增材制造專業課程與材料專業學科相結合的教學方法探討

侯娟 李翔

摘? 要：增材制造作為一門新出現的先進制造技術近年來發展迅速，應用前景廣闊，對我國發展高端制造業具有重要作用。增材制造技術進入高校課堂的時間不長，2021年增材制造工程專業課程首次進入我國普通高等學校本科專業目錄新增專業名單，因此當前大部分高校處于開展增材制造專業課程的初期階段，在教學內容和教學方式上存在較大差異，面臨著經驗不足、教學效果差等問題。目前開設增材制造課程教學的專業主要集中在工科專業，該文探討在材料學科中開展增材制造專業課程的教學方法，從增材制造課程的理論教學、課程實踐、科研項目三方面進行教學內容和教學方法的論述。并闡述如何將增材制造課程內容與傳統材料學科知識相結合，培養適應快速技術發展的專業人才。該文的最后對增材制造專業課程中如何融入思政教學也提出思考與展望。

關鍵詞：高校教學；增材制造；教學改革；課程思政；新工科

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2024）15-0124-04

Abstract： Additive manufacturing， as a newly emerging advanced manufacturing technology， has developed rapidly in recent years and has broad application prospects， playing an important role in the development of China's high-end manufacturing industry. The introduction of additive manufacturing technology into university classrooms has not been long. In 2021， the course of additive manufacturing engineering was only added to the list of undergraduate majors in ordinary higher education institutions in China. Therefore， most universities are currently in the early stage of developing additive manufacturing courses， and there are significant differences in teaching content and methods， facing problems such as a lack of reference experience. At present， the majors that offer courses on additive manufacturing mainly focus on the mechanical and materials disciplines in engineering. This paper explores the teaching methods of conducting additive manufacturing courses in the materials discipline， and discusses the teaching content and methods from three aspects： theoretical teaching， course practice， and scientific research projects of additive manufacturing courses. It also elaborates on how to combine the content of additive manufacturing courses with traditional materials knowledge， cultivate professional talents who can adapt to rapid technological development. At the end of the paper， thoughts and prospects are also put forward on how to integrate ideological and political education into the courses of additive manufacturing.

Keywords： university teaching; additive manufacturing; teaching reform; course ideological and political education; new engineering

增材制造技術是一門融合了光學、機械、計算機及材料等學科為一體的交叉技術學科，以數字模型文件為基礎，通過軟件與數控系統將專用的金屬材料、非金屬材料及醫用生物材料，按照擠壓、燒結、熔融、光固化和噴射等方式逐層堆積，制造出實體物品的制造技術[1]。是一種“具有工業革命意義的制造技術”，對先進制造業、工業設計業、生產服務業、文化創意業、電子商務業及制造業信息化工程等均有重要影響。2021年我國普通高等學校本科專業目錄的新增專業名單中首次列入了增材制造工程[2]。

增材制造的專業核心課程包括三維設計、逆向設計技術、專用材料、工藝開發、專用設備及應用、后處理與檢測和結構優化與工藝仿真等，在當前涉及增材制造課程教學的學科中，以計算機科學、材料學科、機械設計為主，尤其是材料學科知識，貫穿了增材制造的全流程，決定了制造成本、效率、質量及技術的推廣應用，是與增材制造技術最息息相關的一門學科。

以下將從三個方面論述如何更好地在材料學科開展增材制造課程教學，實現教學效果的提升。

一? 結合材料學科專業制定和調整教學內容

增材制造技術從流程上可以簡單分為前端原材料、中端工藝開發、后端處理三個主要部分，在設計理論教學內容時應充分考慮到三個流程中涉及到的材料學科問題，從而有針對性地制定和開設相關課程。

（一）? 增材制造原材料與材料基礎學科的結合

與前端原材料相關的課程內容包括材料的設計和開發，粉末原材料的制備和性能檢測等，這部分可開設增材制造技術、粉體技術等課程，可參考的已有課程包括材料科學基礎、粉體成型、材料設計原理等。在課程的講授過程中，可以結合增材制造的分類和工藝特點，重點圍繞金屬粉末增材制造技術，將原材料粉末的制造方法、粉體的物性指標、影響增材制造成形質量的關鍵因素等進行分章節講授，并與材料科學基礎課程中的晶體結構、合金成分設計、相圖等內容相結合。如此一來，不僅加深了對材料學科專業知識的理解和掌握，還可以在增材制造這項技術中將所學理論知識加以應用，更加有利于對增材制造技術的深入認識和理解，實現理論知識與實踐應用相結合。

