基于校企聯合的3D打印實踐基地教學模式探討

侯娟

（上海理工大學 材料與化學學院，上海 200093）

高端裝備制造是提升制造業競爭力、實現《中國制造2025》的核心競爭力，是提升我國綜合國力、實現關鍵技術彎道超車的關鍵環節。隨著世界各國對氣候變化的認識更加深刻，全球碳排放壓力與日俱增，對我國的產業結構提出了新的挑戰。為了順利實現“30·60”雙碳目標，需要加快推進節能環保、減污降碳的高質量產業轉型，對高端裝備升級和制造能力提出了進一步的要求。

3D 打印技術以其設計自由度高、 加工周期短、原材料損耗低以及適合復雜構件直接近凈成形的獨特優勢，近年來引起了各行業的廣泛關注，在生物醫療、航空航天、汽車制造、能源發電等高科技和高端制造領域得到快速發展和應用。3D 打印是快速原型制造技術的一種，也稱為增材制造（AM），被譽為“第三次工業革命”的核心技術。3D 打印技術20世紀80年代被應用在模型制造和原型制造領域[1-3]，迄今為止已經經歷了三十年的發展，是目前世界上廣泛應用在制造業的先進技術之一，尤其金屬3D 打印被認為是將來制造業的主導方向。

2018年全球3D 打印產業規模為73.4 億美金，預計到2024年有可能達到356 億美金。從2017年設備數量和分布上看，美國目前各種3D 打印設備的數量占全世界40%，而中國只有8%左右。從技術發展角度分析，我國3D 打印目前還處于初期成長階段，大量專業人才的培養，將決定未來我國3D 打印技術的發展速度和趨勢。

由于金屬3D 打印技術在我國仍處于初期發展階段，受設備普及程度低、操作難度大、原材料成本高等因素限制，目前高校中3D 打印相關教學工作多停留在理論教學階段，學生缺乏實踐操作經驗，認知僅停留于表面[4,5]。針對這種現狀，探討新的理論結合實踐的教學模式十分必要。本文基于國內高校3D 打印專業課程開設和人才培養現狀，探討了如何培養學生實踐操作能力的教學模式。

1 我國金屬3D 打印技術發展及人才培養現狀

金屬增材制造技術發展至今，根據原材料、能量源和工作原理等已經細分成了很多工藝領域，如圖1所示。其中激光束由于具有高可靠性，卓越的激光穩定性，功率連續可調，被廣泛應用于金屬3D 打印制備。激光金屬沉積又被分為選區激光熔化（SLM）、直接金屬激光燒結（DMLS）、激光金屬熔覆（LMF）。SLM 由于原材料適用范圍廣、成形零件精度高、復雜零件制造工藝簡單、周期短、材料利用率高、成形零件的力學性能良好等優點，獲得了廣泛的關注和發展。

圖1 增材制造方法的分類

從圖2中金屬3D 打印產業生命周期來看，金屬3D 打印在我國及國外還處于技術導入期，尚未進入生長期和成熟期，發展前景十分廣闊，因此有必要在對該技術進行廣泛推廣和深入布局。截至2021年，由于航空航天、軍工、模具、醫療（齒科骨科）等行業的崛起，我國對金屬3D 打印的需求逐漸爆發，擁有近百臺金屬打印設備的廠家將達8 家甚至更多。各高等院校和大型企業紛紛布局建設3D 打印平臺。

圖2 金屬3D 打印產業生命周期

3D 打印技術人才主要從事相關的研究和開發工作，屬于專業技術人才范疇，需要具備一定的專業基礎并經過專門培訓，主要側重于機械設計、機械控制、軟件算法以及材料等專業。目前我國3D 打印專業技能人才的短缺狀況依然十分嚴重，一份2017年的報告提到，3D 打印行業的專業人才缺口超過千萬。其中制造行業對3D 打印應用人才需求最大，缺口約為800 萬。2021年《教育部關于公布2020年度普通高等學校本科專業備案和審批結果的通知》中，正式將“增材制造工程”列入專業列表[6]。增材制造工程專業的正式推出，有望可以滿足快速發展的3D 打印行業對于專業技能人才的需求。

2 高校3D 打印教學現狀

目前，越來越多的高等院校和中職院校開設3D 打印相關專業課程，但目前的課程開設多停留在科普或簡單理論知識介紹方面，并未形成系統的學科建設，在人才培養方面還存在如下困境。

2.1 硬件條件不足

由于金屬3D 打印設備價格昂貴，導致很多學校無力采購專門用于教學的金屬3D 打印設備。多數學校的3D 打印課程僅限于理論課程學習，或購買較便宜的塑料3D 打印設備，用于教學展示。學生很少有機會實際了解和接觸金屬3D 打印技術。

2.2 前期布局不充分

由于我國3D 打印技術仍處于起步階段，3D 打印技術屬新興技術，很多學校尚未布局相關學科，尚未建設系統的培養計劃，導致相關專業的學習停留在皮毛階段。

2.3 師資力量薄弱

有些高校并未投入3D 打印相關設備和研究條件，也缺乏從事相關專業的專職教師。甚至部分高校3D 打印課程的授課教師本身并不了解該技術，僅僅是選擇了一門相關教材，對學生進行理論知識灌注，完成教學任務。導致學生無法深入理解相關理論及技術要點，學習停留在紙上談兵的階段。

