增材制造工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐課程規(guī)劃與教學(xué)設(shè)計(jì)

【摘" " 要】增材制造工程專業(yè)是面向增材制造行業(yè)培養(yǎng)工程師人才的新興專業(yè)。文章結(jié)合新專業(yè)建設(shè)及《增材制造工程技術(shù)人員國(guó)家職業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（2023年版）》要求，從增材制造工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐課程規(guī)劃角度，將專業(yè)課程及其實(shí)驗(yàn)實(shí)踐環(huán)節(jié)與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了對(duì)照，由此提出了專業(yè)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐課程教學(xué)設(shè)計(jì)的思路，圍繞培養(yǎng)具備增材制造技術(shù)應(yīng)用能力的初級(jí)工程技術(shù)人才目標(biāo)，持續(xù)開展貼合實(shí)際應(yīng)用需求的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)，為增材制造工程專業(yè)建設(shè)與人才培養(yǎng)提供參考方案。

【關(guān)鍵詞】增材制造工程專業(yè);實(shí)驗(yàn)實(shí)踐課程規(guī)劃;工程師培養(yǎng);實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)設(shè)計(jì)

【引用格式】王超，丁國(guó)華，范恒亮.增材制造工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐課程規(guī)劃與教學(xué)設(shè)計(jì)[J].黑龍江教育（理論與實(shí)踐），2025，79（1）：62-67.

【中圖分類號(hào)】G642.0" " " " " " " " "【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A" " " " " " " "【文章編號(hào)】1002-4107（2025）01-0062-06

一、引言

增材制造技術(shù)是第四次工業(yè)革命的重要組成部分[1]，能夠有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)機(jī)械加工技術(shù)的不足，對(duì)提升制造業(yè)的創(chuàng)新研發(fā)水平起著至關(guān)重要的作用[2]。我國(guó)高度重視增材制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，先后出臺(tái)了《中國(guó)制造2025》《“十四五”智能制造發(fā)展規(guī)劃》《新產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化領(lǐng)航工程實(shí)施方案（2023─2035年）》等政策，從戰(zhàn)略布局與規(guī)劃、產(chǎn)業(yè)鏈合作與升級(jí)、關(guān)鍵技術(shù)與創(chuàng)新等多方面推動(dòng)增材制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[3-4]。而科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與博弈，歸根結(jié)底是人才的培養(yǎng)與競(jìng)爭(zhēng)，增材制造技術(shù)的發(fā)展依托于專業(yè)人才的培育。根據(jù)《Wohlers Report 2022》統(tǒng)計(jì)報(bào)告，增材制造行業(yè)目前人才缺口近20萬(wàn)。因而，培育契合行業(yè)產(chǎn)業(yè)需求的增材制造專業(yè)工程師人才迫在眉睫。

當(dāng)前，基于增材制造技術(shù)的職業(yè)教學(xué)主要以企業(yè)內(nèi)部培訓(xùn)為主，但由于各企業(yè)的生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)特點(diǎn)及企業(yè)間存在的商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)題，這些內(nèi)部培訓(xùn)往往是對(duì)已經(jīng)具備基礎(chǔ)專業(yè)知識(shí)的技術(shù)人員進(jìn)行細(xì)分技術(shù)的能力提升，并未達(dá)到向增材制造領(lǐng)域輸送工程師人才的目標(biāo)，所以，有針對(duì)性地培育增材制造專業(yè)工程師還是要依托于高校的人才培養(yǎng)體系[5]。為此，2021年，教育部在《普通高等學(xué)校本科專業(yè)目錄》中新增了增材制造工程（080217T）本科專業(yè)，從專業(yè)建設(shè)角度出發(fā)為增材制造行業(yè)提供人才保證和智力支持。

增材制造工程是典型的交叉學(xué)科專業(yè)[6]，在專業(yè)課程設(shè)置上涉及機(jī)械、電子、材料、光學(xué)等多個(gè)學(xué)科的基礎(chǔ)知識(shí)。由于專業(yè)建設(shè)時(shí)間短，全國(guó)目前僅有18所高校開設(shè)了增材制造工程專業(yè)（部分院校雖已獲批專業(yè)，但還未開始招生），相關(guān)課程體系建設(shè)還有較大的優(yōu)化空間，尤其是在實(shí)驗(yàn)實(shí)踐課程方面，需要根據(jù)配套設(shè)備的類型制定專門的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案，所培養(yǎng)學(xué)生的工程應(yīng)用方向也會(huì)有所區(qū)別。因此，如何汲取各學(xué)科與增材制造技術(shù)的交叉知識(shí)點(diǎn)、科學(xué)合理地設(shè)置實(shí)驗(yàn)實(shí)踐內(nèi)容、培養(yǎng)貼合實(shí)際應(yīng)用需求的工程師人才成為目前高校亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題[7]。蚌埠學(xué)院是一所典型的地方應(yīng)用型高校，是全國(guó)第二批獲準(zhǔn)開設(shè)增材制造專業(yè)的本科院校，于2022年開始該專業(yè)的招生工作。教學(xué)團(tuán)隊(duì)依托學(xué)校的專業(yè)基礎(chǔ)及合作企業(yè)的用人需求調(diào)研，從專業(yè)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)的角度，結(jié)合日常教學(xué)工作過(guò)程中的總結(jié)，探討增材制造工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐課程的整體規(guī)劃與教學(xué)設(shè)計(jì)，以期為增材制造行業(yè)的工程師人才培養(yǎng)提供參考方案。

