“新工科”下3D 打印前沿學(xué)科三位一體多維度教學(xué)模式研究

魏青松，李繼康，閆春澤，廖敦明，樊自田，史玉升

（華中科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，材料科學(xué)與工程國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，湖北 武漢 430074）

教育部在 2017 年發(fā)布的《關(guān)于開展新工科研究與實(shí)踐的通知》中提出了“新工科”建設(shè)構(gòu)想[1]。在高校人才培養(yǎng)環(huán)節(jié)上，傳統(tǒng)工科專業(yè)須隨時(shí)代發(fā)展逐步轉(zhuǎn)型升級，應(yīng)在原有專業(yè)優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，將創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育貫穿大學(xué)生人才培養(yǎng)的全過程，達(dá)到“新工科”多維度、多層次、復(fù)合型大學(xué)生人才的培養(yǎng)目標(biāo)[2-3]。針對應(yīng)用型工科高校，通過建設(shè)應(yīng)用型課程，才能進(jìn)一步增強(qiáng)培養(yǎng)目標(biāo)與課程建設(shè)、理論知識與應(yīng)用能力的契合度[4]。

3D 打印是近10 多年來制造領(lǐng)域的前沿技術(shù)，融合了材料科學(xué)、機(jī)械科學(xué)、計(jì)算機(jī)控制、軟件算法等多學(xué)科內(nèi)容，具有顯著的多學(xué)科交叉特征。在高校人才培養(yǎng)方面，通過該技術(shù)可提高學(xué)生對專業(yè)知識的學(xué)習(xí)興趣和科技創(chuàng)新熱情，有望成為材料類專業(yè)“新工科”建設(shè)的著力點(diǎn)、突破點(diǎn)。但同時(shí)，由于其發(fā)展時(shí)間短，原理、工藝和設(shè)備的系統(tǒng)性和成熟度較傳統(tǒng)學(xué)科差距較大，在教學(xué)資源和培養(yǎng)模式等方面還有待開發(fā)與探索。

1 國內(nèi)外的教學(xué)現(xiàn)狀與問題

自2012 年3D 打印技術(shù)受到廣泛關(guān)注以來，國外一些高校主要以開設(shè) 3D 打印專業(yè)必修或選修課程為主，涉及產(chǎn)品設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)制造、材料科學(xué)等相關(guān)專業(yè)。如以色列阿費(fèi)卡工程學(xué)院[5]面向本科生建立了基于3D 打印的PBL（project-based learning，基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)）教學(xué)模型，開設(shè)為期14 周的課程，包含理論授課、講座交流、項(xiàng)目實(shí)踐等環(huán)節(jié)，分小組為殘疾人設(shè)計(jì)并打印生活工具（如藥物開瓶器、帕金森患者開門把手、盲人3D 拼圖等），提升了學(xué)生的創(chuàng)新能力。除此之外，其他諸多國外高校在 3D 打印教學(xué)方面也進(jìn)行了積極的探索與實(shí)踐[6-7]。

國內(nèi)高校對3D 打印學(xué)科人才的培養(yǎng)也非常重視，主要通過課程教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的方式開展。課程教學(xué)方面：大批材料類專業(yè)優(yōu)勢高校均開設(shè) 3D 打印專業(yè)課程，或?qū)⑵淙谌雮鹘y(tǒng)的鑄造、鍛造、焊接材料成形工藝等課程中，如四川大學(xué)[8]、山東大學(xué)[9]、北京航空航天大學(xué)[10]等；實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面：面向材料、機(jī)械、能源等專業(yè)學(xué)生，將3D 打印納入金工實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，如西安交通大學(xué)機(jī)械學(xué)院[11]以 3D 打印技術(shù)為著力點(diǎn)，構(gòu)建了課內(nèi)實(shí)驗(yàn)、CDIO 實(shí)驗(yàn)、科研實(shí)驗(yàn) 3 層次的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，實(shí)現(xiàn)了“基礎(chǔ)知識—創(chuàng)新設(shè)計(jì)—快速制造—評估改進(jìn)”全鏈條的機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)教學(xué)改革；河北工業(yè)大學(xué)工程訓(xùn)練中心建立了3D 打印實(shí)驗(yàn)室[12]，可完成三維掃描、逆向建模、三維設(shè)計(jì)、打印成形等層次化實(shí)驗(yàn)，提升了學(xué)生綜合創(chuàng)新能力和實(shí)踐動手能力。此外，還有諸多高校在這方面也進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)踐與探索[13-15]，并取得良好的成效。

綜上所述，國內(nèi)外高校越來越重視培養(yǎng) 3D 打印科技人才，絕大多數(shù)高校開設(shè)了相關(guān)課程，搭建了實(shí)驗(yàn)實(shí)踐平臺，為創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才培養(yǎng)提供技術(shù)支撐。但目前仍存在以下問題。