2.4 實踐操作不足

金屬3D 打印過程是一個系統性的復雜流程，包括前期原材料處理、打印設計、打印過程以及后處理等。這些過程不僅涉及的學科知識點多，而且靈活性強，針對不同的打印件，可以傳授給學生的知識點也有所不同。因此，缺乏實際上機操作或現場觀摩的話，無法達到良好教學效果。

綜上所述，當前高等院校中3D 打印課程的教學主要存在理論體系不完善和缺乏實踐的問題，課程的開設無法對學生的未來就業形成實際的指導作用，學生缺乏實踐認知和操作的機會，僅僅停留在枯燥乏味的書本講讀階段，因此，學生的學習積極性不高。課程內容很容易脫離生產實際，部分學生直至課程學完，都沒有機會目睹3D 打印過程。

3 校企聯合實踐基地教學改革方案

千里之行，始于足下，針對目前國內3D 打印專業人才學科教育和培養模式中存在的問題，有必要從現實狀況入手對現有教學模式提出改革方案。近年來，隨著我國3D 打印技術被越來越多的行業關注和接受，涌現出大批相關企業，金屬3D 打印設備的裝機量也呈現激增趨勢。值得一提的是，雖然擁有了較多的設備安裝量，但多數企業仍受限于專業技術人才的短缺，甚至有些大型復雜設備由于缺少專業技術人員，常年處于開機少或停機狀態。由此可見，困擾我國3D 打印行業發展的現狀之一就是高等院校缺少設備平臺、 無法開展系統化的人才培養，而相關企業則缺少專業技術人才，限制了研發和生產水平的提高。

因此，有必要開發和推廣校企聯合建立實踐教學基地的新型教學模式，促進3D 打印專業學科教育的規?；腕w系化，解決我國3D 打印技能人才嚴重短缺的現狀，以應對即將到來的行業生長期和成熟期對人才井噴式的需求增加。建立校企聯合實踐教學基地的具體實施內容如下。

3.1 校內課程體系改革調整

由于目前多數學校開設的3D 打印相關課程授課內容單一，并且課程設計過程中嚴重脫離實際，缺乏針對3D 打印生產流程的理論知識學習。因此，首先需要對校內理論學習課程內容進行調整。針對金屬3D 打印的原材料處理、模型設計、打印過程以及后處理等，開設系統學習課程。授課過程中，可穿插視頻教學內容，讓學生進一步了解3D 打印過程。通過系統的理論學習之后，學生可對3D 打印理論知識形成系統的認知。

3.2 企業導師參與校內教學

建立企業導師制，由企業選拔優秀現場技術人員擔任企業導師。在學生進行校內理論學習階段，考慮到目前高等院校內多數專業教師并不具備現場生產經驗，對部分知識難以講透，無法形成深入淺出的良好教學效果，與現場密切相關的部分學習內容，邀請企業導師到校內進行課堂教學。企業導師可側重將與現場生產和安全管理相關的知識普及給學生，也可以具體零部件的3D 打印流程為例進行講解，提高課程內容的生動性和多樣性。

3.3 學生進入實踐基地現場學習

現場學習內容由校內專職教師和企業導師共同探討后制定課程體系，企業為學生配備企業指導教師，隨后學生進入實踐基地學習。學習期間，學生服從企業管理制度，根據企業生產內容和特色，對學習內容進行劃分后分組輪流學習，最終在整個實踐學習活動之后，保證每位學生都參與了實踐學習活動，得到了實際操作相關的培訓。

3.4 學習效果考評與考核模式

校企聯合實踐基地教學模式的課程設置主要圍繞理論學習與實踐學習兩部分。理論課程主要包括3D 打印基礎課程，培養學生對3D 打印的基本認識，課程內容包括3D 打印金屬原材料、零部件設計、數值模擬仿真、工藝優化方法，以及金屬材料基本理論知識和試驗分析方法，學習效果主要以學校考試的形式進行考核。實踐課程的設置將圍繞金屬3D 打印技術開展實踐課程教學。實踐教學內容包括原材料制備過程、 檢測方法，數模設計和優化過程學習，打印工藝參數優化方法及過程控制，打印后處理工藝學習。實踐課程結束時，將有企業工程師和導師聯合對學生的實踐成績進行考評，從學習能力、動手能力、團隊協助、安全意識等方面進行綜合評估。

4 結語

校企聯合3D 打印實踐基地新型教學模式的建立，預期將會對學生的培養質量起到積極的正向作用，激發學生對本專業的學習興趣，深入掌握專業相關技能和知識。學生在校內系統理論學習的基礎上，結合實踐基地的實際操作培訓，將達到理論結合實踐的良好教學效果，為學生進入未來職業階段奠定基礎。因此，校企聯合實踐基地教學模式，不僅能夠進一步提高3D 打印學科的教學質量，更有利于為3D 打印行業培養出一大批經過嚴格專業培養并且理論結合實踐的專業型技能人才。