（二）? 工藝開發與材料專業學科的聯系

增材制造過程是將原材料快速熔化后凝固成形的過程，尤其對于金屬增材制造技術，涉及到復雜的凝固過程。影響增材制造成形質量的主要工藝參數包括激光功率、掃描速度、搭接率等，工藝參數開發主要是通過改變工藝參數控制熔化-凝固過程，從而實現對打印成形缺陷的控制。在這部分的教學中，可與材料的凝固和擴散教學內容緊密結合，從理論深度上讓學生了解為何要開展工藝參數優化，以及如何開展工藝參數優化，認識到工藝參數優化不是簡單的實驗試錯過程。

（三）? 后處理中的材料相關知識教學探討

增材制造后處理主要是針對成形后的零部件進行表面處理和熱處理，其中熱處理涉及復雜的專用工藝開發，需結合性能要求開展研究。這部分的教學內容，與材料學科的熱處理知識密切相關。熱處理是通過對金屬構件進行一定溫度下的保溫，并配合特定的冷卻方式，改變材料內部的組織結構，從而實現對材料性能的調控。

二? 積極開展增材制造實踐教學

增材制造技術是一門基于材料、機械、計算機等學科的交叉學科技術，同時又具有很強的應用性，目前已經在航空航天、能源、汽車和醫療等領域廣泛應用，大量的成功應用為增材制造課程教學提供了豐富的應用場景和案例。因此，在增材制造課程的設計中，必須考慮到實踐教學的內容，隨著增材制造技術的不斷發展和成熟，實踐教學的比重也將越來越高。

（一）? 增材制造實踐教學方法

實踐課程可以與增材制造技術理論教學同步或略晚開始，基于對理論知識的學習和掌握，選擇一類典型的可操作性強的增材制造技術，對學生進行建模、切片、打印及后處理的全流程教學。FDM（熔融沉積成形）是一種采用熱熔噴頭對材料進行半融化后逐層沉積、凝固后成形的技術，原材料主要為高分子絲材。FDM增材制造設備成本低、操作簡單，模型處理軟件簡單易學，對實驗室環境要求低，可以成為普通高等學校增材制造實踐教學的常規教學設備。

（二）? 增材制造實踐基地建設

鑒于增材制造課程開設時間較短，以及受限于學校教育資源和條件，目前增材制造課程的開展主要以課堂講述為主。通常選擇一本教材，對增材制造的幾種常見類型進行介紹，大多數仍處于照本宣科的階段。少部分學校雖然建立了增材制造教學平臺，但設備主要以FDM等簡單設備為主，即使有條件購入價格較昂貴的專業設備，也通常由于缺乏專業的技術人員，或者缺少運行經費和項目支持，導致設備開機率低，無法達到很好的實踐教學效果。通常一門課程結束后，學生只記得幾個與增材制造有關的專業名詞。這種教學和培養模式不僅不利于學生專業技能的培養，還會大大挫傷學生的積極性。當前解決這一難題的最有效快捷方式，就是通過高校與增材制造企業聯合，建立專業的增材制造實踐基地。校企聯合共建的實踐基地將成為增材制造實踐教學的未來主流方向。當前我國增材制造技術獲得快速發展，增材制造相關企業呈井噴式發展。為高校提供了很多的合作機會。校企聯合實踐基地的建立可以以高校或企業為主，前者可通過高校設立實踐基地項目，相關授課老師聯系企業共同申請項目。后者以企業為主，企業可通過需求征集、設立項目等形式，通過與高校建立共建基地后，為企業培育和選拔人才提供支持。

材料專業的校企共建基地可以是增材制造原材料粉末生產廠家、增材制造設備廠家或服務商，以及后處理企業。學生在校內完成增材制造理論和實踐課程學習后，可進入實踐基地繼續學習，實踐基地設立企業導師。學生可通過現場觀摩、集中培訓，對企業的增材制造生產設備、流程有初步的認識。隨后，可通過擇優錄取和雙向選擇，推薦部分學生深度參與到企業的生產實踐中。通過在實踐基地的學習，專業老師可以結合實踐基地情況對教學內容做出調整。

對于材料專業的學生，在增材制造實踐基地學習過程中，可以選擇企業急需解決的材料相關問題，例如打印過程中的材料揮發導致的性能不合格。增材制造過程中高能量激光會導致微量元素的揮發，最終成品零部件成分與原始設計成分之間存在差異，導致性能不合格。這類問題為材料專業的增材制造教學提供了非常難得的實踐教學案例。

（三）? 實踐學習基地建設

除了在實踐基地開展實踐學習外，在校內還可以積極探索新的實踐教學模式，例如讓本科學生參與到增材制造研發項目中。高校教師往往會承擔一系列科研項目，這類項目作為能接觸專業前沿的難得機會，一直頗受學生們的歡迎。因此高校教師基于自身負責的課題項目可以開設一系列專業課程，給學生提供一系列非常難得的深度學習機會，能夠深入科研一線去接觸行業前沿的情況。筆者連續開設了兩門增材制造科研項目相關的專業課程，均取得了良好的教學效果。

