增材制造技术课程思政融入与多维度教学方法探究

摘"要：当前，世界各国均将增材制造技术列为先进制造的国家战略进行重点支持。随着增材制造技术的飞速发展，科技前沿与理论教学的差距越来越明显。针对这一现状，在大学课程增材制造技术教学中引入课程思政元素，围绕“四个面向”中与增材制造相关的方向，对学生进行典型案例讲解，引导学生树立正确的人生观和价值观。为进一步体现增材制造的实践特色，更新增材制造前沿方向教学内容和方法，建立课堂—实践—实习—科创“四维度”教学方法和人才培养模式，四环节层层深入、互融互促，让学生学以致用，开拓学生科技视野。

关键词：增材制造；3D打印；课程思政；教学方法；材料成型及控制工程

中图分类号：G640"""文献标志码：A"""""文章编号：2096-000X（2024）36-0018-05

Abstract：Athomeandabroad，additivemanufacturingtechnologyislistedasthenationalstrategyofadvancedmanufacturingforkeysupport.Withtherapiddevelopmentofadditivemanufacturingtechnology，thegapbetweensciencefrontierandtheoreticalteachingisbecomingmoreandmoreobvious.Inviewofthissituation，inthecourseof\"AdditiveManufacturingTechnology\"，typicalcasesareexplainedtostudentsaroundthe\"fouraspects\"relatedtoadditivemanufacturing，guidingstudentstoestablishcorrectvaluesandencouragingstudents'awarenessofinnovation.Inordertofurtherreflectthepracticalcharacteristicsofadditivemanufacturing，theteachingcontentandmethodsofthefrontierdirectionofadditivemanufacturinghavebeenupdated，andaclassroom-experiment-practice-scienceinnovation\"four-dimensional\"teachingmethodandtalenttrainingmodelhavebeenestablished.Thefourdimensionsarein-depth，mutualintegrationandmutualpromotion，soastoexpandstudents'scientificandtechnologicalvision，andthestudentscanapplywhattheylearn.

Keywords：additivemanufacturing;3Dprinting;curriculumideologyandpolitics;teachingmethods;materialformingandcontrolengineering

增材制造又称3D打印，是智能制造技术中重要的组成部分，被誉为现代制造业中最具创新性、颠覆性和革命性的制造技术。随着国内外科学技术的迅速发展，增材制造技术可打印的材料和构件类型也越来越广泛，小到多种无机纳米材料，大到建筑物结构[1-2]。增材制造构件也在航空、航天、船舶等国家战略领域和支柱产业有着越来越多应用。2022年，美国科技政策办公室发布了新版《先进制造业国家战略》，将增材制造列为先进制造未来发展的核心。我国科技部近年来也一直将“增材制造和激光制造”列为国家重点研发计划项目的重点专项进行支持，增材制造产业也纳入国家重点发展领域规划。

为进一步推动增材制造领域高端人才培养，《教育部关于公布2020年度普通高等学校本科专业备案和审批结果的通知》及《列入普通高等学校本科专业目录的新专业名单（2021年）》，将增材制造工程（AdditiveManufacturingEngineering）列入中国普通高等学校本科专业名单。增材制造工程专业涉及机械、控制、力学、材料等多学科交叉，学生通过学习本专业，能够掌握增材制造相关理论知识，具备较强实践能力，进而服务于中国制造强国战略，助力国家制造业创新能力提升。然而，增材制造工程专业仅在国内部分高校开设，如哈尔滨工业大学、西北工业大学、河北科技大学和文华学院等。绝大部分高校主要依托机械工程或材料成型专业开设前沿方向班，或仅开设部分个性化课程供学生选择，因此学生对于增材制造学习的深度和广度大打折扣。

与国内相比，国外在理论教学的基础上更加注重增材制造本身的实践特色。高校通过具体的项目和竞赛锻炼学生的思维和动手能力，解决实际问题。同时，国外的增材制造企业更具主动性。他们希望利用学校的创新，通过工程师与大学合作进行专项研发（如Markforged公司），以帮助他们更好地将3D打印融入到企业研发的流程中，进而获利。这种与企业进行合作开发的模式也有助于学生更加了解实际情况，解决增材制造过程中遇到的实际问题，而这种教学模式和我国是完全不同的。

一"国内外增材制造教学研究现状

（一）"国内现状

国内西北工业大学[3]、武汉理工大学[4]、中南大学[5]、西南交通大学[6]和上海理工大学[7]等高校相继开展了增材制造专业课程与材料学科相结合的教学方法探讨、增材制造与生物医学交叉学科的人才培养机制创新、基于增材制造技术的工程图学课程体系建设等教学研究和实践。