二、增材制造工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐課程教學(xué)存在的主要問(wèn)題

經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的教學(xué)實(shí)踐與改革，大部分傳統(tǒng)學(xué)科專業(yè)的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)體系已經(jīng)處于比較穩(wěn)定的狀態(tài)[8]，各個(gè)院校之間的差異性并不大。但增材制造工程專業(yè)由于設(shè)立時(shí)間較短，現(xiàn)有院校間的交流有限，基本處于“摸著石頭過(guò)河”的狀態(tài)，這雖然在一定程度上有助于實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)的創(chuàng)新，但在專業(yè)建設(shè)過(guò)程中容易導(dǎo)致發(fā)展不均衡及培養(yǎng)的學(xué)生差異性過(guò)大等問(wèn)題，不能有效集中現(xiàn)有資源高效地為社會(huì)輸送具備增材制造技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用能力的工程師人才。在實(shí)際教學(xué)中，增材制造專業(yè)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐課程主要存在以下問(wèn)題。

（一）實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)團(tuán)隊(duì)缺少工程背景

增材制造技術(shù)目前最為核心的應(yīng)用集中在工業(yè)需求上，尤其是航空航天、高端裝備制造等領(lǐng)域所需的高分子材料及金屬材料制件的加工成型[9]，而行業(yè)的用人需求也主要集中在此，因此，高校在教學(xué)方面應(yīng)向增材制造技術(shù)在工業(yè)場(chǎng)景中的應(yīng)用傾斜。在現(xiàn)有課程體系中，理論課程可以通過(guò)參觀、走訪、交流及學(xué)習(xí)專業(yè)書籍等來(lái)進(jìn)行教學(xué)準(zhǔn)備，而實(shí)驗(yàn)實(shí)踐環(huán)節(jié)是對(duì)增材制造技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用能力的鍛煉，要想達(dá)到培育行業(yè)所需工程師人才的目標(biāo)，實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)團(tuán)隊(duì)本身就要具備相當(dāng)體量的知識(shí)儲(chǔ)備和較為豐富的操作經(jīng)驗(yàn)。而現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)團(tuán)隊(duì)中具有工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)的教師較少，僅通過(guò)少量的或拆分的小項(xiàng)目了解新興技術(shù)，課程內(nèi)容偏向于教師的個(gè)人科研方向，無(wú)法以點(diǎn)蓋面，尤其是實(shí)驗(yàn)實(shí)踐過(guò)程中出現(xiàn)各類問(wèn)題時(shí)不能在課堂上及時(shí)解決，造成了教學(xué)內(nèi)容不充足、不完善，學(xué)生對(duì)于專業(yè)技術(shù)的理解也存在缺陷。

（二）實(shí)驗(yàn)教學(xué)課時(shí)少且儀器設(shè)備臺(tái)套數(shù)不足

增材制造技術(shù)涉及的細(xì)分技術(shù)常見的有5～8種，如FDM（熔融沉積）、SLA（立體光刻）、SLS/SLM（選區(qū)激光燒結(jié)/融化）、LDM（激光熔覆）等，雖然成型原理上同出一轍，但在材料、能量源、成型機(jī)理、后處理、應(yīng)用場(chǎng)景等方面存在較大差異[10]。要想把理論課程所學(xué)轉(zhuǎn)化為實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，需要大量的練習(xí)時(shí)間，因此，實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)不能僅增加一定的學(xué)時(shí)，還需要根據(jù)理論課程進(jìn)度實(shí)時(shí)安排實(shí)驗(yàn)實(shí)踐訓(xùn)練，及時(shí)將書本知識(shí)轉(zhuǎn)化為實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。同時(shí)，由于增材制造技術(shù)細(xì)分為若干方向，實(shí)驗(yàn)實(shí)踐課程所需的儀器設(shè)備種類較多，尤其是貴重的工業(yè)級(jí)大型儀器設(shè)備[11]，一般只配有一套，并且實(shí)驗(yàn)過(guò)程所需的常規(guī)耗材與其他學(xué)科設(shè)備相比價(jià)格也更高，因此，如何通過(guò)合理的實(shí)驗(yàn)教學(xué)課時(shí)安排及有限的實(shí)驗(yàn)教學(xué)經(jīng)費(fèi)投入讓每名學(xué)生都能進(jìn)行有效練習(xí)，是增材制造專業(yè)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐課程教學(xué)過(guò)程中的重難點(diǎn)問(wèn)題。

