3D打印技術與應用課程的教學模式改革與探索

文世峰 周燕 閆春澤 劉潔 史玉升

摘 ? 要：3D打印技術正在各行各業中發揮重要作用，如何培養高素質的具有創新能力、學習能力和實踐能力的綜合型3D打印技術人才是高等學校需要解決的首要任務。針對當前3D打印技術與應用課程教學存在的教學環節欠完備、教學內容相對陳舊和教學平臺相對單一等問題，提出了引入實驗教學環節、以科研促教學質量提升和建立“學校-企業-國際”多層次實踐教學平臺教學模式改革的舉措與探索，為實現我國“制造2025”輸送更多優秀人才做貢獻。

關鍵詞：3D打印技術 ?教學模式改革 ?全面型人才

中圖分類號：G642 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）10（b）-0167-02

3D打印技術屬于一種新型的先進制造技術，它涉及材料、化學、光學、控制以及計算機等多學科交叉。其應用領域非常廣泛，在航空航天、交通裝備、生物醫療、文化創意等領域都具有十分光明的前景。然而，近年來隨著國內外3D打印技術及應用的爆發式增長，該領域高層次人才數量極度匱乏。從本質上講，3D打印技術的發展高度取決于該領域人才的水平，如何培養高素質的具有創新能力、學習能力和實踐能力的綜合型3D打印技術人才是高等學校需要解決的首要任務。

華中科技大學快速制造中心團隊是國內最早、實力最強的3D打印技術研發科研團隊之一。團隊從1991年起開始3D打印技術與裝備的研發工作，在3D打印教學與科研方面積累了大量經驗。然而，3D打印新技術層出不窮、應用領域不斷拓展，對該項技術人才技能的要求也日益提升。如何充分利用華中科技大學快速制造中心團隊承擔國家級重大項目的科研資源、與企業保持的緊密產學研合作資源、培養具有基礎扎實、知識面廣且深、實踐能力強、國際化前沿視野的3D打印技術和應用的全面型人才迫在眉睫。

1 ?3D打印技術與應用課程的教學模式現狀分析

1.1 教學環節欠完備

3D打印成形技術涉及種類多，包括成形高分子、金屬、陶瓷等材料體系。以金屬為例，成形方法又有激光選區熔化（SLM）、電子束熔融（EBM）、同軸送粉（LNES）等。涉及到的知識體系包括機械、計算機、數控和材料等。本課程目前僅設置32個理論學時，僅僅通過理論教學的方式，學生對各種技術只能形成基本的了解，對3D打印設備的運用及工藝的實現難以有深入的認識和體會。這與學校深化教育教學改革，全面推進素質教育，極力培養實踐能力強的工科學生存在較大差距。

1.2 教學內容相對陳舊

3D打印新技術日新月異，新的應用應接不暇，催生了大量新的研究成果出現。而目前課堂教學使用的課本和教學課件還停留在幾年前，基于此，學生學習的僅僅是相對陳舊的知識和技術體系。一方面，學生會感到課本知識太陳舊太乏味，導致學習興趣不濃，進而影響教師課堂教學質量。另一方面，學生無法接觸到最先進最前沿的3D打印技術及其成果，大大限制了學生知識面的廣度和深度，影響學生后續繼續從事3D打印技術研究的熱情。

2 ?3D打印技術與應用課程的教學模式改革措施及探索

2.1 引入實驗教學環節

為培養學生實際操作3D打印設備的實踐能力，掌握常見3D打印成形工藝，擬引入8個綜合性3D打印材料制備及成形實驗教學環節。該實驗課程來源于、服務于相關的理論課程教學。制訂科學合理的綜合性實驗教學方案：實驗課程教學由3D打印材料和3D打印工藝兩個研究方向的教師承擔，將材料制備和成形方法的知識引入到3D打印實驗中。與傳統實驗教學方法截然不同，該課程實驗內容不由教師確定，而是根據學生自己選擇的課程論文內容來確定，教師給予建議與指導。實驗教學實施具體過程如圖1所示。

2.2 以科研促教學質量提升

學校具有較強的科研實力，擁有較好的科研平臺。在這種背景下，一方面，教師通過在多項國家級重大項目中全方位鍛煉專業能力，包括在項目前期調研、項目申報、項目實施及項目結題等環節，對3D打印技術的全球前沿方向及熱點動態把握較準。同時在項目實施過程中會對當前3D打印技術產生新的觀點、新的見解，提升對3D打印技術的認識水平，將其融入到課堂教學的知識體系中，促進在后續課堂教學中教師“教”的質量提升。

另一方面，基于教師承擔的前沿科研項目，學生可根據自身能力和興趣加入相應的研究小組。在教師及研究生的指導下，學生對3D打印技術的理論知識會有更深入的理解，對3D打印設備的操作技能會有顯著提升。同時學生加入到某一個具體的課題研究中，會很好的培養學生發現問題、思考問題和解決問題的學術研究能力，最大程度的激發學生的好奇心和求知欲，提高學生學術研究水平的同時，必將促進該門課程學生“學”的質量提升。

通過上述教師“教”和學生“學”的“兩位一體”的質量改進，實時更新教學內容，實現以科研促教學質量提升的目的。

2.3 建立“學校-企業-國際”多層次實踐教學平臺

團隊將在學校的支持下，以材料成形與模具技術國家重點實驗室為依托，建設國內領先的3D打印技術實驗中心。根據3D打印實驗教學和學生課題研究內容，將團隊自行研發的3D打印設備與國家重點實驗室相關設備集中起來，構建專門為培養學生服務的3D打印實驗中心。該中心將配備多種先進的3D打印設備、材料合成及制件性能測試分析設備等，學生在此可實現3D打印成形材料合成與制備、3D打印成形工藝和3D打印制件性能分析等，必將有效地保障學生實踐教學和課題研究的完成。

邀請全球3D打印領域專家來校做學術報告交流，讓學生在交流中激發學習興趣，了解該技術當前最新發展前沿動態。鼓勵學生假期赴國外對口高校實驗室訪學，深入了解國外實驗室在3D打印技術最新研究成果，培養學生國際化視野。

以此，建立起“學校-企業-國際”多層次實踐教學平臺，全力培養3D打印技術和應用的全面人才。

3 ?結語

3D打印技術被稱為當今制造業的一場革命，該領域全面型人才的培養迫在眉睫。目前該課程的教學存在問題較多，教學模式需要不斷的探索、思考和研究。應從3D打印技術課程自身的特點，理論和實驗教學并重，以科研促教學，建立“學校-企業-國際”多層次實踐教學平臺，通過教學、實踐以及教學實驗中心的建設全流程提升3D打印人才培養質量，為實現我國“制造2025”輸送更多優秀人才做出貢獻。

參考文獻

[1] 史玉升，閆春澤，周燕，等.3D打印材料[M].武漢：華中科技大學出版社，2019

[2] 蔣文明，吳和保，于傳浩，等.對材料成型及控制工程專業實踐教學的思考與探索[J].科技創新導報，2012（34）：172-174.

[3] 王玥霽，程莎莉，劉敬露，等.“3D打印”工程實訓課程混合式教學模式改革研究[J].科教文匯，2018（10）：65-69.