面向智能制造的新工科課程教學改革與探索
——以“增材制造工藝與材料”課程為例

李安海，周詠輝

（1.山東大學 機械工程學院，山東 濟南 250061；2.高效潔凈機械制造教育部重點實驗室，山東 濟南 250061；3.機械工程國家級實驗教學示范中心〔山東大學〕，山東 濟南 250061）

前言

智能制造是“中國制造2025”的主攻方向，智能制造工程是在國家“中國制造2025”規劃背景下設立的新工科專業，這將為推動中國制造由大變強提供強大的驅動力，可為培養具有全球視野的智能機械制造專業技術人才打下堅實的基礎［1-3］。智能制造工程新工科專業的人才培養需滿足經濟社會發展和國防建設對重大技術裝備的需求，強化工業基礎能力，提高綜合集成水平，培養多層次、多類型人才，促進產業轉型升級，培育有中國特色的制造文化，實現制造業由大變強的歷史跨越［4-5］。增材制造技術（3D打印）采用離散-堆積原理三維數據驅動、分層打印、疊加成形的方式逐層增加材料來直接制造三維實體零件［6］。3D打印是數字化直接制造、按需制造和就地制造，是智能制造的主要支撐技術。相對于傳統的材料切削成形，由于增材制造的靈活性，3D打印的材料添加成形是一種重大創新,從而使人們在設計產品時可以更多地關注產品的物理性能而非可實現性。增材制造技術可實現任意材料、任意結構、任意批量、任意領域、任意場所的生產制造，將為智能制造、綠色制造和服務制造提供新的制造模式［7］。

“增材制造工藝與材料”是高等工科學校本科四年制增材制造、機械制造類專業的一門主干專業基礎課程，其任務是使學生了解和掌握增材制造種類、不同增材制造方式工藝特點、所需材料及性能，初步具備根據不同的工程應用環境，選擇適當增材制造方法、進而完成材料選擇并制定工藝規程的能力。該課程包括典型增材制造工藝、增材制造常用材料、增材制造工程應用等。本課程在培養高級工程技術人才的全局中，讓學生掌握未來新型制造模式的工藝原理和方法手段，拓寬學生的知識結構，增強學生對新機械工程技術工作的適應性，培養其面向未來的創新能力，探索和解決復雜增材制造過程中的工程技術問題。近年來，山東大學機械工程學院（以下簡稱“我院”）在機械設計制造及其自動化專業開設“增材制造工藝與材料”“快速原型制造原理與裝備”等增材制造相關課程，亟待在教學內容和成績評定方面針對智能制造工程新工科專業的培養目標和要求進行整合優化和改革創新，以適應智能制造工程專業在增材制造工藝與材料方面高精專業技術人才培養的需要。

一、面向智能制造的課程教學內容設計與完善

“增材制造工藝與材料”課程是我院為培養增材制造技術研究和開發專業人才而在智能制造新工科專業開設的專業課程，該課程的總體目標是使學生對增材制造基本工藝方法及其使用領域、常用材料性能及其應用有一個初步了解，為學生今后從事增材制造的研究和開發創新奠定必要的基礎，使學生具有掌握增材制造工程基礎知識和本專業的基本理論知識，具備解決工程技術問題的基本技能。增材制造技術的發展趨勢是：從塑料快速原型制作到金屬零件制造；從單一材料結構到多種材料和嵌入結構；從增材制造到增材和切削加工的集成；和傳統工藝融合，突破規模、成本和材質的限制。

將該課程定位為智能制造必修的重要專業課程，使學生了解和掌握智能增材制造種類、不同增材制造方式工藝特點、所需材料及性能，初步具備根據不同的智能制造工程應用環境，選擇適當增材制造方法，進而完成材料選擇并制定智能工藝制造規程的能力。該課程包括典型智能增材制造工藝、增材制造常用材料、增材制造工程應用等。

圖1所示為面向智能制造的課程教學內容設計與完善思路。針對智能制造的發展前沿研究方向，結合本課程特點，開展了教學內容重點的“三個轉移”：（1）將教學重點由通用熔融沉積成型塑料打印向復雜金屬零件激光增材制造工藝過程與材料性能演化等轉移；（2）從單一材料結構打印成型向多材料嵌入結構混合打印或同時打印轉移；（3）從單一增材制造工藝模式向混合增材制造技術（增材制造與其他傳統制造方式的混合制造方式）工藝與材料成型過程轉移。

圖1 面向智能制造的課程教學內容設計與完善思路

二、融合多種教學方式與分組教學的自主學習能力培養

圖2展示了融合多種教學方式與分組教學的自主學習能力培養流程。教學方式主要體現在啟發式教學、問題驅動項目研究式教學和探索交互式教學等。

圖2 融合多種教學方式與分組教學的自主學習能力培養流程

1.采用啟發式教學，激發學生自主學習的興趣和潛力，培養學生獨立分析問題、發現問題和解決問題的基本能力，引導學生通過自學和實踐學到自己感興趣的知識。在教學手段上，采用電子教案和CAI教案、多媒體教學和傳統黑板板書與教具教學相結合的方式，擴大課堂教學信息量，增強課堂教學內容的直觀性和易學性。運用多媒體教學、模型教學、案例教學、課堂教學與現場教學相結合的教學方法與手段，遵循啟發式原則、實踐性原則、直觀性原則、傳授知識與培養能力相統一的原則，以學生為主體，充分調動學生的學習積極性。

