3D打印技术融入材料成型及控制工程课程教学改革的应用探索

摘要：“工业4.0”发展进程需要材料学作为支持，而材料学的发展需要高水平的课程体系，以及多学科知识的交叉融合。但目前材料成型及控制工程开设的课程体系与内容存在学生学习积极性与兴趣不足等问题，严重影响材料成型及控制工程专业课程教学成效。因此，应着重分析3D打印技术在材料成型及控制工程课程教学改革中应用优势，介绍3D打印技术在材料成型及控制工程课程教学改革中的融入途径，指出3D打印技术的应用实践，多方面结合共同提高课程教学改革效果，加强课程教学质量，以推动材料科学良好发展。

关键词：3D打印技术材料成型及控制工程课程教学改革

中图分类号：G642

ExploringtheApplicationofIntegrating3DPrintingTechnologyintotheTeachingReformofMaterialFormingandControlEngineering

ZHANGHongminWANGZhizhiYANKetaoSUNShangqiZHOUMengfei（ZHOU-MENGFei？？）

（SchoolofMechanicalEngineeringandRailTransit，ChangzhouUniversity，Changzhou，JiangsuProvince，213164China）

Abstract：Thedevelopmentprocessof“Industry4.0”requiresthesupportofmaterialscience，andthedevelopmentofmaterialsciencerequiresahigh-levelcurriculumsystemandthecrossintegrationofmultidisciplinaryknowledge.However，thecurrentcurriculumsystemandcontentofMaterialFormingandControlEngineeringhaveproblemssuchasinsufficientstudents’enthusiasmandinterestinlearning，whichseriouslyaffectstheteachingeffectofitsprofessionalcourses.Therefore，itisnecessarytofocusonanalyzingtheapplicationadvantagesof3DprintingtechnologyintheeducationalreformofMaterialFormingandControlEngineering，introducemethodsforintegrating3Dprintingtechnologyintoitseducationalreform，andpointoutapplicationpraticeof3Dprintingtechnology，soastojointlyimprovetheeffectofcourseteachingreformbycombiningvariousaspects，improvecourseteachingqualityandpromotethegooddevelopmentofmaterialscience.

KeyWords：3Dprintingtechnology;MaterialFormingandControlEngineering;Curriculumteachingreform

材料成型及控制工程涉及机械设计、电工电子、工程图学、控制工程、自动化等多个核心知识领域，可推动国家在机械设计制造、工业经营销售、工业试验研究等多个领域的深度发展。然而，当前材料成型及控制工程采用的教学方式仍然相对传统，忽视对学生创新意识与实践能力的开发，难以满足“工业4.0”发展下的市场需求。3D打印技术作为计算机科学、材料科学、机械制造等多学科领域交叉融合后形成的新兴技术，将其融入材料成型及控制工程，可为工业设计、模拟设计、产品研发可视化提供新的发展途径，更有利于培养学生的实践能力。

现如今，在机械类专业课程中融入3D打印技术已经成为当前的研究和教学热点，但现有研究大多集中在塑料制品设计[1]、数控加工[2]、模具设计[3]等领域，关于材料成型及控制工程课程教学改革的研究则相对较少。据此，本研究以3D打印技术融入材料成型及控制工程课程教学改革为研究视角，指出课程改革途径和3D打印技术应用实例，旨在为后续材料成型与控制工程课程改革及3D打印技术的融入应用提供参考。

13D打印技术简介

3D打印技术，又称为增材制造技术，是一种以数字模型为基础，运用塑料、金属、陶瓷等多种类材料，通过激光束、热熔喷嘴等热源按照模型的二维轮廓进行逐层打印堆积，形成完整实物的快速成型技术[4]。3D打印技术最早运用于模具制造、工业设计等领域，但随着3D打印技术的不断成熟，其已经被广泛运用于建筑工程、汽车制造、航空航天、课程教育等诸多领域。相较于传统减材制造技术来说，3D打印技术采用逐层叠加方式实现材料成型，可有效简化实物制造流程、提高制造速度、控制制造成本。