在增材制造课程实践方面，西南交通大学工程训练中心郑乔[6]将增材制造应用在主修课程中，并充分分析了实践中遇到的问题。将增材制造引入主修课程后，学生兴趣得到极大提升，学习内容更加丰富，提高了动手能力。但实际情况是教学资源非常有限，包括专业教师、教室、增材制造设备等。同时，由于学生数量庞大，增材制造过程造成的打印材料耗费非常大，成本高。如何进行资源的合理配置是发展增材制造专业或前沿方向面临的实际问题。

在课程体系建设方面，上海理工大学张恺等[8]指出，由于专业配置原因，大部分高校涉及的增材制造专业课程较少，教学内容不全面。部分院校仅开设增材制造科普课程，授课内容脱离生产实际，并未形成系统的、深入的教学内容。他提出根据专业背景细化课程内容、与其他核心课程内容相结合、设立各类创新课程和创新项目等教改建议。

在课程交叉教学方面，西北工业大学杨未柱等[3]、武汉理工大学杨磊等[4]，以及中南大学吴宏等[5]分别将增材制造与工程力学专业课程、工程图学课程、生物医学课程进行交叉，从实际教学过程出发，增加3D打印教学手段，讲解3D打印技术原理，让学生实际操作来调动学生的学习积极性，使学生更加深入地掌握专业知识点。同时，在资源配置等方面也进行了相应的改革与探索，提出专业课程的教学方式要重视与力学、材料、生物和医学等学科的交叉融合。

（二）"国外现状

在国外的本科生和研究生教学中，增材制造的实践特色更加明显，一方面增材制造主要帮助其他工科专业进行辅助学习。例如，贝尔格莱德大学机械工程学院的学生在风扇和涡轮压气机实验中采用3D打印来创建实验的测试模型[9]。以色列理工学院航空航天工程四年级的本科生制作了不同配置的机翼扰流板，并在风洞中使用增材制造模型测试它们的使用效果[10]。随着机器人技术的快速发展，增材制造也成为机器人教学中的主要手段。使用增材制造底盘的低成本开源机器人平台使学生能够修改机器人，德国斯图加特大学的学生借助配备了挤出机的机械臂3D打印机开发新的零部件[11]。丹佛大都会州立大学通过具体的机械工程技术项目为工业设计、机械和制造专业的高年级本科生开设了一学期的数字化制造选修课，供学生动手实践[12]。

另一方面，在增材制造专业教学中，德克萨斯大学奥斯汀分校和弗吉尼亚理工大学推出了本科和研究生3D打印课程，涵盖了增材制造技术原理、增材制造设计等方面，并通过基于问题和基于项目的教学方法对学习内容进行实践[13]。如今，大多数主要大学都有3D打印实验室或创客空间，可提供一系列工业3D打印机的实践培训。从企业的角度来讲，他们希望从增材制造创新中获利。无论是在未来商业和工厂中开发新型3D打印机，还是推动3D打印材料研制，大学都是创新的源头和基地（如DesktopMetal公司）。各种规模的企业都转向这些大学的咨询部门，企业雇用的工程师也与大学合作进行专有的研发（如Markforged公司），以帮助他们最好地将3D打印融入到企业研发的流程中。因此，与企业进行合作开发的模式也有助于学生更加了解实际情况，解决增材制造过程中遇到的实际问题，而这种教学模式和我国的教学现状是完全不同的。

（三）"现状分析

从国内外增材制造专业和课程教学来看，国内外的教学模式和方法存在很大区别。国内的增材制造专业教学以高校或教育部门主导，更加注重理论，以增材制造的课程实践为辅来进行综合教学，授课内容脱离生产和应用实际。同时，由于增材制造课程引入国内较晚，各类课程与思想政治理论并未同向同行，应融入思想政治教育元素，把“立德树人”作为增材制造专业教育的根本理念，加以深入。与国内相比，国外的增材制造专业教学更偏向以企业为主导。各种规模的企业倾向与大学进行合作研发，这种模式是双赢的。一方面有助于学生了解实际情况，解决增材制造过程中遇到的实际问题，有助于大学生创业（如Markforged公司）；另一方面，大学是创新的源头，新的想法和理念可以帮助企业从增材制造创新中获利，取得原创性突破。

针对这一现状，作者依托武汉理工大学材料成型及控制工程专业对增材制造技术课程进行了教改研究：①从国家重大需求和先进增材制造应用案例出发，将思政元素融入课堂教学，引导学生树立正确的价值观；②采用多维度教学方法，更新材料类前沿专业教学内容，建立课堂—实践—实习—科创“四位一体”的人才培养模式。

