“新工科”背景下3D打印技术与应用课程教学改革探索

闫凯波 陆思思 陈仁祥 余腾伟

(重庆交通大学机电与车辆工程学院 重庆 400074)

3D 打印是相对传统制造技术的一次重大技术革命，实现了对减材制造、等材制造等传统制造技术的革新，可为制造业的创新发展注入新鲜动力[1]，该技术已广泛应用于航空航天、生物医学、艺术设计等领域。3D打印技术正在改变人类的生活方式，并且有效推动了相关领域制造技术的创新发展，其增材制造方式对早日实现碳达峰、碳中和等目标具有重要意义。因此，3D打印技术已成为当前研究热点。近日，科技部发布了“十四五”国家重点研发计划“增材制造与激光制造”重点专项项目指南，其中功能化活性心肌组织增材制造、激光粉末床熔融增材制造在线监控与质量评价技术、增材制造构件长寿命服役行为表征与调控关键技术等前沿研究内容均包含在项目指南中，上述研究的顺利开展需依托3D 打印技术的创新发展，为此，需培养大量具备3D 打印基础知识的高素质专业人才。然而，目前国内3D 打印技术方面的人才匮乏，人才培养机制落后，严重阻碍了该项技术的推广应用及持续进步[2]。为推动3D 打印技术的快速发展，适应制造技术的不断革新，各大高校相继开设了3D打印技术方面的课程，其内容通常涵盖3D打印技术基础、3D打印技术分类与原理、3D打印与3D建模、3D打印后处理技术等基本知识。此外，为支撑“中国制造2025”“互联网+”“一带一路”等重大国家战略，教育部积极推进“新工科”建设，要求工程科技人才具备更高的创新创业能力和跨界整合能力，从而加快“新工科”建设，助力经济转型升级，培养实践能力强、创新能力强、具备国际竞争力的高素质复合型“新工科”人才。3D 打印技术作为机械、材料、计算机科学等多学科交叉融合的技术，与新工科理念不谋而合，成为新工科背景下高校智能制造相关专业的教学热点[3]。在3D打印技术类课程教学过程中，应注重完善3D打印教育、科研创新，培养满足市场和科研需求的专业技术人才，使学生在未来升学、就业、创业和发展过程中具备更全面的素质和能力[4]。如何把3D 打印技术与复合型“新工科”人才培养有机融合，促进课堂教学与课外实践的有机结合，激发学生学习热情，培养学生自主学习和创新能力，是目前亟待解决的问题。该文针对3D 打印技术与应用课程的教学形式及教学内容所面临的问题，探讨更为有效的教学手段和应对策略，为培养智能制造领域高素质应用型人才拓宽思路。

1 当前存在的问题分析

1.1 教学方式单一

3D 打印技术与应用课程属于理论和实践性兼具的教学课程。理论教学中，由于缺乏零件实物，教师无法进行全过程示范演示，学生无法对零件的结构和组成产生直观认知，难以掌握3D打印具体操作方法及流程，间接导致学生在后续的课程实践中动手能力较差。在进行不同3D打印技术和原理讲解时，单纯依靠设备图，学生缺少对设备细节结构、成型动作过程的直观认知，难以掌握不同3D 打印方法的基本原理，导致学习效果大打折扣。虽然教学过程中借助多媒体设备，但教学形式通常是以教师为中心的灌输式、填鸭式教学，学生参与度较低，课堂效率低下，学生和教师之间难以建立有效的沟通模式。

实践教学中，受实验条件限制，往往只能开展成本相对较低的熔融堆积成型实践，且学生以小组形式开展实践学习，难以确保学生能够掌握多种3D打印成型方法及原理，无法调动所有同学的主观能动性，部分小组仅有极少一部分成员真正参与到实践中来，大多成员只是机械式地参观记录，全程无主动式的提问和交流，实验实习报告质量较低，没有过多地自主设计、研究创新过程，不利于学生创新思维的培养。总之，当前教学形式单一，难以满足“新工科”人才培养需求，教学手段亟待更新[5]。