（三）實(shí)驗(yàn)課程的“承上啟下”功能弱

實(shí)驗(yàn)實(shí)踐的重點(diǎn)在于發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并解決問(wèn)題，而不是按照操作流程一成不變地完成預(yù)定任務(wù)。在以往的專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程中，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要是針對(duì)所開設(shè)的課程進(jìn)行普適性驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)過(guò)程單調(diào)，學(xué)生往往只是機(jī)械式地重復(fù)教師的操作，有的甚至僅作為旁觀者看著教師操作。例如，“材料力學(xué)”課程中的拉伸實(shí)驗(yàn)大多使用鑄鐵或低碳鋼標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)[12]，得到常見的應(yīng)力——應(yīng)變曲線，即完成實(shí)驗(yàn);“金屬材料及熱處理”課程中的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目主要為碳鋼的硬度和熱處理實(shí)驗(yàn)[13-14]，實(shí)驗(yàn)材料都是常規(guī)且一成不變的。這些課程的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)缺少承上啟下的連貫性，課程結(jié)束后學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的遺忘速度很快。增材制造技術(shù)的實(shí)際操作過(guò)程在應(yīng)用企業(yè)中已經(jīng)形成了比較完整的規(guī)程，如材料的選擇、原材料質(zhì)量檢測(cè)、CAD/CAE設(shè)計(jì)分析、加工前/后處理、加工工藝參數(shù)設(shè)置及成型件質(zhì)量檢測(cè)等環(huán)節(jié)都有較為詳細(xì)的內(nèi)部資料，且整個(gè)過(guò)程是互相關(guān)聯(lián)的。因此，如何將這些正在使用的實(shí)際生產(chǎn)測(cè)試方案與實(shí)驗(yàn)實(shí)踐課程內(nèi)容相結(jié)合，把專業(yè)課程從實(shí)驗(yàn)實(shí)踐角度從前往后串聯(lián)起來(lái)，成為了增材制造專業(yè)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐課程規(guī)劃與教學(xué)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

三、增材制造工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐課程規(guī)劃

2023年，中華人民共和國(guó)人力資源和社會(huì)保障部聯(lián)合工業(yè)和信息化部制定并發(fā)布了《增材制造工程技術(shù)人員國(guó)家職業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（2023年版）》（以下簡(jiǎn)稱“標(biāo)準(zhǔn)”）[15]，明確了增材制造技術(shù)開發(fā)、增材制造技術(shù)應(yīng)用2個(gè)職業(yè)方向和每個(gè)方向?qū)?yīng)的初、中、高3個(gè)等級(jí)，以及各等級(jí)專業(yè)技術(shù)人員的工作領(lǐng)域、工作內(nèi)容、專業(yè)能力和實(shí)踐要求。其中，增材制造技術(shù)開發(fā)包括設(shè)計(jì)與制造裝備、開發(fā)軟件與控制系統(tǒng)、研發(fā)材料與工藝3個(gè)職業(yè)功能;增材制造技術(shù)應(yīng)用包括設(shè)計(jì)產(chǎn)品與數(shù)據(jù)處理、應(yīng)用工藝與生產(chǎn)運(yùn)維、后處理與檢驗(yàn)產(chǎn)品制造質(zhì)量3個(gè)職業(yè)功能。由于“標(biāo)準(zhǔn)”是基于行業(yè)、企業(yè)和院校的大量實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)撰寫的，其本身就是產(chǎn)業(yè)用人需求的充分解讀，因此，只有在有效結(jié)合“標(biāo)準(zhǔn)”要求的基礎(chǔ)上進(jìn)行增材制造工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐課程的規(guī)劃，才能更加貼近培養(yǎng)工程師人才的目標(biāo)。

（一）基于“標(biāo)準(zhǔn)”的專業(yè)課程總體規(guī)劃

蚌埠學(xué)院作為典型的地方應(yīng)用型高校，教育教學(xué)的主要目標(biāo)就是培養(yǎng)行業(yè)所需的應(yīng)用型人才，因此，增材制造工程專業(yè)的學(xué)生在畢業(yè)時(shí)應(yīng)具備較為扎實(shí)的增材制造技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)，可以較好地結(jié)合所在行業(yè)需求開展一定的技術(shù)應(yīng)用與融合工作，促進(jìn)增材制造技術(shù)的推廣使用[16]。根據(jù)“標(biāo)準(zhǔn)”中的專業(yè)技術(shù)考核要求，在完成128課時(shí)的有關(guān)課程培訓(xùn)后，具備相關(guān)專業(yè)大學(xué)本科及以上學(xué)歷（含在讀的應(yīng)屆本科生）就可以直接申報(bào)增材制造工程初級(jí)專業(yè)技術(shù)等級(jí)。所以，在增材制造工程專業(yè)人才培養(yǎng)方案中明確該專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)為：面向增材制造行業(yè)培養(yǎng)具備增材制造技術(shù)應(yīng)用能力和產(chǎn)品研發(fā)與設(shè)計(jì)能力的初級(jí)工程技術(shù)人才。在專業(yè)課程的規(guī)劃中應(yīng)包含“標(biāo)準(zhǔn)”要求的制造工程、材料與力學(xué)、電子工程與控制工程等方面的基礎(chǔ)理論知識(shí)，然后在此基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)實(shí)踐課程的具體規(guī)劃。