（1）課堂教學(xué)缺乏專業(yè)、實(shí)時(shí)、系統(tǒng)的教材，更缺少專業(yè)教師，課程體系設(shè)置不規(guī)范合理，學(xué)生難以全面、系統(tǒng)地學(xué)習(xí)，得到專業(yè)化培養(yǎng)。

（2）實(shí)驗(yàn)教學(xué)大多以低成本的桌面消費(fèi)級 3D 打印機(jī)為主，學(xué)生很難接觸到工業(yè)級 3D 打印設(shè)備，對整個 3D 打印體系的理解具有片面性，且實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)間短。

（3）未形成長期有效的科研科創(chuàng)實(shí)踐有機(jī)體系，缺乏科學(xué)思維能力的訓(xùn)練，且實(shí)踐培訓(xùn)各環(huán)節(jié)相互獨(dú)立，與科技創(chuàng)新以及一線科研脫節(jié)，未能形成實(shí)用性強(qiáng)的培訓(xùn)模式。

2 “課堂—實(shí)驗(yàn)—科創(chuàng)”多維度教學(xué)模式的建設(shè)與實(shí)踐

針對以上問題，結(jié)合本單位的材料專業(yè)發(fā)展實(shí)際情況，提出了“課堂—實(shí)驗(yàn)—科創(chuàng)”三位一體的多維度教學(xué)模式，并進(jìn)行了實(shí)踐與探索，如圖1 所示。其中課堂主要實(shí)現(xiàn)對基礎(chǔ)理論知識的學(xué)習(xí)和掌握，實(shí)驗(yàn)主要實(shí)現(xiàn)對科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)和實(shí)踐，科創(chuàng)主要實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)有技術(shù)的創(chuàng)新與轉(zhuǎn)化。這三個環(huán)節(jié)層層深入、梯度配置、互融互促，形成“學(xué)—做—創(chuàng)”的多維度有機(jī)體系，達(dá)到工程實(shí)踐與科學(xué)思維的統(tǒng)一，在培養(yǎng)多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才方面取得了良好的成效。

The application of HWENO-LW scheme and immersed boundary method

2.1 課堂——夯實(shí)學(xué)生的學(xué)習(xí)掌握能力

3D 打印技術(shù)是一門綜合性學(xué)科。在已開設(shè)“材料成形原理”“材料成形工藝”“金屬學(xué)與熱處理”等必修課基礎(chǔ)上，設(shè)置 3D 打印模塊選修課，具體流程如下。

（1）制訂培養(yǎng)方案，培養(yǎng)能夠從事與3D 打印有關(guān)的材料研發(fā)、三維建模、軟件開發(fā)、自動化控制、結(jié)構(gòu)拓?fù)湓O(shè)計(jì)等領(lǐng)域?qū)捒趶健⒀芯啃汀?fù)合型高級技術(shù)人才。

（2）搭建教師隊(duì)伍，組建以實(shí)驗(yàn)室為核心的教師團(tuán)隊(duì)，包括科研一線帶頭人、技術(shù)骨干和海外引進(jìn)青年學(xué)者，保證講授內(nèi)容的專業(yè)性、實(shí)時(shí)性和前沿性。

（3）規(guī)范課堂教材，融合團(tuán)隊(duì)科研成果和國內(nèi)外最新技術(shù)發(fā)展編寫《增材制造技術(shù)原理及應(yīng)用》《3D打印技術(shù)概論》等近10 本適合大學(xué)教學(xué)的3D 打印教材[16-19]，形成模塊化的教材體系。

（4）減少純理論和純技術(shù)內(nèi)容，以問題為導(dǎo)向，以實(shí)例為主講授 3D 打印的技術(shù)原理、工藝特點(diǎn)以及應(yīng)用場合和效果。

圖1 3D 打印學(xué)科“課堂—實(shí)驗(yàn)—科創(chuàng)”多維度教學(xué)模式

該模塊選修課實(shí)施以來，每學(xué)年有超過半數(shù)的專業(yè)學(xué)生選修，這在一定程度上反映出學(xué)生對新興學(xué)科的學(xué)習(xí)興趣和熱情。課堂教學(xué)使學(xué)生掌握了 3D打印基本理論與方法，為實(shí)驗(yàn)教學(xué)和科創(chuàng)實(shí)踐奠定了基礎(chǔ)。

2.2 實(shí)驗(yàn)——鍛煉學(xué)生的挖掘探索能力

為使抽象的理論實(shí)際化，開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)創(chuàng)新探索能力不可缺少的環(huán)節(jié)。在此環(huán)節(jié)，將第一課堂延伸至實(shí)驗(yàn)室，學(xué)生扮演主要角色，通過實(shí)際操作提升學(xué)生的感性認(rèn)識。在給定應(yīng)用背景下，學(xué)生自主選題，以小組合作形式查閱文獻(xiàn)、自主設(shè)計(jì)三維創(chuàng)新結(jié)構(gòu)、自主操控打印設(shè)備、自主后處理等，將理論與實(shí)踐相結(jié)合，提升小組協(xié)作能力和創(chuàng)新熱情動力。具體實(shí)施流程如下。

