增材制造领域工程硕士专业基本能力培养方法

任维彬 雷卫宁 薛亚平 何庆

[摘 要] 针对当前增材制造领域工程硕士培养中存在的专业认知程度不深、工程基本能力不强等问题，深入发掘增材制造理念内涵与外延，强化锻炼工程思维与能力，严格夯实基础能力培养，切实提升工程创新能力。提出了“内涵深化—工程思维—基础涵盖—创新提升”的四维培养方法体系，提升该领域工程硕士培养能力和水平，提升该专业工程硕士的基本能力和工程创新能力。相关研究为应用型院校工程硕士专业基本能力的培养，提供理论依据和方法参考。

[关键词] 增材制造；工程硕士；专业基本能力；培养方法

[基金项目] 2018年度江苏省研究生教育教学改革项目“面向‘新工科’的硕士专业学位研究生工程实践教育体系与实践平台构建”（18&ZD076）

[作者简介] 任维彬（1983—），男，黑龙江鸡西人，工学博士，江苏理工学院机械工程学院讲师，硕士生导师，主要从事激光成形形状与性能控制研究；雷卫宁（1963—），男，江苏金湖人，工学博士，江苏理工学院机械工程学院研究生处处长，教授，硕士生导师，主要从事精密与特种加工研究。

[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 1674-9324（2022）02-0130-04 [收稿日期] 2021-08-19

引言

在“双一流”和高水平大学建设的新时期，作为教育结构中最高层次的研究生教育质量尤为重要，是国家高层次人才培养成败的关键[1]。近年来，增材制造专业领域工程硕士培养需求急剧增加，而该领域工程硕士培养阶段普遍存在新兴领域专业认知程度不深、工程基本能力培养不够等难点，体现在以下方面：（1）不能与传统的焊接成形与质量控制形成明显区分，无法体现专业特色；（2）工程理念及专业特点体现不充分，与学术硕士的差异性不明显，工程相关基本能力培养不足，工程创新能力培养弱化；（3）专业体系内涵与单纯增材制造工艺本身区分不明显，对于增材制造全工艺流程理解不充分。该领域工程硕士培养过程中亟待解决的问题。

针对上述问题，高校教育工作者开展了广泛而深入的研究，例如哈工大电子与信息工程学院采用“大师+科研团队”、科教融合、科研育人的专业人才培养模式[2]。四川大学匹兹堡学院与增材制造解决方案供应商Stratasys采用校企合作的方式，开展校企协同育人，探索和试点3D打印考试认证项目，推动增材制造教学实践[3]。北方民族大学陈宇红提出通过依托开放实验室，为研究生提供开放空间，利用实验室的设备资源优势，为研究生创新提供条件支撑和对外合作交流窗口[4]。李奇林等提出构建大学生科技创新能力评价体系，以科技竞赛为载体，探索应用型学生专业基本能力及创新能力[5]。清华大学紧密结合工程前沿，发挥校企、课题组复合导师制的指导作用，强化培养实践能力和职业素质[6]。杨关等教育者指出研究生培养中需注重学科必修与方向选修结合，突出学科交叉培养跨界复合型人才[7，8]。尽管上述研究取得了一定进展，但仍存在以下局限性：（1）针对增材制造专业领域工程硕士的培养体系及方法未建立；（2）对学生自身整体知识能力及水平有一定要求，不具有各层次工程硕士培养的普适性；（3）未能真正在“工程应用”研究过程中，实现创新能力的培养与提升。综上，文章提出了“内涵深化—工程思维—基础涵盖—创新提升”的四维培养方法体系，多层次发掘该专业领域工程硕士的专业基本能力。

一、专业内涵认识深化

增材制造区别于传统制造方式，具有“从无到有”的特点，其主要技术方式构成如图1所示。

学生对上述增材制造概念都具有一定理解。但对增材制造专业的“工程”理念并無深入体会，而增材制造工程涵盖工艺及方法的全流程，是一个闭合的制造体系流程，具体包括以下主要阶段。