目前，已規(guī)劃的增材制造工程專業(yè)的主要課程有26門，其中，“畫法幾何及機(jī)械制圖”“C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)”“工程力學(xué)”“電工電子技術(shù)”“互換性與技術(shù)測(cè)量”“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”“材料科學(xué)基礎(chǔ)”“傳熱學(xué)”為專業(yè)基礎(chǔ)課程，在課程內(nèi)容設(shè)置上需要適當(dāng)引入增材制造技術(shù)或以增材制造技術(shù)為背景開展教學(xué)，不能完全延續(xù)既有的課程大綱;“金屬材料及熱處理”“增材制造原理”“增材制造工藝”“機(jī)械制造技術(shù)”“增材制造仿真技術(shù)”“增材制造過(guò)程檢測(cè)與控制”“材料表面處理技術(shù)”為專業(yè)必修課程，總學(xué)時(shí)共計(jì)304課時(shí)，其中實(shí)驗(yàn)實(shí)踐學(xué)時(shí)44課時(shí)，占比為14.47%，課程涵蓋增材制造技術(shù)的主要教學(xué)內(nèi)容，要求學(xué)生通過(guò)學(xué)習(xí)能夠具備增材制造技術(shù)的基本應(yīng)用能力;“3D建模技術(shù)”“逆向工程技術(shù)”“單片機(jī)程序設(shè)計(jì)與硬件實(shí)現(xiàn)”“激光原理與技術(shù)”“粉末冶金原理”為專業(yè)限選課程，總學(xué)時(shí)共計(jì)160課時(shí)，其中實(shí)驗(yàn)實(shí)踐學(xué)時(shí)44課時(shí)，占比為27.50%，課程內(nèi)容包括結(jié)合增材制造技術(shù)開展應(yīng)用的輔助知識(shí)點(diǎn)，以及專業(yè)設(shè)備的組成等;“機(jī)械制圖零件測(cè)繪”“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)”“工程訓(xùn)練”“金相科學(xué)創(chuàng)新綜合訓(xùn)練”“機(jī)械制造技術(shù)課程設(shè)計(jì)”“增材制造綜合實(shí)訓(xùn)”為專業(yè)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐課程，側(cè)重點(diǎn)為增材制造技術(shù)的具體應(yīng)用，重點(diǎn)考查學(xué)生的動(dòng)手能力。現(xiàn)有課程的設(shè)置參考了機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化、材料成型及控制工程等專業(yè)的課程規(guī)劃方案，并結(jié)合“標(biāo)準(zhǔn)”中的增材制造技術(shù)應(yīng)用初級(jí)知識(shí)要求進(jìn)行了專業(yè)課程的增補(bǔ)。

（二）各專業(yè)課程實(shí)驗(yàn)實(shí)踐環(huán)節(jié)對(duì)應(yīng)“標(biāo)準(zhǔn)”專業(yè)能力要求

增材制造工程專業(yè)課程體系中有17門專業(yè)課程具有實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，實(shí)驗(yàn)總學(xué)時(shí)142課時(shí)，另有6門集中的專業(yè)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐課程，實(shí)踐環(huán)節(jié)總學(xué)時(shí)14周，實(shí)驗(yàn)實(shí)踐課程的內(nèi)容設(shè)置參照“標(biāo)準(zhǔn)”中增材制造技術(shù)應(yīng)用初級(jí)專業(yè)能力要求進(jìn)行了對(duì)應(yīng)，并且部分專業(yè)課程的內(nèi)容還在“標(biāo)準(zhǔn)”基礎(chǔ)上進(jìn)行了擴(kuò)充，有助于學(xué)生在實(shí)習(xí)、就業(yè)階段能夠快速適應(yīng)企業(yè)實(shí)際需求。學(xué)生通過(guò)系統(tǒng)的理論知識(shí)學(xué)習(xí)及實(shí)驗(yàn)實(shí)踐操作，初步具備增材制造制件的設(shè)計(jì)及三維數(shù)據(jù)處理能力、增材制造典型產(chǎn)品生產(chǎn)的具體工藝參數(shù)設(shè)置和調(diào)整能力、增材制造專業(yè)設(shè)備的基本操作維護(hù)能力、增材制造制件后處理加工能力及增材制造制件的質(zhì)量檢驗(yàn)?zāi)芰Γ梢蚤_展基于增材制造技術(shù)的零部件原型設(shè)計(jì)或逆向建模、根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)材料等調(diào)整優(yōu)化生產(chǎn)工藝參數(shù)、獨(dú)立完成大型設(shè)備的基礎(chǔ)操作及打印、進(jìn)行設(shè)備的基礎(chǔ)維護(hù)與檢修、針對(duì)不同的打印制件進(jìn)行后處理工藝選擇及基本的模型后處理、進(jìn)行基本的制件力學(xué)性能檢測(cè)和表面質(zhì)量檢測(cè)等工作。

（三）各專業(yè)課程實(shí)驗(yàn)實(shí)踐環(huán)節(jié)的連貫性體現(xiàn)

增材制造工程專業(yè)課程的關(guān)聯(lián)圖如圖1所示。各課程的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐環(huán)節(jié)與課程關(guān)聯(lián)性一致，在進(jìn)行具體實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容的規(guī)劃時(shí)，除去基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)外，應(yīng)重點(diǎn)結(jié)合增材制造技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用開展相關(guān)教學(xué)，以此促進(jìn)專業(yè)知識(shí)的有效融合，形成教學(xué)閉環(huán)。如“互換性與技術(shù)測(cè)量”課程的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中設(shè)有制件三坐標(biāo)接觸測(cè)量與數(shù)據(jù)檢測(cè)、制件表面粗糙度及輪廓度測(cè)量等，當(dāng)學(xué)生掌握測(cè)量設(shè)備的使用方法后，在后續(xù)進(jìn)行增材制造制件測(cè)量時(shí)就可以直接操作，避免重復(fù)教學(xué);在“金屬材料及熱處理”課程的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中進(jìn)行金屬?gòu)?fù)合材料維氏硬度測(cè)量實(shí)驗(yàn)，在工程訓(xùn)練中加入激光熔覆軸類零件的機(jī)械加工等，有效結(jié)合增材制造后處理需求開展教學(xué)，把以往的課程實(shí)驗(yàn)作為后續(xù)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐的基礎(chǔ)或鋪墊，增強(qiáng)各實(shí)驗(yàn)實(shí)踐環(huán)節(jié)的關(guān)聯(lián)性與連貫性。