2.采用問題驅動項目研究教學方式，引導并鼓勵學生開展項目研究，3～5人一組，凝練項目主題內容，培養學生自主發現問題和解決問題的能力，提出解決方案，并相互討論確定采用增材制造技術解決實際工程中的問題和生活中的問題，采用團隊協作相互督促的方式完成項目研究工作，并在課堂進行團隊成果展示答辯。通過書面報告和口頭表達相結合的形式，考查學生的綜合學習能力。

3.采用探索交互式教學方法，在課前鼓勵學生利用大學慕課或智慧樹平臺上的增材制造和3D打印線上課程進行教學內容的提前預習和自主學習，將學習和預習過程中的疑難問題或感興趣的問題帶到課堂上進行研究討論，搜集相關資料，加深對所學知識的印象和理解深度。課上課下開展課程學習互助環節，督促學生課下積極準備自主學習教學內容，鍛煉其團隊協作能力、分析問題和解決問題的能力。

三、面向探索創新能力培養的課堂與實踐教學改革

通過課堂教學、實踐教學和項目研究等環節，培養學生主動探索創新的意識與能力及機械工程專業知識的綜合運用能力，使學生掌握增材制造工藝與材料技術的基本理論、基本知識和基本技能，以及增材制造技術的材料類型、工藝方法和應用需求的一般規律，培養學生增材制造工藝與裝備的創新開發和應用能力，使其能夠運用增材制造技術解決工程實踐過程中遇到的實際問題，提高創新能力和綜合實踐能力（如圖3）。例如，通過金屬材料和非金屬材料的增材制造工藝與材料的理論課堂教學及實驗教學，使學生對非金屬材料和金屬材料增材制造材料與工藝特點具有直觀的認識。

圖3 面向探索創新能力培養的課堂與實踐教學改革

通過實踐教學環節，使學生加深對課堂學習內容的印象，提高動手操作能力，加深對理論知識的理解，提高理論聯系實際、靈活運用所學知識解決工程實踐問題的能力。在教學中注重實踐性，課堂教學注重模型的運用、多媒體的運用，增強學生的感性認識，以作業為主，加強實踐過程，遵循“實踐—總結—再實踐”的學習過程，不斷提高學生的空間思維能力，培養學生運用所學的基本理論和概念分析與解決實際問題的能力。例如，講述增材制造綜合教學實驗的原理、方法與步驟，通過包括三維數字建模、模型數據處理、快速成型加工零件增材制造全過程的實驗教學，加強學生在增材制造方面的技能訓練，加深對增材制造技術的認識與理解。鼓勵學生自主設計或選擇3D打印零件模型，既體現“以學生為中心”的教學理念，又有利于培養學生的科技創新意識。在實際教學應用中貫徹探索創新能力培養的理念，取得了良好的理論和實踐教學效果。

四、優化課程考核方式，加強成績評定要求

結合本課程特點及智能制造工程專業特點，本門課成績包括三部分：平時出勤和課堂表現、課后作業及課題型隨堂測試與期末考試。（1）平時出勤和課堂表現部分（約占課程總成績的20%），主要包括上課出勤點名、上課問問題、課堂紀律、對其他同學的幫助、上課進度的跟進及和老師的互動程度等，以及課堂展示和課下完成專題任務的能力。（2）課后作業部分（約占課程總成績的10%），主要考查對所學內容的熟悉程度、是否按時按要求提交作業、是否按要求自行查閱資料自學、靈活運用所學知識并解決實際問題的綜合能力。（3）隨堂測試方式改革（約占課程總成績的30%），將全班學生分成若干個學習小組，隨堂測試采用專題答辯展示的方式進行，考核分數包含團隊協作、團隊貢獻，內容講述評價、小組間互評等，采用3～5人分組團隊協作的方式設計制作PPT并展示不同增材制造工藝過程的基本原理和增材制造材料類型和特點，最后提交合作完成的PPT。應做好分工，團隊協作，PPT標注團隊成員姓名，署名順序（和最終成績的團隊貢獻分掛鉤）采用小組民主評議方式產生。（4）期末考試（約占課程總成績的40%），采用筆試的形式，主要考查綜合運用課程學習知識解決增材制造工程技術問題的能力。

結語

面向機械智能制造工程專業，對“智能制造工藝與材料”課程進行了教學內容改革和優化。增材制造是數字化直接制造、按需制造和就地制造，是智能制造的主要支撐技術。面向智能制造的增材制造教學內容設計與完善，可有針對性地為培養機械智能制造高層次、專用化和寬口徑人才提供堅實后盾和技術基礎。在課程學習考核方式方面，增加分組團隊完成并展示課題作業，采用組內團隊協作貢獻、組間相互評價的成績評定模式，促進學生學習的積極性、總成績體現教學參與程度的合理性及團隊協作貢獻的公平性。