3D打印技術融入材料成型及控制工程課程教學改革的應用探索

摘要：“工業4.0”發展進程需要材料學作為支持，而材料學的發展需要高水平的課程體系，以及多學科知識的交叉融合。但目前材料成型及控制工程開設的課程體系與內容存在學生學習積極性與興趣不足等問題，嚴重影響材料成型及控制工程專業課程教學成效。因此，應著重分析3D打印技術在材料成型及控制工程課程教學改革中應用優勢，介紹3D打印技術在材料成型及控制工程課程教學改革中的融入途徑，指出3D打印技術的應用實踐，多方面結合共同提高課程教學改革效果，加強課程教學質量，以推動材料科學良好發展。

關鍵詞：3D打印技術材料成型及控制工程課程教學改革

中圖分類號：G642

ExploringtheApplicationofIntegrating3DPrintingTechnologyintotheTeachingReformofMaterialFormingandControlEngineering

ZHANGHongminWANGZhizhiYANKetaoSUNShangqiZHOUMengfei（ZHOU-MENGFei？？）

（SchoolofMechanicalEngineeringandRailTransit，ChangzhouUniversity，Changzhou，JiangsuProvince，213164China）

Abstract：Thedevelopmentprocessof“Industry4.0”requiresthesupportofmaterialscience，andthedevelopmentofmaterialsciencerequiresahigh-levelcurriculumsystemandthecrossintegrationofmultidisciplinaryknowledge.However，thecurrentcurriculumsystemandcontentofMaterialFormingandControlEngineeringhaveproblemssuchasinsufficientstudents’enthusiasmandinterestinlearning，whichseriouslyaffectstheteachingeffectofitsprofessionalcourses.Therefore，itisnecessarytofocusonanalyzingtheapplicationadvantagesof3DprintingtechnologyintheeducationalreformofMaterialFormingandControlEngineering，introducemethodsforintegrating3Dprintingtechnologyintoitseducationalreform，andpointoutapplicationpraticeof3Dprintingtechnology，soastojointlyimprovetheeffectofcourseteachingreformbycombiningvariousaspects，improvecourseteachingqualityandpromotethegooddevelopmentofmaterialscience.

KeyWords：3Dprintingtechnology;MaterialFormingandControlEngineering;Curriculumteachingreform

材料成型及控制工程涉及機械設計、電工電子、工程圖學、控制工程、自動化等多個核心知識領域，可推動國家在機械設計制造、工業經營銷售、工業試驗研究等多個領域的深度發展。然而，當前材料成型及控制工程采用的教學方式仍然相對傳統，忽視對學生創新意識與實踐能力的開發，難以滿足“工業4.0”發展下的市場需求。3D打印技術作為計算機科學、材料科學、機械制造等多學科領域交叉融合后形成的新興技術，將其融入材料成型及控制工程，可為工業設計、模擬設計、產品研發可視化提供新的發展途徑，更有利于培養學生的實踐能力。

現如今，在機械類專業課程中融入3D打印技術已經成為當前的研究和教學熱點，但現有研究大多集中在塑料制品設計[1]、數控加工[2]、模具設計[3]等領域，關于材料成型及控制工程課程教學改革的研究則相對較少。據此，本研究以3D打印技術融入材料成型及控制工程課程教學改革為研究視角，指出課程改革途徑和3D打印技術應用實例，旨在為后續材料成型與控制工程課程改革及3D打印技術的融入應用提供參考。

13D打印技術簡介

3D打印技術，又稱為增材制造技術，是一種以數字模型為基礎，運用塑料、金屬、陶瓷等多種類材料，通過激光束、熱熔噴嘴等熱源按照模型的二維輪廓進行逐層打印堆積，形成完整實物的快速成型技術[4]。3D打印技術最早運用于模具制造、工業設計等領域，但隨著3D打印技術的不斷成熟，其已經被廣泛運用于建筑工程、汽車制造、航空航天、課程教育等諸多領域。相較于傳統減材制造技術來說，3D打印技術采用逐層疊加方式實現材料成型，可有效簡化實物制造流程、提高制造速度、控制制造成本。