四、增材制造工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐課程教學(xué)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)實(shí)踐課程的教學(xué)設(shè)計(jì)應(yīng)首先考慮增材制造技術(shù)的應(yīng)用特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)景，尤其要把企業(yè)正在使用的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、技術(shù)手段等轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。而在轉(zhuǎn)化的過(guò)程中要格外注意避免陷入傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)設(shè)計(jì)的誤區(qū)。①盲目推崇新技術(shù)，致使學(xué)生誤以為增材制造技術(shù)可以完全替代傳統(tǒng)加工技術(shù)，或是認(rèn)為增材制造技術(shù)是一種萬(wàn)能加工技術(shù);②對(duì)增材制造技術(shù)的應(yīng)用了解不充分，造成信息偏差，如增材制造技術(shù)發(fā)展初期主要應(yīng)用于樣機(jī)試制等小批量、高附加值加工方面，而目前增材制造技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到可適用于零部件批量化生產(chǎn)的狀態(tài);③缺少設(shè)計(jì)準(zhǔn)則引導(dǎo)，在零部件的設(shè)計(jì)上還沿用機(jī)械加工、注塑等傳統(tǒng)工藝的設(shè)計(jì)要求，不能有效結(jié)合增材制造技術(shù)特點(diǎn)設(shè)計(jì)相應(yīng)零部件，如實(shí)驗(yàn)實(shí)踐過(guò)程中需要設(shè)計(jì)的零部件通過(guò)傳統(tǒng)機(jī)加工手段和增材制造技術(shù)都可以實(shí)現(xiàn)，那么學(xué)生對(duì)于新技術(shù)特點(diǎn)的理解就容易片面化。因此，為避免上述問(wèn)題，針對(duì)增材制造專業(yè)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐課程的教學(xué)主要進(jìn)行了如下設(shè)計(jì)。

（一）案例式教學(xué)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，重點(diǎn)在于發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、思考問(wèn)題，然后嘗試解決問(wèn)題，并且在教學(xué)過(guò)程中要讓學(xué)生明白不是所有實(shí)驗(yàn)都會(huì)一次成功或是得到非常理想的數(shù)據(jù)和效果。在進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)，教師需要及時(shí)總結(jié)日常科研工作中獲取的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合理論知識(shí)轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例[17]，通過(guò)對(duì)不同案例的過(guò)程和結(jié)果進(jìn)行比較分析，學(xué)生了解在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中容易出現(xiàn)的問(wèn)題，并認(rèn)真思考哪些地方可以改進(jìn)。

例如，在“增材制造原理”課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師會(huì)提供由不同增材制造細(xì)分技術(shù)所制作的同一種零部件，讓學(xué)生判斷這些零部件分別是由哪種技術(shù)制作并說(shuō)明理由，教師再結(jié)合學(xué)生的判斷情況進(jìn)行評(píng)價(jià)、講解，以此加深學(xué)生對(duì)各種技術(shù)原理的理解和掌握。如基于FDM技術(shù)的制件是將絲狀材料通過(guò)高溫噴嘴融化后進(jìn)行堆疊成型，因此具有較為明顯的階梯層紋;基于SLA技術(shù)的制件是將液態(tài)的光敏樹脂材料通過(guò)激光掃描凝固成型，因此表面較為光滑;基于SLS技術(shù)的制件是將粉末狀材料通過(guò)激光掃描燒結(jié)成型，因此拿到手上會(huì)有細(xì)微的顆粒感。在“增材制造工藝”課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師會(huì)針對(duì)不同工藝參數(shù)提供一組制件，包括有明顯缺陷的制件（這些制件是在以往科研工作或?qū)W生實(shí)踐過(guò)程中由于參數(shù)設(shè)置問(wèn)題而出現(xiàn)了一定的缺陷，如翹曲變形、開裂、填充不完整等），以此說(shuō)明針對(duì)不同的材料及產(chǎn)品特征，相關(guān)的工藝參數(shù)都需要進(jìn)行調(diào)整才能達(dá)到理想效果。

（二）交叉學(xué)科教學(xué)設(shè)計(jì)

增材制造工程專業(yè)涉及材料、機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)、光學(xué)等多學(xué)科的交叉知識(shí)，因此，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)避免傳統(tǒng)、單一的教學(xué)內(nèi)容，并且需要貼合實(shí)際應(yīng)用開展具有針對(duì)性的實(shí)驗(yàn)。例如，“工程力學(xué)”實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容中的拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)、沖擊等測(cè)試，可以采用基于FDM、SLS、SLM等技術(shù)制作的塑料、金屬標(biāo)準(zhǔn)試樣，選用的具體材料根據(jù)科研工作需要或企業(yè)生產(chǎn)測(cè)試需求進(jìn)行調(diào)整（如復(fù)合粉末材料在研發(fā)過(guò)程中需要測(cè)試不同比例粉末的添加對(duì)于制件力學(xué)性能的影響），或利用不同的制造工藝參數(shù)進(jìn)行制件加工測(cè)試，這樣一方面解決了單一材料重復(fù)驗(yàn)證的枯燥問(wèn)題，另一方面降低了學(xué)生復(fù)制粘貼實(shí)驗(yàn)報(bào)告的可能性，同時(shí)，通過(guò)日常的教學(xué)活動(dòng)還可以輔助科研數(shù)據(jù)的采集。

