生從三維模型建模開始，自主設計個性化三維模型，根據產品類型和擬實現的功能，選擇合適的3D 打印技術和設備，正確選擇原材料并制定成型工藝方案，最終獲得成品；教師應當全程參與設計實踐過程，在必要的環節為學生梳理理論知識體系，為相關設備和材料的選擇提供引導[6]。通過實踐鍛煉，增強學生對3D 打印技術的學習興趣，使學生初步掌握將3D打印技術運用于該專業方向進行設計和開發的能力，為日后從事3D打印技術方面的工作奠定良好的基礎。

2.2 考核方式改革

傳統考核方式一般以期末筆試為主，然而，該課程教學內容包含理論與實踐教學，且前沿性的新知識、新體系較多，傳統考核方式難以全面反映學生對知識體系的掌握情況。基于高素質應用型人才培養目標，對課程考核方式進行改革，將學生預習情況、課堂表現、作業情況及實驗成績納入綜合考核范圍，其中：預習情況主要以學生對課前理論知識的掌握程度和學習視頻觀看的互動情況評價；課堂表現以回答問題、參與討論等課堂活動參與度進行評價。

課程作業不再局限于3D 打印原理、技術等方向，通過設置不同的選題方向，例如：面向就業學生，可以談談對于3D打印技術與“中國制造2025”關系的理解，加強對擬就業學生民族使命感的培養；面向升學學生，可以檢索3D打印技術方面的前沿英文文獻進行翻譯，提升其英語讀寫譯能力，培養其日后從事科學研究中需具備的檢索文獻、閱讀文獻的基本能力素養；面向自主創業學生，可以談談采用3D打印技術進行創業的一些設想，有效拓寬擬創業學生的思路，激發其創新創業思維。最終在課程考核環節圍繞“培養實踐能力強、創新能力強、具備國際競爭力的高素質復合型‘新工科’人才”這一目標，實現升學、就業、創業學生的全覆蓋，學生按照自己的職業生涯規劃自主選擇課題方向，并完成課程作業，課程作業突出對不同學生相關能力的培養。

實驗成績以實驗報告質量和現場表現進行評價，為了培養實踐能力強、動手能力強、更容易勝任實際工作的高素質應用型人才，現場表現在實驗成績中占比更高。相比于傳統考核方式，新的考核方式著眼于學習過程，對學生的能力評價更為全面，更符合“新工科”人才培養目標和要求。

2.3 教學內容更新

3D打印技術與應用教學內容長時間不更新，會導致學生不能及時接觸到新的3D 打印技術及其應用領域，嚴重影響對學生創新思維和創新能力的培養。

針對此問題，采用以科研促教學的方式。一方面，通過文獻檢索的方式，讓學生們了解3D打印技術的最新研究現狀，學生以思維導圖或PPT 的形式對檢索到的新知識和新技術進行全面介紹，包括教師在內的課堂人員可與主講者進行充分的交流和探討，迸發思維的火花，不僅可以促進學生創新思維和創新能力的培養，還可以顛覆傳統的課堂教學模式，為學生提供翻轉式課堂，達到更好的教育效果；另一方面，基于教師承擔的科研項目，學生可根據自身興趣加入相應的研究團隊，在教師及研究生的指導下，學生首先對3D 打印技術的知識體系加深理解，其次對3D打印設備的操作技能顯著提升，最終在項目的研究過程中，通過與教師和師兄師姐的交流，產生新的思路和想法，并付諸于實踐。能夠培養學生發現問題、思考問題和獨立解決問題的能力，最大程度地激發學生的好奇心和求知欲，能夠為“新工科”人才和高素質應用型人才的培養提供一種借鑒模式。

2.4 加強校企合作

校企合作是指為了培養高素質應用型人才，高校采取與企業合作的方式，注重人才的實用性與實效性培養[7]。學校應組織專業教師前往相關企業或研究所考察交流，了解市場需求，開展與企業的3D 打印技術合作，深化產學研協同創新機制。結合企業需求和當前發展趨勢，在3D 打印技術與應用課程教學方式、教學目標方面積極嘗試新方法，積極引導學生采用所學知識解決企業當前面臨的技術瓶頸。此外，可邀請企業專家走進大學校園，開設專題講座，內容涉及安全規范、設備操作、車間管理等模塊，學生根據自身發展方向，選擇相應的模塊學習，全方位提升學生的綜合素質。同時，在專業培養方案和課程教學大綱修訂過程中，學院可邀請企業專家參與教學改革，共同商討、明確專業人才培養目標，確定專業教學計劃和教學內容，構建高素質應用型“新工科”人才培養體系。學院每年可選派部分新進教師到企業一線參加6個月以上的實踐鍛煉，重點提升專業教師的專業能力和實踐教學能力。專業教師在教學過程中將學生的培養與企業的實際需求緊密對接，畢業生在日后的工作中才能更好地適應崗位要求，成為符合市場實際需要的高素質復合型“新工科”人才。通過在相關企業的實習、實踐經歷強化理論與實踐的有機結合，重構3D打印技術理論知識體系，培養具備應用3D打印技術解決行業實際問題能力的優秀學生。

3 結語

為穩步推進我國第四次工業革命，助力我國由制造業大國發展為制造業強國，教育部積極推進“新工科”建設。3D打印技術可為傳統制造業的創新發展注入新鮮動力，對早日實現碳達峰、碳中和等目標具有重要意義，因此，該類課程在高校專業教學和人才培養過程中應引起足夠的重視。通過改革教學方式、考核方式，及時更新教學內容，加強校企合作交流解決當前3D打印技術與應用課程教學中存在的若干問題，有效提升學生學習興趣和學習效果，切實保障學生培養質量，對提高機械電子工程專業學生的就業競爭力、培養實踐能力強、創新能力強、具備國際競爭力的高素質復合型“新工科”人才具有重要意義。