23D打印技術在課程教學改革中應用優勢

應用3D打印技術可有效簡化產品生產效率，降低生產成本，其在工業制造、生物醫學、航空航天等多個領域均有著良好的應用前景。將3D打印技術融入材料成型及控制工程專業工業設計、模擬設計、產品研發實際教學后，根據模具設計方案、三維裝配和零件裝配圖進行3D打印，形成的實物用于課程教學，滿足專業課程教學要求。具體來說，3D打印技術具有以下4點應用優勢：第一，3D打印技術可以快速打印課程教學所需的教具和教學模型，加強課程教學的直觀性，保證學生對課程教學的認識和理解效果；第二，3D打印技術可以根據設計圖紙快速開展實物快速打印成型，直觀地展示設計方案存在的不足之處，達成設計驗證和問題總結等目的；第三，3D打印技術在很多行業均有著較高普及率，在專業課程教學中引入3D打印技術可以提前培養學生的3D打印技術運用能力，拓寬學生的社會可就業范圍；第四，基于3D打印技術積極鼓勵學生自主設計和制造零件，參與各類創新創業大賽，培養學生的創新創業能力。總體來說，在材料成型及控制工程課程教學中融入3D打印技術，既可以拓展學生的理論知識和專業視野范圍，還可以推動課程理論教學與實踐教學之間的深入關聯，幫助學生更好地掌握專業知識和3D打印技術相關知識。

3材料成型與控制工程課程現況

3.1課程體系存在一定局限性

隨著中國制造2025的戰略目標不斷落實，我國制造業已經基本實現向高端與智能的轉型。因此，對相關專業的需求也更趨向于市場化，鑄造充型、精密控制與智能制造對專業要求也更加趨向多技術融合。而當前材料成型及控制工程專業的課程體系設計，相對重視專業理論知識Y4qOPcRgaeowJ8vEgrCvtg==與已有技能的培養，在學科融合與新興技術的引用上存在一定滯后，這也導致在實際教學中存在一定的局限性。主要體現為：教學設備和學內容與市場需求存在一定差異，不符合市場發展趨勢；理論教學與實際問題存在脫節現象，不能滿足創新需要；教學目標與企業發展目標不一致，對學生就業發展不利。

3.2課程內容結構缺乏興趣引導

現有課程內容結構，將大量的時間分配到理論講解以及所需儀器的使用方法、構成原理上，讓本就不容易理解的專業更加枯燥無味。而且，校方擁有的設備通常不能與市場發展需求同步，再將大量的時間用在設備講解中，導致學生所接受的知識時效性與實用性大打折扣。除此之外，材料成型及控制工程專業的實驗課程中包含了一定量的常規基礎化學與物理學實驗。這些實驗通常是學生過往已經接觸或進行過的，再次進行造成了學生的重復操作，對專業興趣基本喪失。

3.3課程評價體系不利于挖掘學生研發能力

目前，材料成型及控制工程專業的專業課程評價依然以理論作業考核，實驗報告考核的方式，評價學生優劣更是以考試為主進行核準。這種單一的考評必然導致結果存在片面性。除此之外，實驗考核也存在學生報告同質化現象，一個學生的數據會共享給很多人共同使用，只對量級和部分參數進行調整。很多學生都以應對考核為目的完成作業，這導致專業研發能力大大降低。

4基于3D打印技術的課程教學改革途徑

4.1遵循課程基礎構建完善的課程體系

材料成型及控制工程現有的課程教學體系基本上可以滿足順應學習規律、聚焦核心概念的課程教學要求，所以在引入3D打印技術后僅需要在現有課程教學體系的基礎上實施適當優化調整便可。考慮到材料成型與控制工程大一和大二課程主要為通識課程和專業基礎課程，融入3D打印技術后課程教學效果提升幅度較不顯著，而在完成大二課程學習后，學生將初步具備CAD設計、CAM加工等基礎能力，此時在課程教學體系中融入3D打印技術可有效發揮3D打印技術的應用優勢，激發學生的課程學習主觀能動性[5]。

