3D打印技术人才培养改革探索

曾亮华

摘 要 围绕3D打印技术专业人才培养进行探索，将其贯穿于整个人才培养周期，从大一至大四，在课程设置、专业实践、毕业设计等方面进行改革探索，旨在培养合格的3D打印技术人才。

关键词 3D打印；人才培养；智能制造；创客教育；课程体系；教学改革

中图分类号：G642.0 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2018）16-0097-03

1 前言

3D打印技术采用增材方式实现制造，在一定程度上能够颠覆传统的减材加工技术。因为它不受设计零件的复杂度影响，所以现代产品设计的思维模式需要改变。基于此，为适应新时代对3D打印技术专业人才的市场需求，开展3D打印技术人才培养的课程体系建设具有一定的探索意义。

《中国制造2025》明确提出将主攻智能制造，3D打印技术又是实现智能制造的革命性技术。如今，3D打印技术已快速发展并落地为一种强大的生产技术，而大多数设计工程师是在传统的减材制造教育中成长的，因此需要转换思维模式。3D打印技术能够完全释放设计师的自由度，设计产品不用再受加工制造技术的限制。华南理工大学杨永强教授因此提出制造改变设计的理念。高校作为设计人才的培养基地，为应对3D打印技术的发展，应适时开展为3D打印而设计的人才培养研究，探讨3D打印课程设置、实践环节、职业教育等如何开展，寻求适合市场需求的3D打印技术人才培养的切入口。

2 3D打印技术的政策支持

《中国制造2025》主攻智能制造，旨在推动制造过程智能化。3D打印又是传统制造走向智能制造的革命性技术。近年来，国家相关部门陆续出台相应的政策支持3D打印技术，确保其健康发展。2017年12月13日，工业和信息化部、发展改革委、教育部、公安部、财政部、商务部等12部门联合印发《增材制造产业发展行动计划（2017—2020年）》。2018年1月，国家知识产权局官网发布关于印发《知识产权重点支持产业目录（2018年本）》的通知。该《目录》中确定的10个重点产业中有三个提到3D打印产业的发展，分别为“3.智能制造产业：3.6增材制造”“4.新材料产业：

4.3先进结构材料（3D打印材料）”“8.先进生物产业：

8.1.4 3D生物打印”。

从近一两年国家发布的政策文件来看，3D打印技术将在新时期得到快速发展并能大显身手。另外，随着3D打印技术相关标准的制定，3D打印产业也将日趋规模变大且趋于完善。未来，3D打印技术人才的需求也将越来越大，对专业人才的要求也越来越高。

3 3D打印技术的当前高校需求

随着2016年我国加入华盛顿成员国，国内高校掀起工程教育国际认证的浪潮。工程教育认证中强调学生的实作技能，鼓励课程设计/毕业设计能出实际作品，鼓励学生以团队合作的形式完成，这是顶石（Capstone）的基本要求。3D打印技术是实现产品从电脑屏幕到实物最为便捷的方式，具有时间和成本优势，从而备受关注和学生喜爱。从专业认证的发展需求看，3D打印技术在高校中的应用将逐步扩大。

另外，国家提出大学人才培养定位改革，能够切实发挥3D打印技术的优势。首先，作为定位方向之一的应用型人才培养，其重点在于培养学生的创新思维，掌握最新的制造技术，清晰定位3D打印技术在产品制造工程中的角色和作用，使学生具备更灵活的思考方式和更先进的技术，能解决实际问题，未来也能更加靈活地就业。因此，应用型人才培养与3D打印技术关系密切。其次，在研究型人才培养定位中，诸多高校如清华大学、华中科技大学、北京航空航天大学、华南理工大学、西安交通大学、西北工业大学等都已经开展3D打印技术的研究工作，包括控制、软件、工艺、材料、设备等，取得相当的成绩，许多学生围绕3D打印技术开展相应的课题研究。从这点看，各种类型的高校都与3D打印技术具有一定的联系。

除了本科院校外，高职、专科学校也已经关联到3D打印技术。2015年，教育部印发《普通高等学校高等职业教育（专科）专业目录（2015年）》，明确列举了航空产品3D打印、增材制造技术等专业方向，旨在促使学校大力开展3D打印职业教育课程建设。

因此，在新背景下，开展3D打印技术人才的培养研究相当重要，高校如何培养能够满足社会需求的专业人才，值得探索。

4 3D打印技术课程设置改革探索

构建3D关联技术的课程体系 3D打印技术人才的培养需要建立相应的课程体系。3D打印技术以3D数字模型为基础，在工艺段前期关联到计算机3D建模、3D扫描技术等，打印过程中关联到工程材料、工艺优化、路径规划、质量监控等，打印后关联到公差与配合、3D测量技术、误差分析等。从知识体系上分析，3D打印技术涉及的课程类别较多，课程内容较广，且涉及的内容上不是单一构成的。

因此，首先基于3D打印技术的基本原理，构建三维建模、三维扫描—3D打印—3D测量的循环课程体系（如图1所示），是符合当前工科教育发展的。最典型的例子是教育部学校规划建设发展中心组织的全国应用型人才技能大赛，比赛程序明确要求学生掌握作品从理论创新思维、三维模型的建立与装配、三维扫描到最终的3D打印实物呈现，能够全面考核学生3D打印技术相关能力。因此，学生需要较好地掌握3D软件使用，完成设计模型的数字化；掌握逆向工程的点云处理、噪声点处理、模型拼接等技术；掌握公差测