（1）制訂整體實(shí)施方案。開設(shè)“材料制備及組織性能綜合實(shí)驗(yàn)”等相關(guān)實(shí)驗(yàn)課程，并作為必修課，共8 個學(xué)時(shí)，組織學(xué)院全體學(xué)生分班級參與。

（2）搭建教師隊(duì)伍和實(shí)驗(yàn)平臺。理論授課由高級工程師、實(shí)驗(yàn)員擔(dān)任，設(shè)備操作講解由博士研究生擔(dān)任，組成“教師+研究生助教”授課體系。針對不同的 3D 打印技術(shù)，搭建不同的實(shí)驗(yàn)平臺，提供包括價(jià)格幾千元的 FDM 桌面消費(fèi)級打印機(jī)、近百萬元的SLM/3DP 等工業(yè)級打印機(jī)等設(shè)備，滿足學(xué)生需求。

（3）編寫教材。將3D 打印相關(guān)的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)整理成冊，作為實(shí)驗(yàn)操作類參考教材，包含明確的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)、實(shí)驗(yàn)任務(wù)、實(shí)驗(yàn)方案、操作步驟等，對學(xué)生獨(dú)立自主開展實(shí)驗(yàn)起到重要的作用。

（4）開展教學(xué)。通過“小組實(shí)驗(yàn)—結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)—打印成形—提交報(bào)告”的形式，開展整個教學(xué)過程。合理分組：根據(jù)興趣選擇不同的3D 打印方式，每組4~5人。設(shè)計(jì)模型：小組合作設(shè)計(jì)創(chuàng)新性結(jié)構(gòu)模型，解決生活難題。開始打印：每位學(xué)生上手操作設(shè)備，探索打印過程中不同工藝參數(shù)對成品質(zhì)量的影響。形成報(bào)告：以實(shí)驗(yàn)報(bào)告的形式對整個環(huán)節(jié)進(jìn)行總結(jié)，并以3D打印技術(shù)為點(diǎn)，探討該技術(shù)與自己所學(xué)專業(yè)在未來可能的結(jié)合點(diǎn)，由點(diǎn)及面地激發(fā)創(chuàng)新意識。

在整個實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生自主設(shè)計(jì)創(chuàng)新結(jié)構(gòu)解決生活難題，采用不同 3D 打印技術(shù)打印出的實(shí)驗(yàn)作品如圖2 所示。例如，在建筑領(lǐng)域，為開拓未來在該領(lǐng)域的應(yīng)用，采用工業(yè)3DP 噴印設(shè)備黏結(jié)原砂，設(shè)計(jì)并成形了岳陽樓的建筑砂模；航天領(lǐng)域，為使噴氣式發(fā)動機(jī)支架輕量化，查閱相關(guān)文獻(xiàn)對其進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，并采用工業(yè)3DP 設(shè)備黏結(jié)金屬粉末，實(shí)現(xiàn)了快速無模化制造多曲面金屬零件的目標(biāo)；工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，為探索SLM 可成形的最小壁厚，采用SLM 設(shè)備激光熔化不銹鋼粉末，成形了壁厚為 0.2 mm 的蜂窩結(jié)構(gòu)；環(huán)保汽車領(lǐng)域，為提高汽車尾氣的凈化效果，采用工業(yè)3DP 設(shè)備成形蜂窩陶瓷，增大了尾氣接觸面積，提升催化凈化率；工藝設(shè)計(jì)領(lǐng)域，采用SLA、FDM 技術(shù)，成形光敏樹脂和聚乳酸工藝品等。

圖2 學(xué)生采用不同3D 打印技術(shù)打印出的實(shí)驗(yàn)作品

這種實(shí)驗(yàn)教學(xué)形式，培養(yǎng)了學(xué)生“發(fā)現(xiàn)問題—分析問題—提出問題—解決問題—迭代優(yōu)化”的科學(xué)研究基本邏輯，鍛煉科學(xué)閱讀、科學(xué)實(shí)驗(yàn)、科學(xué)表達(dá)、科學(xué)協(xié)作的科研能力技巧，為未來讀研深造打下了基礎(chǔ)。

2.3 科創(chuàng)——培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用轉(zhuǎn)化能力

