面向智能制造的新工科课程教学改革与探索——以“增材制造工艺与材料”课程为例

李安海，周咏辉

（1.山东大学 机械工程学院，山东 济南 250061；2.高效洁净机械制造教育部重点实验室，山东 济南 250061；3.机械工程国家级实验教学示范中心〔山东大学〕，山东 济南 250061）

前言

智能制造是“中国制造2025”的主攻方向，智能制造工程是在国家“中国制造2025”规划背景下设立的新工科专业，这将为推动中国制造由大变强提供强大的驱动力，可为培养具有全球视野的智能机械制造专业技术人才打下坚实的基础［1-3］。智能制造工程新工科专业的人才培养需满足经济社会发展和国防建设对重大技术装备的需求，强化工业基础能力，提高综合集成水平，培养多层次、多类型人才，促进产业转型升级，培育有中国特色的制造文化，实现制造业由大变强的历史跨越［4-5］。增材制造技术（3D打印）采用离散-堆积原理三维数据驱动、分层打印、叠加成形的方式逐层增加材料来直接制造三维实体零件［6］。3D打印是数字化直接制造、按需制造和就地制造，是智能制造的主要支撑技术。相对于传统的材料切削成形，由于增材制造的灵活性，3D打印的材料添加成形是一种重大创新,从而使人们在设计产品时可以更多地关注产品的物理性能而非可实现性。增材制造技术可实现任意材料、任意结构、任意批量、任意领域、任意场所的生产制造，将为智能制造、绿色制造和服务制造提供新的制造模式［7］。

“增材制造工艺与材料”是高等工科学校本科四年制增材制造、机械制造类专业的一门主干专业基础课程，其任务是使学生了解和掌握增材制造种类、不同增材制造方式工艺特点、所需材料及性能，初步具备根据不同的工程应用环境，选择适当增材制造方法、进而完成材料选择并制定工艺规程的能力。该课程包括典型增材制造工艺、增材制造常用材料、增材制造工程应用等。本课程在培养高级工程技术人才的全局中，让学生掌握未来新型制造模式的工艺原理和方法手段，拓宽学生的知识结构，增强学生对新机械工程技术工作的适应性，培养其面向未来的创新能力，探索和解决复杂增材制造过程中的工程技术问题。近年来，山东大学机械工程学院（以下简称“我院”）在机械设计制造及其自动化专业开设“增材制造工艺与材料”“快速原型制造原理与装备”等增材制造相关课程，亟待在教学内容和成绩评定方面针对智能制造工程新工科专业的培养目标和要求进行整合优化和改革创新，以适应智能制造工程专业在增材制造工艺与材料方面高精专业技术人才培养的需要。

一、面向智能制造的课程教学内容设计与完善

“增材制造工艺与材料”课程是我院为培养增材制造技术研究和开发专业人才而在智能制造新工科专业开设的专业课程，该课程的总体目标是使学生对增材制造基本工艺方法及其使用领域、常用材料性能及其应用有一个初步了解，为学生今后从事增材制造的研究和开发创新奠定必要的基础，使学生具有掌握增材制造工程基础知识和本专业的基本理论知识，具备解决工程技术问题的基本技能。增材制造技术的发展趋势是：从塑料快速原型制作到金属零件制造；从单一材料结构到多种材料和嵌入结构；从增材制造到增材和切削加工的集成；和传统工艺融合，突破规模、成本和材质的限制。

将该课程定位为智能制造必修的重要专业课程，使学生了解和掌握智能增材制造种类、不同增材制造方式工艺特点、所需材料及性能，初步具备根据不同的智能制造工程应用环境，选择适当增材制造方法，进而完成材料选择并制定智能工艺制造规程的能力。该课程包括典型智能增材制造工艺、增材制造常用材料、增材制造工程应用等。

图1所示为面向智能制造的课程教学内容设计与完善思路。针对智能制造的发展前沿研究方向，结合本课程特点，开展了教学内容重点的“三个转移”：（1）将教学重点由通用熔融沉积成型塑料打印向复杂金属零件激光增材制造工艺过程与材料性能演化等转移；（2）从单一材料结构打印成型向多材料嵌入结构混合打印或同时打印转移；（3）从单一增材制造工艺模式向混合增材制造技术（增材制造与其他传统制造方式的混合制造方式）工艺与材料成型过程转移。

图1 面向智能制造的课程教学内容设计与完善思路

二、融合多种教学方式与分组教学的自主学习能力培养

图2展示了融合多种教学方式与分组教学的自主学习能力培养流程。教学方式主要体现在启发式教学、问题驱动项目研究式教学和探索交互式教学等。

图2 融合多种教学方式与分组教学的自主学习能力培养流程

1.采用启发式教学，激发学生自主学习的兴趣和潜力，培养学生独立分析问题、发现问题和解决问题的基本能力，引导学生通过自学和实践学到自己感兴趣的知识。在教学手段上，采用电子教案和CAI教案、多媒体教学和传统黑板板书与教具教学相结合的方式，扩大课堂教学信息量，增强课堂教学内容的直观性和易学性。运用多媒体教学、模型教学、案例教学、课堂教学与现场教学相结合的教学方法与手段，遵循启发式原则、实践性原则、直观性原则、传授知识与培养能力相统一的原则，以学生为主体，充分调动学生的学习积极性。