1.评估与设计阶段。包括增材制造的可行性评估、安全及风险性评估、工艺流程设计、材料成分设计与制备、制造结构分析与校核、增材装备设计与构建、相关工装夹具设计等。

2.增材制造准备阶段。包括部件的拆解与解离、三维结构反求测量、数模比对与验证、材料准备与前处理、装备与工艺调试、优化工艺及参数试验、人员准备及方案商定。

3.增材制造实施阶段。包括优化工艺参数实现、成形高度及熔池温度控制、实时在线闭环控制、气体保护氛围施加以及烟尘蒸汽过滤吸除等。

4.增材制造完成阶段。包括去应力退火、机加前热处理、整体及局部形变测量、覆层组织分析、力学性能试验、防腐与特殊功能验证、全过程整体评估及工艺定型等。

上述四个阶段是以工程理念深化学生对增材制造的认识与理解，与现有的狭义的增材制造概念本身相区别。从广义内涵理解培养学生的“工程”整体化思维，可以建立学生更广泛的专业的工程化认识，“全流程”且“系统性”的锻炼，提升学生的“工程化”思维与能力。

二、工程思维能力的培养

笔者始终以“5个为什么”，牵引学生进行工程化思维锻炼，以某学生课题工程化思维启发过程为例，该生课题为“某高温合金激光增材制造覆层性能研究”，其工程化思维启发引导流程如图 2所示。上述辩证思维过程培养学生形成一种工程化思维习惯，始终围绕“5个为什么”开展课题研究，即“为什么做”“怎么做”“做的过程是什么”“做的结果如何”“做的结果有什么用”。将上述5个问题贯穿学生课题的全过程，任何环节的问题无法阐述清楚，不得进入下一问题所涉及的课题环节，以此考查和培养学生的工程化思维和能力。

三、夯实专业基础能力

本专业领域涉及计算机编程、机器人控制、数学算法研究、工装夹具设计、材料分析基础等多学科知识与能力的交互运用，而工程硕士在本科阶段通识教育培养过程中显然无法满足上述需求，笔者在学生的指导过程中采用了“针对目标，专项涵盖；反复运用，夯实基础”的方法。具体实现过程举例如下。

事例1：某工程硕士课题完成阶段，需要进行激光熔覆条块堆积程序编写与校对，但该生无相关机器人操作培训或相关基础知识。

方法：（1）给予该生一周时间网上查询KUKA机器人程序编写，并提交报告；（2）在确认该生调研和预习充分的基础上，保证安全的前提下，现场指导该生，基于本次试验目标，对机器人基本操作进行熟悉；（3）现场监管指导该生进行机器人条块堆积程序编写；（4）现场监管指导该生进行激光熔覆过程工艺试验验证。

事例2：某研究生在进行镁合金金相组织制备和研磨过程中，由于镁合金覆层表面硬度较低，多次制备及研磨仍出现肉眼可见表面划痕，且腐蚀液配方未明，相关研究工作进展缓慢。

方法：（1）暂缓该生该金相观察工作。布置该生大量查阅相关文献，提出两种以上腐蚀液配方，并提交相关依据或文献来源；（2）布置该生对金相研磨方法进行网上学习，并布置高年级研究生帮带该生进行其他牌号合金钢金相组织进行研磨、腐蚀及观察；（3）通过（1）、（2）两个环节的反复锻炼，消除该生的挫败感，建立金相组织研磨的信心及耐心；（4）将镁合金金相组织的研磨及腐蚀观察分立布置，即先布置该生研磨金相组织，然后在显微硬度计下观察划痕情况，缩短工作周期，反复试验并获得成功后，建立起金相组织观察的信心；（5）布置该生按照由小面积到大面积的顺序，进行镁合金金相组织的研磨、腐蚀及观察，由简到难，逐步攻克该项技能短板。

上述培养过程的关键在于，勿求“面面俱到”，但求短期快速“实现目标”，使学生充分体会实现目标的基本过程和方法。尤其注意在相关的研究工作中，及时对该专项基础能力进行“任务式”锻炼，以进一步夯实相关专业基础能力。

四、工程创新能力的提升

学生不能实现工程创新能力提升的本质原因，主要在于以下三个方面：（1）不愿下手。学生自身研究作风松散，难以深入课题实质或浅尝辄止。（2）无从下手。缺乏合理有效的科研思路或不清楚自身想法是否为创新。（3）难以下手。具有一定的创新思路，但不知该具体如何实现。本文着力解决后两个方面问题。可从以下几方面对学生的工程创新能力进行引导。