量、工程测试、几何精度等知识。可以通过3D测量技术考查学生对打印精度的理解，并能进行相应的误差分析，进而找出原因，用于指导工艺的优化。

开展职业技能教育 3D打印技术作为一种先进的制造技术，学生要能够将其用于产品的生产中去，需要掌握3D打印的基础理论、3D打印材料、3D打印设备研发及操作实训等方面的一整套综合技能。因此，高校需要围绕3D打印技术开展职业技能教育及考证培训工作。综合考虑珠三角地区3D打印行业的发展及需求，关于3D打印技术的职业技能教育需要开设从技术基础—材料—工艺—设备等内容，如3D打印技术基础、3D打印成型材料、3D打印成型工艺及技术、3D打印设备的操作实训、3D打印产品的表面处理、3D打印设备保养及维修实训等系列课程，使学生得到全方位的知识补充与能力锻炼。同时要改革教学方式，落实理论与实践的充分融合，密切联系3D打印相应企业，真正实现培养的人才适应社会需求，实现理论与实践的零间隙、毕业与就业的零过渡。

5 3D打印技术教育教学改革探索

3D打印作为一种新兴技术，正逐步实现工程应用，延伸至诸多领域。它在影响设计者设计思维及设计方式的同时，也引起高校教师对教育教学方法等方面的思考。传统的产品设计模式、常规的教学方法、产品的制造方法可能因此而产生改变。3D打印技术人才的培养需要循序渐进，从大一至大四逐步加强学生对此技术的理解，逐步从科普讲座、创客教育等开始，先使学生明白3D打印技术的基本原理、应用场合等，再慢慢延伸至课程设计、毕业设计中去，以实现用3D打印技术制造实际产品。

开展科普讲座 科普讲座可以用来引导学生了解学科发展前沿、最新的技术前沿等，有利于提升学生学习的专业兴趣。针对一年级新生，开展新生专业教育活动，有助于学生了解机械工程的前沿技术及其发展，提高其对专业的认识及学习兴趣。利用珠海市社科学术活动周活动，开展3D/4D/5D打印技术的宣讲，包括：3D打印的基本原理、发展历史、基本分类、最新应用领域、国家的政策支持等；4D打印的基本原理、与3D打印的区别、潜在应用领域等；5D打印技术概念的提出、与4D打印的区别，应用领域等；3D打印技术未来的发展——XD技术概念。展示计算机3D软件技术的建模作品，并结合学校3D打印设备，实现电脑屏幕上的模型到实物的转化，给学生直观的认识。另外，通过概述性讲解，展示从实物到电脑屏幕，再通过3D打印技术实现实物的快速反求，可给学生一定的冲击，激起其好奇心。

开展创客教育 智能时代的到来，世界各国都将培养科技创新人才纳入国家核心战略。从人才培养战略性角度看，创客教育是一个必然的发展趋势。高校开展创客教育或设置创客空间，供学生将新颖的设计思维直接转化为实际可触摸的产品，关键之一在于3D打印技术的应用。

针对二年级学生，已经逐步开设计算机辅助设计、机械原理、机械设计等课程，学生可以参加全国机械创新设计大赛、应用型技能大赛等，这些竞赛都需要实物作品展示。因此，从二年级开始逐渐将学生引入创客空间实验室，开展3D打印作品的实作训练，为竞赛做好技能准备。通过竞赛作品的打印，学生能够更加清楚地认识3D打印技术，了解其工艺过程、工艺参数设置、模型的前处理、打印制件的后处理等，达到以赛促练的效果。

课程设计改革 高年级学生开始具有机械设计课程设计、机械制造装备课程设计等，传统的执行方式是学生在电脑上完成设计结构的三维模型和绘制相应的装配图、零件图。不少高校出于课时、安全、成本等各种因素考虑，学生真正利用传统的加工机床完成实物制作的少之又少，进而无法验证设计结构的合理性，也未能得到直观的认识。3D打印技术具有快速实现、安全等优势，因此考虑用3D打印技术来进行课程设计的实物制作，提升学生对设计结构的认识，是可行且十分需要的。通过课程设计的实物3D打印，学生一方面能够认识设计结构，另外一方面能够更深层次理解3D打印技术。

毕业设计改革 毕业设计作为对学生的综合考查，工科专业学生往往需要完成设计作品的实物制作，工程教育认证也明确要求一定的实物制作。学生可选择传统加工技术与3D打印技术结合，将设计结构实物展示于答辩现场。另外，对于高年级学生开展一定的3D打印工艺研究与实践，包括尺寸测量、误差分析、缺陷分析甚至轨迹优化等，对于提升学生对3D打印技術的理解是十分必要的。

6 结语

本文围绕3D打印技术展开，在分析国家3D打印支持政策和3D打印技术的高校需求后，从课程设置、教学改革两方面进行一定探索。将3D打印技术贯穿于大学生各个阶段进行相应的改革探索，旨在让学生在实践中理解3D打印技术的优势，切实提升学生的3D打印技术水平。