當前增材制造技術處于先進成形制造領域的前沿，各類新增材技術及其成形材料后處理等領域的進展較快，新的技術、材料、工藝不斷涌現。因此在參與科研項目活動的過程中，學生能夠進一步豐富知識積累的同時，還可以通過實際體驗深入了解增材制造技術和其他先進材料技術對國家產業發展及轉型的重要性，理解科技創新的意義。同時，在科研實踐教學的過程中，高校教師也會在一定程度上充當學習者，于實踐教學中不斷更新教學內容，跟蹤最新的技術發展趨勢，實現師生之間共同學習進步。

三? 在增材制造教學中融入課程思政內容

作為一門新興專業，目前雖然各院校多有開展增材制造相關課程，但學生對該技術的了解多停留在理論認識階段，對學習該門課程的重要意義一知半解。引入并深化課程思政內容的建設恰好是解決這一問題的關鍵[3-4]，筆者及其團隊在日常講授教學中，通過探討開展增材制造思政建設進行了一系列教學實踐，研究結合專業課程的內容和特色如何巧妙融入思政內容。

（一）? 增材制造思政教學目標

增材制造作為一種綜合性、交叉性的前沿制造技術，對促進我國高端制造業的創新和發展有重要作用，材料專業增材制造課程思政教學的目標可以從以下幾個方面實施。

培養愛國情懷和民族自豪感。通過課程思政的方式講授增材制造成型技術的起源和發展情況，重點提及其對我國產業發展和科技創新所起的作用，讓學生正確認識到我國在增材制造技術領域的優勢和不足，激發學生的愛國情懷和民族自豪感，引導學生將個人理想融入國家和民族的事業中。

強化職業道德和職業素養。讓學生充分了解增材制造技術在推動高端制造業發展中的應用，及其在解決實際問題中所具備的潛力，引導學生樹立正確的職業道德觀，提高學生的人文社會科學素養和社會責任感。

培養團隊協作精神和能力。通過多種形式貫徹思政內容，讓學生在學習過程中深入理解相互溝通、協作的重要性，從而逐漸具備能在多學科背景下的團隊中發揮積極作用，承擔個體、團隊成員及負責人的能力。

提高創新意識和創新能力。當前增材制造及其相關技術的發展日新月異，高校、教師及學生都有必要緊跟時代最新的研究成果和應用前景。通過課程思政共同引導學生增強主動思考、發現問題并創新解決問題的能力，提高學生的創新意識和創新能力。

增強社會責任感。增材制造技術在環保、能源等領域的應用潛力巨大，引導學生充分認識到增材制造技術的發展對我國國民生存環境和社會發展的顯著益處，有助于學生社會責任感的培養。

（二）? 增材制造思政教學方案探討

1? 注重課程思政建設，培養有情懷的學生

增材制造技術作為新興技術，目前已經實現了在航空航天、汽車、醫療等重要領域的應用，國內外尤其不乏很多優秀的設計和應用案例。如果能夠充分考慮目前我國及世界范圍內增材制造技術及材料科學相關的研究與技術熱點，將課程內容與傳統制造成形技術課程區別開來，充分將各種增材制造技術的先進性和實用性體現出來，將極大程度地激發學生學習興趣并擴寬知識面[5-6]。

在專業內容的講解中穿插思政內容，能夠在講授理論知識期間有效吸引學生的注意力、提高學習積極性，以“潤物細無聲”的方式培養學生的專業熱情、愛國情懷、民族自豪感等積極理念，將學生由以往被動式接受知識的傳統教學模式，改變為主動學習知識的新形式[7-8]。具體而言，在課程中引入新知識點之前，選擇不同案例進行重點分析，比如簡要介紹針對航空、航天等國防軍工重點領域的重要零部件的增材制造技術，然后對當前國內外技術的差距及“卡脖子”的地方進行解析，激發學生主動學習的內在驅動力和使命感，培養當代大學生的科學家精神和家國情懷。通過設置這些問題，引導學生去主動思考增材制造乃至材料學這門學科的意義和重要性，在思政內容的結合中引導學生嚴肅對待科學事業的重要理念，提高在接下來的專業知識講解中的學習效率的同時，深化學生們對增材制造專業知識的理解和認識。

實踐表明，融入了思政內容后課堂的活躍度顯著提高，學生們會更積極地參與課程問答與討論。

2? 鼓勵嘗試科研與競賽，激發學習興趣

增材制造技術是一門實踐性很強的課程，需要通過大量的實踐參觀和操作來學習相關知識和技能。然而很多高校往往由于設備有限、場地不足等原因，難以滿足學生的實踐教學需求。在對學生進行專業授課的同時，根據學生的興趣和特長適當安排學生參與到科研項目中，這是一種能夠更好促進專業認知的模式，具體包括開設科研項目課程，實現小班化、特色化教學，以及組織學生參加相關知識和技能競賽等，能夠充分發揮出課程、科研、實踐、組織和團隊合作等方面相互結合的功能。