2.采用问题驱动项目研究教学方式，引导并鼓励学生开展项目研究，3～5人一组，凝练项目主题内容，培养学生自主发现问题和解决问题的能力，提出解决方案，并相互讨论确定采用增材制造技术解决实际工程中的问题和生活中的问题，采用团队协作相互督促的方式完成项目研究工作，并在课堂进行团队成果展示答辩。通过书面报告和口头表达相结合的形式，考查学生的综合学习能力。

3.采用探索交互式教学方法，在课前鼓励学生利用大学慕课或智慧树平台上的增材制造和3D打印线上课程进行教学内容的提前预习和自主学习，将学习和预习过程中的疑难问题或感兴趣的问题带到课堂上进行研究讨论，搜集相关资料，加深对所学知识的印象和理解深度。课上课下开展课程学习互助环节，督促学生课下积极准备自主学习教学内容，锻炼其团队协作能力、分析问题和解决问题的能力。

三、面向探索创新能力培养的课堂与实践教学改革

通过课堂教学、实践教学和项目研究等环节，培养学生主动探索创新的意识与能力及机械工程专业知识的综合运用能力，使学生掌握增材制造工艺与材料技术的基本理论、基本知识和基本技能，以及增材制造技术的材料类型、工艺方法和应用需求的一般规律，培养学生增材制造工艺与装备的创新开发和应用能力，使其能够运用增材制造技术解决工程实践过程中遇到的实际问题，提高创新能力和综合实践能力（如图3）。例如，通过金属材料和非金属材料的增材制造工艺与材料的理论课堂教学及实验教学，使学生对非金属材料和金属材料增材制造材料与工艺特点具有直观的认识。

图3 面向探索创新能力培养的课堂与实践教学改革

通过实践教学环节，使学生加深对课堂学习内容的印象，提高动手操作能力，加深对理论知识的理解，提高理论联系实际、灵活运用所学知识解决工程实践问题的能力。在教学中注重实践性，课堂教学注重模型的运用、多媒体的运用，增强学生的感性认识，以作业为主，加强实践过程，遵循“实践—总结—再实践”的学习过程，不断提高学生的空间思维能力，培养学生运用所学的基本理论和概念分析与解决实际问题的能力。例如，讲述增材制造综合教学实验的原理、方法与步骤，通过包括三维数字建模、模型数据处理、快速成型加工零件增材制造全过程的实验教学，加强学生在增材制造方面的技能训练，加深对增材制造技术的认识与理解。鼓励学生自主设计或选择3D打印零件模型，既体现“以学生为中心”的教学理念，又有利于培养学生的科技创新意识。在实际教学应用中贯彻探索创新能力培养的理念，取得了良好的理论和实践教学效果。

四、优化课程考核方式，加强成绩评定要求

结合本课程特点及智能制造工程专业特点，本门课成绩包括三部分：平时出勤和课堂表现、课后作业及课题型随堂测试与期末考试。（1）平时出勤和课堂表现部分（约占课程总成绩的20%），主要包括上课出勤点名、上课问问题、课堂纪律、对其他同学的帮助、上课进度的跟进及和老师的互动程度等，以及课堂展示和课下完成专题任务的能力。（2）课后作业部分（约占课程总成绩的10%），主要考查对所学内容的熟悉程度、是否按时按要求提交作业、是否按要求自行查阅资料自学、灵活运用所学知识并解决实际问题的综合能力。（3）随堂测试方式改革（约占课程总成绩的30%），将全班学生分成若干个学习小组，随堂测试采用专题答辩展示的方式进行，考核分数包含团队协作、团队贡献，内容讲述评价、小组间互评等，采用3～5人分组团队协作的方式设计制作PPT并展示不同增材制造工艺过程的基本原理和增材制造材料类型和特点，最后提交合作完成的PPT。应做好分工，团队协作，PPT标注团队成员姓名，署名顺序（和最终成绩的团队贡献分挂钩）采用小组民主评议方式产生。（4）期末考试（约占课程总成绩的40%），采用笔试的形式，主要考查综合运用课程学习知识解决增材制造工程技术问题的能力。

结语

面向机械智能制造工程专业，对“智能制造工艺与材料”课程进行了教学内容改革和优化。增材制造是数字化直接制造、按需制造和就地制造，是智能制造的主要支撑技术。面向智能制造的增材制造教学内容设计与完善，可有针对性地为培养机械智能制造高层次、专用化和宽口径人才提供坚实后盾和技术基础。在课程学习考核方式方面，增加分组团队完成并展示课题作业，采用组内团队协作贡献、组间相互评价的成绩评定模式，促进学生学习的积极性、总成绩体现教学参与程度的合理性及团队协作贡献的公平性。