二"课程思政元素融入

在增材制造技术课程中，主要围绕“四个面向”中与材料成型和增材制造相关的方向对学生进行讲解，主要从面向世界科技前沿、面向国家重大需求、面向人民生命健康三个方面对学生的价值观进行引导，加强创新创业教育，鼓励学生的创新意识。

（一）"面向世界科技前沿

结合我国未来发展前沿和探月规划，向同学们指出月球科研站建设是世界科技竞争的高地。首先，向同学们介绍我国的战略发展规划。我国未来月球科研站建设的第一步是基本型建设阶段，2035年前，以月球南极为核心，建成功能基本齐全、要素基本配套的综合科学设施。第二步是拓展型建设阶段，2045年前，以月球轨道站为枢纽，建成功能完善、运行稳定的基础设施。而后，引出材料成型和增材制造在科研站建设中的关键作用。在月球科研站建设中，月壤等先进材料的成型是国家战略发展方向，在教学中引导学生注重理论知识学习，打好科研基础。从专业层面进行讲解，月面成型环境与地面完全不同，其大温变、低重力、高真空的特殊环境对于系统稳定性有着极高的要求。现在，月球科研站从设计、材料、精准控制成型工艺，到施工方案，以及机器人设备研发都在同步推进。这些技术的进步，对我国未来深空探测技术的发展将产生重要影响，引导学生跟踪世界科技发展前沿。

（二）"面向国家重大需求

发动机压气机匣、燃烧室机匣、燃油喷嘴、卫星动力仪器舱和潜艇隐身隔振器等先进构件的成形技术是航空、航天、船舶等领域国之重器研制的关键所在。以航空发动机压气机匣为例对同学们进行讲解，首先阐明其作用和意义，引导学生了解国家的战略发展方向。发动机是飞机的“心脏”，是推动飞机快速发展的原动力，是飞机性能、可靠性和成本的决定性因素，航空发动机技术的发展对国防和国民经济有着极其重要的作用，它的每一次突破和进步都标志着人类在航空领域的腾飞。而后，从材料成型专业角度进行讲解，让学生了解关键零部件的成型工艺和方法。发动机压气机匣由于结构非常复杂，通常采用分块成型再进行拼接的方法来制造压气机匣。而发动机长时间高温高压的服役环境对其疲劳性能和零件的缺陷十分敏感，因此拼接成型的部位通常是疲劳裂纹的萌生部位，造成安全隐患。随着增材制造技术的快速发展，其对复杂结构的成型具有明显的优势，现在压气机匣的成型主要材料增材制造整体成型出聚合物熔模，而后进行熔模铸造从而一次整体制造出整个机匣，减少缺陷。通过国内自主研发的整体增材制造成型技术引导学生树立民族自豪感，建立正确的社会主义核心价值观。

（三）"面向人民生命健康

首先，向同学们指出人民健康是人民幸福生活的基础，党和国家始终高度重视人民健康，把人民健康作为现代化建设的重要指标。而后，引出增材制造，在面向人民生命健康的科技创新研究中，不仅生物医疗领域有了重大突破，如Nature期刊报道了中国研究团队在体外培养出全球“最年轻”的人类全能干细胞，在增材制造领域同样有重要成果获得了临床应用。向同学们介绍医用增材制造技术的应用背景，对于肿瘤切除、意外创伤造成的不规则骨缺损患者，由于个体差异大、缺损部位结构复杂，传统规范化的植入物已经无法满足个性化定制的特殊需求。因此，增材制造植入物在这方面具有显著优势，因为其可以根据特殊的病患部位进行植入物的个性化设计和定制，精准匹配不同的病患人群。例如，西安交通大学第一附属医院完成了一例增材制造钛合金肋骨植入手术。某患者肋骨患有骨肿瘤，手术需切除两根肋骨。为恢复肋骨的功能，西安交通大学第一附属医院采用增材制造技术对手术进行了详细规划，成功完成增材制造钛合金肋骨植入手术，打印的植入物与病患部位的骨头精准对位，从而有效降低术后的并发症。从上述例子可以看出，增材制造技术的创新在具体的临床应用中发挥着重要的作用，鼓励学生创新意识。

通过课堂实践发现，将具体的思政案例与课程内容有机融合，课程讲解效果大幅提升。所选案例一是符合国家战略发展方向，引导学生树立正确的学习观和价值观；二是贴合学生专业实际，吸引学生的学习兴趣。