1.2 教学内容滞后

3D 打印技术与应用课程讲授内容主要依赖于教材编写情况，然而，市面上的普通书籍大多是简单科普型，专业书籍更多的是面向研究生的培养，其理论深度和实践操作复杂度更强。能详细涵盖3D打印材料、成型原理、成型技术及成型设备，适合本科生教学的书籍较少。此外，随着3D 打印技术的快速发展，该技术已经被广泛用于人们的生产生活领域，技术革新速度较快，现有书籍对相关领域的前沿技术未能及时补充，特别是部分教材仍停留在快速成型技术介绍阶段，与当前的3D打印技术发展现状严重脱节，从而导致讲授内容很大程度上滞后于时代科技发展，学生创新思维的形成缺乏宽广视野的支撑，难以达到理想的教学效果，不利于“新工科”人才的培养。如果3D 打印技术与应用的教学不随着3D 打印技术的发展而不断“升级、革新”，那么培养出来的相关人才，在知识储备和技能运用环节会远远落后于从业人员，刚毕业就会面临技术淘汰，被迫重新择业的窘境。

1.3 学生缺乏动力

部分学生对智能制造领域相关知识缺乏兴趣，认为自己日后升学、就业、创业过程中不会涉及3D 打印技术，故缺乏对该课程的重视程度，认为这门课程对自己日后的发展无任何帮助，缺乏学习热情。同时，3D打印技术与应用课程知识体系结构与金属工艺学等课程关联度较高，部分学生对旧知识掌握程度较差、知识体系不扎实会严重影响新知识的理解学习，会进一步增加学习的难度，进而信心受挫，严重影响学习兴趣和动力，形成恶性循环。此外，3D 打印受材料问题影响较大，并非所有材料都可用于3D打印，部分3D打印材料不仅在加工过程中价格昂贵，而且所生产产品的质量和强度通常也不能满足技术要求。因此，日常生活中3D 打印制品没有普及开来，学生缺乏学习兴趣，创新创业思路受限，致使教学质量不高，对“新工科”人才的培养提出了更大挑战。

2 教学改革措施

针对当前3D 打印技术与应用课程教学中存在的若干问题，从教学方式、考核方式改革，教学内容更新，建立校企合作等方面入手（如图1 所示），提升学生学习兴趣和学习效果，保障“新工科”人才培养质量。

图1 3D打印技术与应用课程教学改革体系

2.1 教学方式改革

理论教学中，通过制定课前理论知识预习和学习视频观看任务，让学生对所学知识有初步了解，并唤醒学生对于以前知识的记忆，为新课程的正常引入与讲授奠定良好的基础，教师在此过程中进行答疑式的指导，并评估学生对知识体系的了解程度，从而动态调整教学内容，有效提高教学质量与效率；在课堂中，对于比较抽象的知识体系，加入思维导图等可视化图表，将知识体系架构清晰地呈现在学生眼前，并基于音视频多媒体授课，充分调动学生的积极性，减少课堂低效时间；课后作业的布置以开放式作业为主，针对3D 打印技术的工艺、材料、原理、应用等各个方面进行拓展，让学生自选角度提出想法或观点，同时作为预习下一节课的理论背景，为新课程的理论教学环节提前做好铺垫，循序渐进。

实践教学中，应着重介绍相关3D打印软件的使用方法，采取小班化教学，增加分组数量；学生从三维模型建模开始，自主设计个性化三维模型，根据产品类型和拟实现的功能，选择合适的3D 打印技术和设备，正确选择原材料并制定成型工艺方案，最终获得成品；教师应当全程参与设计实践过程，在必要的环节为学生梳理理论知识体系，为相关设备和材料的选择提供引导[6]。通过实践锻炼，增强学生对3D 打印技术的学习兴趣，使学生初步掌握将3D打印技术运用于该专业方向进行设计和开发的能力，为日后从事3D打印技术方面的工作奠定良好的基础。

2.2 考核方式改革

传统考核方式一般以期末笔试为主，然而，该课程教学内容包含理论与实践教学，且前沿性的新知识、新体系较多，传统考核方式难以全面反映学生对知识体系的掌握情况。基于高素质应用型人才培养目标，对课程考核方式进行改革，将学生预习情况、课堂表现、作业情况及实验成绩纳入综合考核范围，其中：预习情况主要以学生对课前理论知识的掌握程度和学习视频观看的互动情况评价；课堂表现以回答问题、参与讨论等课堂活动参与度进行评价。