23D打印技术在课程教学改革中应用优势

应用3D打印技术可有效简化产品生产效率，降低生产成本，其在工业制造、生物医学、航空航天等多个领域均有着良好的应用前景。将3D打印技术融入材料成型及控制工程专业工业设计、模拟设计、产品研发实际教学后，根据模具设计方案、三维装配和零件装配图进行3D打印，形成的实物用于课程教学，满足专业课程教学要求。具体来说，3D打印技术具有以下4点应用优势：第一，3D打印技术可以快速打印课程教学所需的教具和教学模型，加强课程教学的直观性，保证学生对课程教学的认识和理解效果；第二，3D打印技术可以根据设计图纸快速开展实物快速打印成型，直观地展示设计方案存在的不足之处，达成设计验证和问题总结等目的；第三，3D打印技术在很多行业均有着较高普及率，在专业课程教学中引入3D打印技术可以提前培养学生的3D打印技术运用能力，拓宽学生的社会可就业范围；第四，基于3D打印技术积极鼓励学生自主设计和制造零件，参与各类创新创业大赛，培养学生的创新创业能力。总体来说，在材料成型及控制工程课程教学中融入3D打印技术，既可以拓展学生的理论知识和专业视野范围，还可以推动课程理论教学与实践教学之间的深入关联，帮助学生更好地掌握专业知识和3D打印技术相关知识。

3材料成型与控制工程课程现况

3.1课程体系存在一定局限性

随着中国制造2025的战略目标不断落实，我国制造业已经基本实现向高端与智能的转型。因此，对相关专业的需求也更趋向于市场化，铸造充型、精密控制与智能制造对专业要求也更加趋向多技术融合。而当前材料成型及控制工程专业的课程体系设计，相对重视专业理论知识Y4qOPcRgaeowJ8vEgrCvtg==与已有技能的培养，在学科融合与新兴技术的引用上存在一定滞后，这也导致在实际教学中存在一定的局限性。主要体现为：教学设备和学内容与市场需求存在一定差异，不符合市场发展趋势；理论教学与实际问题存在脱节现象，不能满足创新需要；教学目标与企业发展目标不一致，对学生就业发展不利。

3.2课程内容结构缺乏兴趣引导

现有课程内容结构，将大量的时间分配到理论讲解以及所需仪器的使用方法、构成原理上，让本就不容易理解的专业更加枯燥无味。而且，校方拥有的设备通常不能与市场发展需求同步，再将大量的时间用在设备讲解中，导致学生所接受的知识时效性与实用性大打折扣。除此之外，材料成型及控制工程专业的实验课程中包含了一定量的常规基础化学与物理学实验。这些实验通常是学生过往已经接触或进行过的，再次进行造成了学生的重复操作，对专业兴趣基本丧失。

3.3课程评价体系不利于挖掘学生研发能力

目前，材料成型及控制工程专业的专业课程评价依然以理论作业考核，实验报告考核的方式，评价学生优劣更是以考试为主进行核准。这种单一的考评必然导致结果存在片面性。除此之外，实验考核也存在学生报告同质化现象，一个学生的数据会共享给很多人共同使用，只对量级和部分参数进行调整。很多学生都以应对考核为目的完成作业，这导致专业研发能力大大降低。

4基于3D打印技术的课程教学改革途径

4.1遵循课程基础构建完善的课程体系

材料成型及控制工程现有的课程教学体系基本上可以满足顺应学习规律、聚焦核心概念的课程教学要求，所以在引入3D打印技术后仅需要在现有课程教学体系的基础上实施适当优化调整便可。考虑到材料成型与控制工程大一和大二课程主要为通识课程和专业基础课程，融入3D打印技术后课程教学效果提升幅度较不显著，而在完成大二课程学习后，学生将初步具备CAD设计、CAM加工等基础能力，此时在课程教学体系中融入3D打印技术可有效发挥3D打印技术的应用优势，激发学生的课程学习主观能动性[5]。

基于3D打印技术优势推动材料成型及控制工程课程内容改革可从制图类课程、设计类课程、材料类课程3个角度进行。在制图课程方面，教师充分了解学生的需求以及学习过程中遇到的困难，将3D打印技术与制图类课程相结合，借助3D打印技术制作设计实物，加深学生对于建模内容的印象，提高学生绘图能力，掌握基本制图知识；在设计类课程方面，设计课程时，应结合课程设计内容，应用软件中制定的设计模板进行快速设计，并借助转换软件将设计模型转换为3D打印技术可以识别的G代表，利用3D打印技术进行快速打印。根据打印实物，学生可以在教师的帮助下对设计方案进行持续优化调整，完善学生的设计方案；在材料类课程方面，在实施3D打印前，引导学生进行自主配料，使用自行配制的材料进行3D打印，加深学生对不同材料配比方案下材料性能、成型效果的认知。