三"“四维度”教学方法改革

为提高教学质量，更新增材制造前沿方向教学内容和方法，建立课堂—实践—实习—科创“四维度”教学方法和人才培养模式（图1），四环节层层深入、梯度配置、互融互促。

图1"课堂-实践-实习-科创“四维度”教学方法与综合创新实践模式

（一）"一课堂：课程理论知识教学体系建设

在材料成型及控制工程专业2024版本科培养方案中开设了增材制造前沿方向专业模块，包括增材制造技术原理、增材制造材料及应用等专业方向课程。发挥本单位在增材制造科研方面的优势，由国家级高层次人才、教授牵头组建了专业教学团队，同时融合本团队科研成果，完善并形成《增材制造技术原理与应用》等系列教材。

（二）"一实践：实验教学平台建设与科学素养的培育

依托硅酸盐建筑材料国家重点实验室、材料复合新技术国家重点实验室、材料学院增材制造实验室、大学生创新创业梦工厂、材料成型专业增材制造技术大学生创新创业能力实践平台等国家级与校级教学和科研平台，在本科生导师制的政策指引下，利用本团队在增材制造方面已有实验条件，以教师科研项目为依托，通过开放性实验的形式引导学生参与高水平科研训练，本科生—硕士生—博士生—博士后联动，发挥增材制造的工程科技创新优势，实现人才培养与科技成果的双产出。

（三）"一实习：校外实习实践与科技视野开拓

在已建有实习基地基础上，建设了面向不同行业、不同应用领域的增材制造前沿技术实习基地，如柳州宝骏基地汽车零件3D测量与再制造、中国东风汽车模具3D打印、新乡驼人集团个性化医疗器械3D打印等，跟踪企业发展前沿和实际需求。此外，开辟若干航空航天、船舶企业实习基地，如中国航天科工二院、中船重工第七〇九所等作为“第二课堂”，通过校企互相支持、双向介入、优势互补，实现高校、大学生、企业三者的“共赢”，创造不同的价值成果。

（四）"一科创：本科生科创团队建设与科技成果转化

面向全校材料类本科生，在教育部材料学科创新型人才培养实验区、学院大学生创新创业中心、学生科创社区平台上，以3D/4D打印技术为主题，组建了多个学科交叉创新创业的科创团队。在团队教师的指导下，积极参加“挑战杯”等大学生科创竞赛，“以赛代教，以赛代学”。获全国大学生“互联网+”大赛国家铜奖、省金奖、省银奖等，指导大学生国家创新训练计划、校自主创新基金合计10余项。在支撑学生保研、读研的情况下，通过课题开发让学生深入了解专业知识并学以致用，促进科技成果转化的同时，培养了学生对专业的兴趣，激发了学生的科技创新潜力。

四"结束语

增材制造是先进制造和智能制造的重要组成部分，但科学技术的快速发展与理论教学脱钩，阻碍了我国增材制造领域高端人才的培养。针对增材制造人才培养的实践性质，作者依托武汉理工大学材料成型及控制工程专业对增材制造技术课程进行了教改研究。首先，将增材制造课程融入思想政治教育元素，从世界科技发展前沿、国家重大需求和人民生命健康出发，在教学中引入各类增材制造应用案例，把“立德树人”作为增材制造专业教育的根本理念，引导学生树立正确的价值观；其次，采用课堂—实践—实习—科创“四维度”教学方法，注重课程理论知识教学体系建设，通过实验教学平台促进科学素养的培育，利用校外实习实践开拓科技视野，通过科创团队建设让学生学以致用，激发学生的科技创新潜力。

参考文献：

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基金项目：湖北本科高校省级教学改革研究项目“材料成型一流专业‘3D打印’前沿学科多维度教学方法与综合创新实践研究”（2023109）；武汉理工大学研究生教育改革专项项目“材料加工一流学科增材制造技术前沿多维度教学方法与综合创新实践研究”（zx2024005）；武汉理工大学校级本科教学改革重点研究项目“材料类专业3D/4D增材制造前沿学科的‘四位一体’教学方法与创新实践”（W2024001）

第一作者简介：刘凯（1987-），男，汉族，湖北孝感人，博士，教授，博士研究生导师，副院长，国家级高层次青年人才。研究方向为陶瓷增材制造技术。

*通信作者：陈鹏（1991-），男，汉族，山东曲阜人，博士，副教授，硕士研究生导师，湖北省高层次人才。研究方向为特种聚合物材料增材制造技术。

DOI：10.19980/j.CN23-1593/G4.2024.36.005