课程作业不再局限于3D 打印原理、技术等方向，通过设置不同的选题方向，例如：面向就业学生，可以谈谈对于3D打印技术与“中国制造2025”关系的理解，加强对拟就业学生民族使命感的培养；面向升学学生，可以检索3D打印技术方面的前沿英文文献进行翻译，提升其英语读写译能力，培养其日后从事科学研究中需具备的检索文献、阅读文献的基本能力素养；面向自主创业学生，可以谈谈采用3D打印技术进行创业的一些设想，有效拓宽拟创业学生的思路，激发其创新创业思维。最终在课程考核环节围绕“培养实践能力强、创新能力强、具备国际竞争力的高素质复合型‘新工科’人才”这一目标，实现升学、就业、创业学生的全覆盖，学生按照自己的职业生涯规划自主选择课题方向，并完成课程作业，课程作业突出对不同学生相关能力的培养。

实验成绩以实验报告质量和现场表现进行评价，为了培养实践能力强、动手能力强、更容易胜任实际工作的高素质应用型人才，现场表现在实验成绩中占比更高。相比于传统考核方式，新的考核方式着眼于学习过程，对学生的能力评价更为全面，更符合“新工科”人才培养目标和要求。

2.3 教学内容更新

3D打印技术与应用教学内容长时间不更新，会导致学生不能及时接触到新的3D 打印技术及其应用领域，严重影响对学生创新思维和创新能力的培养。

针对此问题，采用以科研促教学的方式。一方面，通过文献检索的方式，让学生们了解3D打印技术的最新研究现状，学生以思维导图或PPT 的形式对检索到的新知识和新技术进行全面介绍，包括教师在内的课堂人员可与主讲者进行充分的交流和探讨，迸发思维的火花，不仅可以促进学生创新思维和创新能力的培养，还可以颠覆传统的课堂教学模式，为学生提供翻转式课堂，达到更好的教育效果；另一方面，基于教师承担的科研项目，学生可根据自身兴趣加入相应的研究团队，在教师及研究生的指导下，学生首先对3D 打印技术的知识体系加深理解，其次对3D打印设备的操作技能显著提升，最终在项目的研究过程中，通过与教师和师兄师姐的交流，产生新的思路和想法，并付诸于实践。能够培养学生发现问题、思考问题和独立解决问题的能力，最大程度地激发学生的好奇心和求知欲，能够为“新工科”人才和高素质应用型人才的培养提供一种借鉴模式。

2.4 加强校企合作

校企合作是指为了培养高素质应用型人才，高校采取与企业合作的方式，注重人才的实用性与实效性培养[7]。学校应组织专业教师前往相关企业或研究所考察交流，了解市场需求，开展与企业的3D 打印技术合作，深化产学研协同创新机制。结合企业需求和当前发展趋势，在3D 打印技术与应用课程教学方式、教学目标方面积极尝试新方法，积极引导学生采用所学知识解决企业当前面临的技术瓶颈。此外，可邀请企业专家走进大学校园，开设专题讲座，内容涉及安全规范、设备操作、车间管理等模块，学生根据自身发展方向，选择相应的模块学习，全方位提升学生的综合素质。同时，在专业培养方案和课程教学大纲修订过程中，学院可邀请企业专家参与教学改革，共同商讨、明确专业人才培养目标，确定专业教学计划和教学内容，构建高素质应用型“新工科”人才培养体系。学院每年可选派部分新进教师到企业一线参加6个月以上的实践锻炼，重点提升专业教师的专业能力和实践教学能力。专业教师在教学过程中将学生的培养与企业的实际需求紧密对接，毕业生在日后的工作中才能更好地适应岗位要求，成为符合市场实际需要的高素质复合型“新工科”人才。通过在相关企业的实习、实践经历强化理论与实践的有机结合，重构3D打印技术理论知识体系，培养具备应用3D打印技术解决行业实际问题能力的优秀学生。

3 结语

为稳步推进我国第四次工业革命，助力我国由制造业大国发展为制造业强国，教育部积极推进“新工科”建设。3D打印技术可为传统制造业的创新发展注入新鲜动力，对早日实现碳达峰、碳中和等目标具有重要意义，因此，该类课程在高校专业教学和人才培养过程中应引起足够的重视。通过改革教学方式、考核方式，及时更新教学内容，加强校企合作交流解决当前3D打印技术与应用课程教学中存在的若干问题，有效提升学生学习兴趣和学习效果，切实保障学生培养质量，对提高机械电子工程专业学生的就业竞争力、培养实践能力强、创新能力强、具备国际竞争力的高素质复合型“新工科”人才具有重要意义。