4.2以科技创新为理念实现课程兴趣改革

材料成型与控制工程专业课涉及的知识较为繁杂，并且不同专业课之间的知识内容相互独立，采用传统课程教学模式进行“照本宣科”将难以激发学生的学习兴趣，学生对于知识点的学习、记忆难度也相对较大。在材料成型及控制工程专业课程改革中融入3D打印技术，利用3D打印技术多学科领域交叉融合的特征，打破专业课之间的学习壁垒，实现专业课知识的深度融合[6]。具体课程教学过程中，教师通过3D打印技术制作出符合课程教学内容的教学用具，此教学用具可以有效丰富学生的课程学习感官和知觉体验，将原本隐性化的课程知识显性化，使课程教学内容更为形象、具体，降低学生对课程知识的认知、学习难度[7]。总体来说，在材料成型及控制工程课程改革中融入3D打印技术后，既可以解决课程教学中原本存在的教学器材、教学设备短缺问题，还可以一定程度上弥补教师的教学经验、能力缺陷，多方面结合共同保障课程教学质量。

现如今，材料科学的发展日新月异，若是将材料成型及控制工程专业课程涉及的理论知识与国际上科研前沿热点、技术发展动态相关联，则可以有效提高学生的专业课程知识学习兴趣，更好地提高课程教学效果[8]。表1中展示了各类材料领域中3D打印技术前沿案例与材料成型及控制工程专业课程关联。根据表中的内容可知，3D打印技术在材料学科的多个领域均有着良好运用，新型材料和3D打印技术均为材料成型及控制工程专业未来重要研究方向，对3D打印技术案例进行研究分析，既可以为材料成型及控制工程课程教学提供丰富的案例资源，又可以帮助学生提前了解国际研究热点，为学生未来的研究和发展打下良好基础。

4.3以综合性考核细则为标准完善课程评价体系

融入3D打印技术以后，课程教学评价体系的考核内容应从原本的终结性考核向综合性考核转变，构建更符合学生创新创造能力培养要求的综合考核评价体系[9]。具体来说，融入后的课程教学评价体系考核内容应与学生创新创造能力培养、社会企业需求相对应，重点突出学生创新创造能力、综合实践能力的考核，课程考核评价细则可参考表2中的内容。

4结语

综上所述，3D打印技术融入材料成型及控制工程课程教学改革既可以推动理论教学与实践教学的有机结合，提高学生的课程学习主观能动性，又可以让学生接触到国际前沿技术、热点及知识，拓宽学生的科技视野，培养学生的创新创造能力。因此，高校和教师应深刻认识到3D打印技术融入的重要性，推动3D打印技术的有效融入及运用，引导多学科知识的交叉融合，综合提高课程教学质量，为“工业4.0”发展培养出更多的高素质复合型人才。

参考文献

[1] DEANNL，&03b406d27f0bb937348aeaaea7b50888nbsp;EWANC，MCINDOEJS.Applyinghand-held3dprintingtechnologytotheteachingofvseprtheory[J].JournalofChemicalEducation，2016，93（9）：1660-1662.

[2] 张林禄.基于OBE理念的3D打印实训课程混合式学习模式应用研究[D].天津：天津职业技术师范大学，2020.

[3] 齐婧妍，白小茗，刘超.3D打印技术在模具设计实训课程中的应用与探索[J].模具技术，2021（6）：66-70.

[4] 贾仕奎，李云云，张向阳，等.3D打印成型工艺及PLA材料在打印中的应用最新进展[J].应用化工，2020，49（12）：3185-3190，3194.

[5] 王小新，黄兆阁，温时宝.CAD-CAE及3D打印在《塑料制品设计》课程教学中的应用探索[J].高分子通报，2020（2）：54-58.

[6] 邓晓渊.基于STEAM教育的3D打印校本课程教学模式的设计与实施[D].天津：天津大学，2020.

[7] 张晶.用3D打印手段培养创造性思维的教学设计研究[D].沈阳：沈阳师范大学，2016.

[8] 李家国.3D打印技术在机械创造创新设计中的应用[J].铸造，2023，72（2）：221-221.

[9] 朱妍妍，李忠新，吕唯唯.基于3D打印技术的开放实验教学模式探索与实践[J].实验技术与管理，2017，34（7）：192-195.