當前增材制造技術處于先進成形制造領域的前沿，各類新增材技術及其成形材料后處理等領域的進展較快，新的技術、材料、工藝不斷涌現。因此在參與科研項目乃至學術競賽等活動的過程中，學生能夠進一步豐富知識積累的同時，還可以通過實際體驗深入了解增材制造技術和其他先進材料技術對國家產業發展及轉型的重要性，理解科技創新的意義，激發科研報國的斗志[9]。同時，在課程思政和科研實踐教學的過程中，高校教師也會在一定程度上充當學習者，于實踐教學中不斷更新教學內容，跟蹤最新的技術發展趨勢，實現師生之間共同學習進步。

（三）? 增材制造思政教學的考核與評價

在增材制造思政教學的過程中，建立合理的教學效果評價方法非常重要。對于材料專業學生的思政學習評價，要區別于傳統的思想政治課程。考核的形式可以分為課堂教學效果和結課考試兩種形式。課堂評估可以納入平時成績，主要打分依據是通過課堂回答問題或小組討論，通過對具體案例的分析或國內外技術水平差異的討論，評估學生在思想政治教育方面的表現。對于不全面或極端的思想，學生之間可以開展互評討論，教師可針對性施加幫助，當堂點評、引導，或課后重點談話，幫助學生樹立正確的人生觀、價值觀、家國情懷。此外，在結課考試中，設置一定比重的思政考核內容。思政考核的題目不宜單獨出現，主要通過簡答或論述題的形式，讓學生就典型案例發表除專業知識以外的討論，或提出合理的解決方案。通過專業知識與思政內容相結合，考察學生的社會責任感和使命感。此外，評價主體除了教師和學生之外，還可以邀請行業專家等，以不同視角激發學生樹立正確觀念和高尚情懷。最后，思政評價的對象不僅僅是學生，還應包括授課老師。授課老師要經常總結教學經驗，開展教學研討會，及時調整課程內容，不斷提高思政教學方法。

四? 結束語

盡管我國制造業規模龐大，但在部分核心技術領域仍存在短板，實現自主創新的能力相對不足。這導致我國制造業在高端產品和技術方面對國外的依賴度較高，難以實現產業升級和轉型，這種情況在增材制造領域同樣存在[10]。如今高校教育的一項關鍵任務，便是培養出大量能夠幫助解決阻礙我國先進產業發展難題的高技術人才。但是高水平人才的培養是一項系統工程，針對每一項新型技術的專業人才培養，都需要有科學合理的課程設置，才能達到人才培養事半功倍的效果。在增材制造專業課程的講授過程中，我們可以更好地整合各類教學資源，優化人才培養方案，提高專業課的教學質量和水平。通過多樣化的教學方式和手段，實現專業知識傳授與價值引領的有機結合，為本專業培養高素質的科技人才奠定基礎。

參考文獻：

[1] 盧秉恒.增材制造技術——現狀與未來[J].中國機械工程，2020，31（1）：19-23.

[2] 中華人民共和國教育部．教育部關于公布2020年度普通高等學校本科專業備案和審批結果的通知[EB/OL].https：//www.gov.cn/zhengce/zhengceku/2021-03/05/content_5590415.htm.

[3] 童燕波，盧東，郭海東.“三教”改革背景下增材制造技術應用專業實訓課堂的創新與實踐[J].中國現代教育裝備，2023（14）：69-71.

[4] 杜婷婷.高校思想政治教育對大學生就業創業的引導作用[J].科教導刊（電子版），2023（4）：150-152.

[5] 馮磊，史煥聰，趙大鵬.新工科背景下“工程倫理”課程思政教改實踐探索[J].上海理工大學學報（社會科學版），2022，44（4）：409-413，418.

[6] 張尚字.課程思政和思政課程有機結合：講思政道理的三維證成[J].河南師范大學學報（哲學社會科學版），2022，49（6）：124-130.

[7] 翟持.新工科背景下的課程思政教學改革——以化工過程分析與合成課程為例[J].化工高等教育，2022，39（6）：75-79.

[8] 黃鎖明，李麗娟.新工科課程思政教學存在的問題與對策[J].教育理論與實踐，2022，42（36）：39-42.

[9] 夏春明，金曉怡，張航.新工科背景下地方應用型高校“課程思政”探索與實踐[J].東南大學學報（哲學社會科學版），2022，24（S2）：5-7.

[10] 劉廣柱，劉敬福，李赫亮，等.工科專業課程思政探索與實踐——以連接成形及增材制造設備及工藝課程為例[J].大學教育，2023（2）：15-17.