1.鼓励大量而广泛的阅读文献。鼓励学生大量而广泛的阅读相关文献，扩展研究视野。并每半月开展一次文献报告会，要求学生对有益文献进行梳理总结，以组会PPT报告的形式开展探讨。

2.发掘“从无到有”的工作能力，并适当进行示范性指导。以学生相对较为熟悉的领域或专业能力为契机，布置目标相对具体、工作量适当的阶段性工作。例如：设计某型号叶片激光增材成形的辅助工装、研究实时监测成形高度的控制机构等。

3.拓展学生的见学通联能力。创新性工作的完成，常常面临多方面的合作和互补。适当派出学生参加学术会议、前往企业进行短期的见习、与相关高校或结构建立合作，对于拓展学生的创新能力也具有较好的直观培养效果。

4.关注研究前沿及热点。本领域的研究前沿及热点，往往是暂时难以解决且高水平研究的聚焦点，相关研究方法或思路往往可以顺向迁移，积极鼓励学生关注本领域研究前沿及热点问题，可促使学生更快的接近创新性思路或方法，利于工程创新能力的提升。

5.注重实践操作能力的培养。创新性思维及能力的提升，往往是建立在大量实践操作的经验基础上，只有建立的大量而深入的感性认识，才能更贴切、更实际、更直接的诱发创新性思路及方法的产生。因此，在本专业领域的研究生培养过程中，应格外关注基础性实践操作技能的形成，例如：机器人控制程序的编写、金相试样的制备及研磨、激光熔池的近距离观察等。

6.示范性创新的提示。针对某一难解决问题，可由指导教师提出创新性解决办法，但應着重指出创新点的体现以及创新点产生的思维逻辑过程，启发学生进行类同的思维过程，创新性地解决问题。

结语

增材制造专业领域具有多学科、多方向交互耦合的特点，对本领域工程专业的培养提出了更高要求。本专业工程硕士的培养应更加密切贴合专业特征，有的放矢，逐步启发和引导，总结归纳为以下三方面。

1.“内涵深化—工程思维—基础涵盖—创新提升”四个层次互为基础，互相促进，同步树立。是贯穿研究生培养全阶段的系统性工作，不能顾此失彼，更不能揠苗助长，应根据学生特点，因势利导的进行逐步培养。

2.工程思维的发掘是关键一环。工程思维的发掘体现了研究生培养阶段，严谨的科研逻辑的形成过程，是学生培养阶段的核心素质和能力。应以增材制造的广义理念为基础，养成学生对课题的各个环节进行工程思维审视，形成基本的工程素养。

3.工程创新能力的提升是一个鼓励和循序渐进的过程。该过程中，学生将经历反复的失败与否定，会对学生的自我认可心理形成一定的影响。研究生导师更应抓住矛盾开展培育，大胆鼓励学生在该方面的点滴进步，使学生产生创新兴趣，形成良性循环，最终实现工程创新能力的提升。

参考文献

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Training Method of Basic Ability of Master of Engineering in Additive Manufacturing Field

REN Wei-bin， LEI Wei-ning， XUE Ya-ping， HE-Qing

（School of Mechanical Engineering， Jiangsu University of Technology， Changzhou， Jiangsu 213001， China）

Abstract： In view of the problems existing in the training of master of engineering in the field of additive manufacturing， such as the low professional cognition and weak basic engineering ability， the connotation and extension of additive manufacturing concept are deeply explored， in order to strengthen the engineering thinking and ability， consolidate the cultivation of basic ability， and effectively improve the engineering innovation ability. A four-dimensional training method system of “connotation deepening， engineering thinking， basic coverage， and innovation improving” is proposed to improve the training ability and level of engineering masters in the field， and strengthen the basic ability and engineering innovation ability of masters of engineering in this major. The relevant research provides theoretical basis and method reference for the training of basic ability of masters of engineering in application-oriented universities.

Key words： additive manufacturing； master of engineering； basic professional ability； training method