在課堂教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基礎(chǔ)上，學(xué)生有了理性和感性的認(rèn)識，但僅僅停留在認(rèn)知的層面，對創(chuàng)新能力的轉(zhuǎn)化依然較難。為此，我校搭建了面向全校本科生的 3D 打印團(tuán)隊(duì)平臺，聘請專業(yè)教師作指導(dǎo)，吸納大一至大四學(xué)生，建立科技創(chuàng)新實(shí)踐梯隊(duì)，營造了傳幫帶的技術(shù)傳承氛圍，在學(xué)校和學(xué)院層面起到了良好的示范作用。具體實(shí)施流程如下。

（1）制訂培養(yǎng)方案。團(tuán)隊(duì)以基于3D 打印技術(shù)培養(yǎng)學(xué)科交叉型復(fù)合人才為理念，通過項(xiàng)目制形式，將研究生科研課題引入本科生科創(chuàng)競賽，積極引導(dǎo)學(xué)生參加如“挑戰(zhàn)杯”“互聯(lián)網(wǎng)+”等創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)比賽，激發(fā)學(xué)生的科技創(chuàng)新潛能。

（2）搭建科創(chuàng)平臺。設(shè)立建模組、控制組、軟件組、材料組、運(yùn)營組等，并擁有獨(dú)立的工作室和零件加工設(shè)備，為科創(chuàng)活動提供便利。

（3）組建指導(dǎo)教師隊(duì)伍?？蒲许?xiàng)目與實(shí)驗(yàn)教學(xué)不同，整個項(xiàng)目實(shí)施周期長、團(tuán)隊(duì)合作性強(qiáng)、技術(shù)要求高等，需要教師和學(xué)生有耐心、恒心、細(xì)心，期間指導(dǎo)教師起較為關(guān)鍵的作用，主要對學(xué)生的科技創(chuàng)新各個環(huán)節(jié)進(jìn)行指導(dǎo)和把關(guān)，促進(jìn)向更高水平發(fā)展。

（4）開展科創(chuàng)項(xiàng)目。以項(xiàng)目制形式研發(fā)3D 打印新設(shè)備，建立了“三維噴印打印機(jī)”“粒料3D 打印機(jī)”“體三維顯示器”等設(shè)備研發(fā)項(xiàng)目，本科生團(tuán)隊(duì)部分研發(fā)項(xiàng)目如圖 3 所示。每個項(xiàng)目包含機(jī)械、控制、軟件、材料等不同方向?qū)W生，以“機(jī)械設(shè)計(jì)—零件加工—裝配調(diào)試—迭代優(yōu)化”一體化合作方式完成。在整個過程中，學(xué)生的動手操作能力、獨(dú)立思考能力、嚴(yán)謹(jǐn)論證能力等都潛移默化地得到有效提升。

圖3 本科生團(tuán)隊(duì)部分研發(fā)項(xiàng)目

近兩年來，整個科創(chuàng)團(tuán)隊(duì)在國家級、省級等賽事中取得優(yōu)異成績，如挑戰(zhàn)杯、創(chuàng)青春等賽事獲獎 10多項(xiàng)，大創(chuàng)項(xiàng)目國家級立項(xiàng)3 項(xiàng)、申請發(fā)明專利8 項(xiàng)、軟件著作權(quán)4 項(xiàng)、注冊公司3 家等，形成了良好的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)氛圍，吸納了大量學(xué)生參與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐。

3 結(jié)語

3D 打印技術(shù)作為近年熱門的材料成形技術(shù)，相對于傳統(tǒng)加工技術(shù)，具有前沿性、創(chuàng)新性等，將其引入多層次、復(fù)合型人才的培養(yǎng)過程中具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文以該技術(shù)為核心，面向高校本科生探索構(gòu)建了“課堂—實(shí)驗(yàn)—科創(chuàng)”三位一體的多維度特色培養(yǎng)體系，取得了一定的成效，其中課堂教學(xué)是實(shí)驗(yàn)教學(xué)和科創(chuàng)實(shí)踐的基礎(chǔ)，科創(chuàng)實(shí)踐是兩者的提升與強(qiáng)化。在 3D 打印技術(shù)人才培養(yǎng)過程中，激發(fā)了學(xué)生科創(chuàng)實(shí)踐熱情，使得創(chuàng)新能力和創(chuàng)業(yè)意識均取得較大突破；同時(shí)科研一線教師貫穿整個培養(yǎng)體系，使得教研互融、教學(xué)相長，促進(jìn)了科研隊(duì)伍與教學(xué)隊(duì)伍并重向高水平發(fā)展。

面向“新工科”培養(yǎng)復(fù)合型人才的需求，將進(jìn)一步探索健全更完備的 3D 打印技術(shù)培養(yǎng)體系，更加注重跨學(xué)科實(shí)踐，從而循序漸進(jìn)引導(dǎo)學(xué)生養(yǎng)成勤于思考、勇于實(shí)踐的好習(xí)慣，為推進(jìn)“雙一流”和“新工科”的內(nèi)涵式發(fā)展貢獻(xiàn)力量。