在“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”“電工電子技術(shù)”“激光原理與技術(shù)”等課程的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中，除了普適性的基本實(shí)驗(yàn)外，還需要體現(xiàn)結(jié)合增材制造設(shè)備實(shí)現(xiàn)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，如滾珠絲桿傳動(dòng)、帶傳動(dòng)、擠出機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)、嵌入式程序編寫執(zhí)行、紅外測(cè)溫、圖像識(shí)別、激光測(cè)距、激光傳導(dǎo)等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，讓學(xué)生在專業(yè)基礎(chǔ)課程的學(xué)習(xí)過(guò)程中就能逐步了解、掌握增材制造設(shè)備的構(gòu)架，有助于后期的專業(yè)必修課程學(xué)習(xí)及專業(yè)實(shí)踐應(yīng)用。

（三）項(xiàng)目式教學(xué)設(shè)計(jì)

在以往的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生在完成設(shè)備操作的學(xué)習(xí)后，開始進(jìn)行制件打印，但選取的打印一般是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)查找一些既有的模型文件，這些模型都相對(duì)簡(jiǎn)單，偏向于擺件、玩具，而打印自己設(shè)計(jì)的產(chǎn)品的學(xué)生微乎其微。對(duì)于其他專業(yè)的學(xué)生開展這類的應(yīng)用技術(shù)普及教學(xué)尚能滿足需求，但針對(duì)增材制造工程專業(yè)的學(xué)生，其僅可作為專業(yè)入門的要求。因此，增材制造工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐內(nèi)容的設(shè)計(jì)需要具有一定的挑戰(zhàn)性，可在實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中引入項(xiàng)目式設(shè)計(jì)與考核[18]，項(xiàng)目的來(lái)源主要是教師正在進(jìn)行的縱、橫向科研項(xiàng)目，企業(yè)的設(shè)計(jì)研發(fā)需求，以往的省級(jí)及以上大型比賽試題及大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目等。

例如，“增材制造綜合實(shí)訓(xùn)”實(shí)踐環(huán)節(jié)中，要求學(xué)生進(jìn)行分組，一般6～8人為一組，由各學(xué)生團(tuán)隊(duì)自主選擇感興趣的方向開展實(shí)訓(xùn)，主要涉及3個(gè)細(xì)分方向：①基于FDM技術(shù)（或SLA技術(shù)）的打印制件設(shè)計(jì)與組裝，該部分由各組學(xué)生基于給定的關(guān)鍵詞進(jìn)行自行討論、設(shè)計(jì)并打印制件，根據(jù)制件設(shè)計(jì)的合理性、成型的效果、配合安裝情況、設(shè)備軟件的操作熟練度及團(tuán)隊(duì)協(xié)作情況進(jìn)行評(píng)分，給予總體難度系數(shù)0.9～1.0;②基于SLS技術(shù)的高分子材料制件設(shè)計(jì)與打印，該部分主要以大型比賽的試題或企業(yè)的設(shè)計(jì)需求為選題，結(jié)合制件設(shè)計(jì)與要求的契合程度、成型效果、設(shè)備及軟件的操作、成本分析及團(tuán)隊(duì)協(xié)作情況進(jìn)行打分，給予總體難度系數(shù)0.95～1.05;③基于SLM技術(shù)（或LDM技術(shù)）的金屬材料制件打印與分析，這一部分主要的選題內(nèi)容為教師及合作企業(yè)正在開展的科研項(xiàng)目，對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的有效性、打印完成情況、設(shè)備及軟件操作的規(guī)范性、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析和團(tuán)隊(duì)協(xié)作情況進(jìn)行評(píng)價(jià)，給予總體難度系數(shù)1.0～1.1。實(shí)訓(xùn)的最終成績(jī)按照式（1）進(jìn)行核定，具體的實(shí)踐內(nèi)容也可以進(jìn)一步凝練成畢業(yè)設(shè)計(jì)選題，實(shí)現(xiàn)理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)的閉環(huán)。

Si=∑ AijBijK1K2（i=1，2，3）" " " " " " " " " 式（1）

式（1）中，Si為“增材制造綜合實(shí)訓(xùn)”總成績(jī)，百分制;i為所選擇的實(shí)訓(xùn)方向;Aij為各方向細(xì)分過(guò)程的評(píng)分，百分制;Bij為各個(gè)過(guò)程的分?jǐn)?shù)占總分?jǐn)?shù)的比值;K1為所選擇方向的難度系數(shù)（取值范圍0.9～1.1）;K2為安全系數(shù)（取值范圍0.8～1.0，用于評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐過(guò)程中是否出現(xiàn)未正確佩戴口罩、手套，隨意打開粉末成型腔艙門等未按照安全規(guī)范開展操作的問(wèn)題）。