基于3D打印技術優勢推動材料成型及控制工程課程內容改革可從制圖類課程、設計類課程、材料類課程3個角度進行。在制圖課程方面，教師充分了解學生的需求以及學習過程中遇到的困難，將3D打印技術與制圖類課程相結合，借助3D打印技術制作設計實物，加深學生對于建模內容的印象，提高學生繪圖能力，掌握基本制圖知識；在設計類課程方面，設計課程時，應結合課程設計內容，應用軟件中制定的設計模板進行快速設計，并借助轉換軟件將設計模型轉換為3D打印技術可以識別的G代表，利用3D打印技術進行快速打印。根據打印實物，學生可以在教師的幫助下對設計方案進行持續優化調整，完善學生的設計方案；在材料類課程方面，在實施3D打印前，引導學生進行自主配料，使用自行配制的材料進行3D打印，加深學生對不同材料配比方案下材料性能、成型效果的認知。

4.2以科技創新為理念實現課程興趣改革

材料成型與控制工程專業課涉及的知識較為繁雜，并且不同專業課之間的知識內容相互獨立，采用傳統課程教學模式進行“照本宣科”將難以激發學生的學習興趣，學生對于知識點的學習、記憶難度也相對較大。在材料成型及控制工程專業課程改革中融入3D打印技術，利用3D打印技術多學科領域交叉融合的特征，打破專業課之間的學習壁壘，實現專業課知識的深度融合[6]。具體課程教學過程中，教師通過3D打印技術制作出符合課程教學內容的教學用具，此教學用具可以有效豐富學生的課程學習感官和知覺體驗，將原本隱性化的課程知識顯性化，使課程教學內容更為形象、具體，降低學生對課程知識的認知、學習難度[7]。總體來說，在材料成型及控制工程課程改革中融入3D打印技術后，既可以解決課程教學中原本存在的教學器材、教學設備短缺問題，還可以一定程度上彌補教師的教學經驗、能力缺陷，多方面結合共同保障課程教學質量。

現如今，材料科學的發展日新月異，若是將材料成型及控制工程專業課程涉及的理論知識與國際上科研前沿熱點、技術發展動態相關聯，則可以有效提高學生的專業課程知識學習興趣，更好地提高課程教學效果[8]。表1中展示了各類材料領域中3D打印技術前沿案例與材料成型及控制工程專業課程關聯。根據表中的內容可知，3D打印技術在材料學科的多個領域均有著良好運用，新型材料和3D打印技術均為材料成型及控制工程專業未來重要研究方向，對3D打印技術案例進行研究分析，既可以為材料成型及控制工程課程教學提供豐富的案例資源，又可以幫助學生提前了解國際研究熱點，為學生未來的研究和發展打下良好基礎。

4.3以綜合性考核細則為標準完善課程評價體系

融入3D打印技術以后，課程教學評價體系的考核內容應從原本的終結性考核向綜合性考核轉變，構建更符合學生創新創造能力培養要求的綜合考核評價體系[9]。具體來說，融入后的課程教學評價體系考核內容應與學生創新創造能力培養、社會企業需求相對應，重點突出學生創新創造能力、綜合實踐能力的考核，課程考核評價細則可參考表2中的內容。

4結語

綜上所述，3D打印技術融入材料成型及控制工程課程教學改革既可以推動理論教學與實踐教學的有機結合，提高學生的課程學習主觀能動性，又可以讓學生接觸到國際前沿技術、熱點及知識，拓寬學生的科技視野，培養學生的創新創造能力。因此，高校和教師應深刻認識到3D打印技術融入的重要性，推動3D打印技術的有效融入及運用，引導多學科知識的交叉融合，綜合提高課程教學質量，為“工業4.0”發展培養出更多的高素質復合型人才。

參考文獻

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[9] 朱妍妍，李忠新，呂唯唯.基于3D打印技術的開放實驗教學模式探索與實踐[J].實驗技術與管理，2017，34（7）：192-195.