五、實(shí)踐過(guò)程中的進(jìn)一步思考

蚌埠學(xué)院作為一所典型的地方應(yīng)用型高校，自2015年開始就開設(shè)了“逆向工程與快速成型技術(shù)”課程，并包含相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，截至2023年12月，共計(jì)完成近3 000名專業(yè)學(xué)生的教學(xué)工作。2019年，學(xué)校正式成立了3D打印創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室，并連續(xù)5年開展暑期小學(xué)期工程創(chuàng)新訓(xùn)練，共吸引來(lái)300余名不同學(xué)科專業(yè)的學(xué)生集中進(jìn)行增材制造技術(shù)的學(xué)習(xí)與應(yīng)用，積累了較為豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)室建立后，在2019年與湖南華曙高科技股份有限公司合作共建了3D打印產(chǎn)業(yè)學(xué)院;在2022年與安徽煜宸激光技術(shù)有限公司聯(lián)合共建安徽省增材制造工程研究中心，同年獲教育部批準(zhǔn)開設(shè)增材制造工程專業(yè)（當(dāng)年全國(guó)共計(jì)有8所本科院校開設(shè)該專業(yè)）。目前，該專業(yè)已有2022、2023級(jí)共2個(gè)班106名學(xué)生在讀。在增材制造工程專業(yè)建設(shè)及學(xué)生培養(yǎng)過(guò)程中，現(xiàn)有教學(xué)團(tuán)隊(duì)通過(guò)積極的實(shí)踐不斷積累教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，及時(shí)修正、完善教學(xué)過(guò)程中反饋不佳的環(huán)節(jié)，響應(yīng)學(xué)生所需、企業(yè)所求。為進(jìn)一步提升后續(xù)課程的教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)效果，還需在以下方面持續(xù)建設(shè)、優(yōu)化。

（一）教學(xué)團(tuán)隊(duì)建設(shè)

在專業(yè)建設(shè)過(guò)程中，現(xiàn)有增材制造專業(yè)教學(xué)團(tuán)隊(duì)主要是從機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化、材料成型及控制工程2個(gè)專業(yè)中抽調(diào)的在既有科研方向上向增材制造技術(shù)傾斜的教師，教學(xué)團(tuán)隊(duì)目前有專兼職教授3人、副教授2人、講師6人。其中，30～40歲占比為63.64%，40～50歲占比為36.36%，具有企業(yè)工作經(jīng)驗(yàn)的教師占為比45.45%、雙師雙能型教師占比為90.90%。教學(xué)團(tuán)隊(duì)相比其他學(xué)科專業(yè)教學(xué)團(tuán)隊(duì)，年輕化趨勢(shì)明顯，在教科研工作方面積極性較高，對(duì)于新興產(chǎn)業(yè)、技術(shù)接受速度快，但在理論基礎(chǔ)方面相較于其他團(tuán)隊(duì)偏弱，尤其是在增材制造技術(shù)在高端制造業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用方面缺少實(shí)際經(jīng)驗(yàn)。因此，一方面，教學(xué)團(tuán)隊(duì)后續(xù)還將持續(xù)引進(jìn)高層次及具有工程應(yīng)用背景的人才填補(bǔ)專業(yè)需求;另一方面，持續(xù)通過(guò)合作企業(yè)引入兼職教師，同時(shí)持續(xù)安排教學(xué)團(tuán)隊(duì)進(jìn)入企業(yè)學(xué)習(xí)，通過(guò)團(tuán)隊(duì)人員的輪換交流，進(jìn)一步加深合作，有效促進(jìn)專業(yè)人才培養(yǎng)貼合企業(yè)實(shí)際用人需求。

（二）專業(yè)方向與特色凝練

增材制造技術(shù)的應(yīng)用非常廣泛，高校要想培養(yǎng)復(fù)合全能型人才仍需要較長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)積累，因此，針對(duì)現(xiàn)有合作企業(yè)的需求開展具有一定傾向性的專業(yè)教學(xué)及專業(yè)特色凝練有助于學(xué)生快速進(jìn)入工作角色，也有助于學(xué)生在步入專業(yè)實(shí)習(xí)階段后可以快速對(duì)接企業(yè)崗位。目前，結(jié)合既有教科研工作方向和企業(yè)需求，蚌埠學(xué)院增材制造工程專業(yè)細(xì)分方向從應(yīng)用角度可分為：①增材制造復(fù)合材料研發(fā)及性能測(cè)試;②制件原型設(shè)計(jì)、再設(shè)計(jì)及制件輕量化設(shè)計(jì);③增材制造成型工藝參數(shù)多目標(biāo)優(yōu)化（涵蓋成型制件的后處理、表面質(zhì)量、組織分析、力學(xué)性能等）。這些方向與企業(yè)的生產(chǎn)應(yīng)用相輔相成，不占用企業(yè)的正常生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)時(shí)間。但是，受限于大一、大二學(xué)生還未深入涉及增材制造工程專業(yè)知識(shí)的學(xué)習(xí)，部分工作仍由教學(xué)團(tuán)隊(duì)分散開展，暫未形成一定規(guī)模。后續(xù)通過(guò)高校人才培養(yǎng)體系的介入，采用目標(biāo)導(dǎo)向的項(xiàng)目式教學(xué)，深入研究實(shí)際需求方向上的細(xì)節(jié)問(wèn)題，可以有效補(bǔ)足企業(yè)研發(fā)過(guò)程中的短板，逐漸形成明確的專業(yè)特色方向。

（三）實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)方式與實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)條件的進(jìn)一步優(yōu)化

一方面，現(xiàn)有專業(yè)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐課程依據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)備數(shù)量及實(shí)驗(yàn)室面積等客觀因素，一般將1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)班（60人）分為2組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，雖然在一定程度上可以滿足學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)進(jìn)行實(shí)際操作的需要，但僅限于配置多套的小型設(shè)備的使用，一旦涉及單臺(tái)套大型儀器設(shè)備的操作時(shí)，現(xiàn)有課時(shí)就會(huì)明顯不足，學(xué)生動(dòng)手操作的機(jī)會(huì)變少，導(dǎo)致部分學(xué)生出現(xiàn)懈怠。結(jié)合以往課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)總結(jié)，在增材制造工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐課程涉及的儀器設(shè)備中，F(xiàn)DM桌面式打印機(jī)最容易開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)，設(shè)備價(jià)格也不高，一般高校都可以滿足20臺(tái)以上的配備，但基于SLS、SLM、LDM等技術(shù)的大型工業(yè)儀器設(shè)備，部分高校只配有1套，如果再延續(xù)以往的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式就難以保證教學(xué)質(zhì)量。另一方面，增材制造技術(shù)在應(yīng)用過(guò)程中還涉及切割、打磨拋光、制件檢測(cè)等一系列后處理環(huán)節(jié)，不能把實(shí)驗(yàn)實(shí)踐課程定義到打印完成就結(jié)束了，而是要延續(xù)到最終的制件成型。因此，綜合既有經(jīng)驗(yàn)，后續(xù)的實(shí)踐過(guò)程可以向以下方向進(jìn)行優(yōu)化：①在現(xiàn)有設(shè)備基礎(chǔ)上，增加后處理及檢驗(yàn)檢測(cè)設(shè)備，尤其在臺(tái)套數(shù)方面應(yīng)盡可能滿足專業(yè)建設(shè)及學(xué)生操作需求，同時(shí)進(jìn)一步增加實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)所需的課時(shí)量;②從虛擬教學(xué)角度，配合企業(yè)研發(fā)大型儀器設(shè)備的虛擬操作平臺(tái)，要求學(xué)生在仿真環(huán)境中完成基礎(chǔ)的學(xué)習(xí)和操作，然后再進(jìn)入動(dòng)手實(shí)驗(yàn)實(shí)踐的環(huán)節(jié);③針對(duì)大型儀器設(shè)備的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，應(yīng)摒棄以往固定的教學(xué)時(shí)間段和過(guò)多的教學(xué)人數(shù)，采用小組模式，在完成基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)后進(jìn)行開放的項(xiàng)目式實(shí)驗(yàn)，由學(xué)生進(jìn)行思考、分析并提出實(shí)驗(yàn)方案，再進(jìn)行操作驗(yàn)證，這一過(guò)程中實(shí)驗(yàn)實(shí)踐課程總學(xué)時(shí)不變，但具體開始實(shí)驗(yàn)實(shí)踐的時(shí)間可以根據(jù)各組學(xué)生的準(zhǔn)備情況按順序開展，以此引入競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制[19]，提高學(xué)生的積極性。

六、結(jié)束語(yǔ)

增材制造技術(shù)作為國(guó)家層面的新興戰(zhàn)略技術(shù)，正隨著各行各業(yè)的廣泛應(yīng)用快速發(fā)展，行業(yè)用人缺口巨大，因此，增材制造工程專業(yè)應(yīng)運(yùn)而生。新專業(yè)在建設(shè)發(fā)展的過(guò)程中更加需要與時(shí)俱進(jìn)，在專業(yè)課程規(guī)劃，尤其是實(shí)驗(yàn)實(shí)踐課程規(guī)劃上需要跟隨技術(shù)發(fā)展的腳步不斷更新迭代，這不僅考驗(yàn)教師的專業(yè)知識(shí)儲(chǔ)備，更加考驗(yàn)教師的持續(xù)學(xué)習(xí)能力。面對(duì)新技術(shù)、新設(shè)備，教學(xué)團(tuán)隊(duì)要敢于迎難而上，直面挑戰(zhàn)，本著對(duì)學(xué)生負(fù)責(zé)的態(tài)度認(rèn)真思考如何通過(guò)短暫的大學(xué)4年培養(yǎng)出貼合增材制造行業(yè)實(shí)際需求的工程技術(shù)應(yīng)用人才;同時(shí)，還要牢記為黨育人、為國(guó)育才的初心使命，樹立“躬耕教壇、強(qiáng)國(guó)有我”的志向和抱負(fù)，自信自強(qiáng)、踔厲奮發(fā)，為強(qiáng)國(guó)建設(shè)、民族復(fù)興偉業(yè)做出新的更大貢獻(xiàn)[20]。

【參" "考" "文" "獻(xiàn)】

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編輯∕王力

【收稿日期】2024-03-20" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " 【修回日期】2024-04-22

【作者簡(jiǎn)介】王超，男，講師，研究方向?yàn)樵霾闹圃旒夹g(shù);丁國(guó)華，男，教授，博士，研究方向?yàn)椴牧铣尚图夹g(shù)與應(yīng)用;范恒亮，男，副教授，博士研究生，研究方向?yàn)樵霾闹圃旒夹g(shù)。

【基金項(xiàng)目】安徽省高等學(xué)校省級(jí)質(zhì)量工程教學(xué)研究項(xiàng)目“增材制造工程專業(yè)大型儀器設(shè)備實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究與實(shí)踐”（2022jyxm969）;安徽省高等學(xué)校省級(jí)質(zhì)量工程傳統(tǒng)專業(yè)改造提升項(xiàng)目“材料成型及控制工程專業(yè)改造提升項(xiàng)目”（2022zygzts066）;蚌埠市科技計(jì)劃項(xiàng)目“高性能煤機(jī)截齒激光強(qiáng)化裝備開發(fā)與關(guān)鍵技術(shù)研究”（2023gx09）