新工科背景下高校增材制造工程專業(yè)建設(shè)和人才培養(yǎng)探析

摘 要 增材制造工程專業(yè)是材料、機械、力學、信息、電氣工程及其自動化等學科高度交叉融合的新工科專業(yè)，截至2023年，國內(nèi)已有16所大學開設(shè)該本科專業(yè)。面對產(chǎn)業(yè)革新需求，如何培養(yǎng)符合產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新工科人才和卓越工程師成為當前我國高校工科教育改革的當務之急。文章針對增材制造工程專業(yè)特點，從產(chǎn)業(yè)需求、建設(shè)背景、專業(yè)內(nèi)涵、發(fā)展沿革和建設(shè)方向等方面梳理了國內(nèi)外增材制造專業(yè)發(fā)展的現(xiàn)狀；從服務制造強國戰(zhàn)略和制造業(yè)創(chuàng)新能力培養(yǎng)出發(fā)，結(jié)合所在學校的實際情況探討了專業(yè)建設(shè)的要求、趨勢和方向。

關(guān)鍵詞 增材制造；學科交叉；新工科；專業(yè)建設(shè)；人才培養(yǎng)

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2024.16.004

On the Construction of Additive Manufacturing Engineering Major and Talent Training in Universities under the Background of New Engineering Disciplines

CHAO Qi， Xie Xinliang， WANG Jian

（Nanjing University of Technology， Nanjing， Jiangsu 211816）

Abstract Additive Manufacturing Engineering is a new engineering major that highly integrates disciplines such as materials， machinery， mechanics， information， electrical engineering， and automation. As of 2023， 16 universities in China have opened this undergraduate program. Faced with the demand for industrial innovation， how to cultivate new engineering talents and outstanding engineers who are in line with industrial development has become an urgent task in the current reform of engineering education in Chinese universities. This article focuses on the characteristics of additive manufacturing engineering， and summarizes the current development status of additive manufacturing at home and abroad from the aspects of industrial demand， construction background， professional connotation， development history， and construction direction; Starting from the strategy of building a strong service manufacturing country and the innovation capability of the manufacturing industry， combined with the actual situation of the school， this paper explores the requirements， trends， and directions of professional construction.

Keywords additive manufacturing; interdisciplinary; new engineering; professional construction; talent training

制造業(yè)是立國之本、強國之基，是實體經(jīng)濟的重要組成部分。2007年國際金融危機之后，產(chǎn)業(yè)空心化所帶來的一系列弊端逐漸凸顯，各國相繼出臺促進制造業(yè)發(fā)展的舉措以保證就業(yè)和降低系統(tǒng)性風險。在國家層面，美、德、法、日、韓等國相繼制定實施相關(guān)戰(zhàn)略規(guī)劃和配套行動計劃，加強部署以微電子、自動化和信息技術(shù)為基礎(chǔ)的先進制造業(yè)。我國也采取了一系列重大舉措進行產(chǎn)業(yè)布局和規(guī)劃，大力發(fā)展先進制造業(yè)。

增材制造也稱3D打印，是一種通過逐層沉積，將材料不斷疊加成所需實體模型的一種先進制造技術(shù)，目前已被廣泛應用于航空航天、汽車制造及醫(yī)療等領(lǐng)域。增材制造技術(shù)集成了當代諸多學科的先進成果，是實現(xiàn)制造業(yè)向數(shù)字化轉(zhuǎn)型的加速器，已成為第四次工業(yè)革命的一部分，是先進制造業(yè)的重要發(fā)展方向，也是智能制造不可分割的重要組成部分。截至2023年，國內(nèi)已有哈爾濱工業(yè)大學、西北工業(yè)大學等16所高校開設(shè)了增材制造工程本科專業(yè)。為了主動應對新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革，教育部、工業(yè)和信息化部和中國工程院于2018年共同出臺了《關(guān)于加快建設(shè)發(fā)展新工科實施卓越工程師教育培養(yǎng)計劃2.0的意見》，旨在探索形成中國特色、世界水平的工程教育體系，促進我國從工程教育大國走向工程教育強國。增材制造工程本科專業(yè)正是在此背景下設(shè)立的。作為一門新設(shè)立的學科交叉和應用型新專業(yè)，如何在新工科建設(shè)背景下建設(shè)和發(fā)展好，如何培養(yǎng)符合行業(yè)需求、引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的增材制造專業(yè)人才和卓越工程師都成為相關(guān)高校和教育工作者面臨的重要課題。

1 增材制造工程專業(yè)的產(chǎn)業(yè)需求和建設(shè)背景

增材制造技術(shù)受到主要工業(yè)強國的普遍重視，其中美國于2012年就在其《先進制造國家戰(zhàn)略計劃》中將增材制造技術(shù)列為未來美國最為關(guān)鍵的技術(shù)之一，并于2016年通過《增材制造路線圖》對相關(guān)產(chǎn)業(yè)和標準進行布局。歐盟通過其“第一研發(fā)框架計劃”和“地平線2020計劃”對增材制造技術(shù)和項目進行資助支持。德國通過《高技術(shù)戰(zhàn)略2020》《德國工業(yè)4.0戰(zhàn)略計劃實施建議》和《國家工業(yè)戰(zhàn)略2030》等文件支持增材制造技術(shù)的研發(fā)與創(chuàng)新，把增材制造作為實現(xiàn)“工業(yè)4.0”目標中“智能生產(chǎn)”和“智能工廠”的重要路徑[1]。法國、荷蘭、英國、韓國、日本等國在其關(guān)于制造業(yè)的法案、戰(zhàn)略和路線圖中均將增材制造技術(shù)擺在重要的位置。我國通過《中國制造2025》、“十三五”和“十四五”《國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》等為增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展描繪了發(fā)展藍圖和方向。

截至2022年，全球增材制造市場規(guī)模達到180億美元并連續(xù)25年保持兩位數(shù)的增長趨勢[2]。同期我國增材制造產(chǎn)業(yè)規(guī)模為320億元，過去10年復增長率超過40%，市場規(guī)模到2027年有望突破1000億元[3]。據(jù)不完全統(tǒng)計，我國增材制造產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)企業(yè)截至2022年突破1000家，產(chǎn)業(yè)從業(yè)人員規(guī)模截至2018年約為2萬人并呈快速增加態(tài)勢[4]。作為一個新興行業(yè)，增材制造產(chǎn)業(yè)現(xiàn)有從業(yè)人員主要是具備機械、材料、自動化等學科背景的科研、技能和管理型人員。現(xiàn)有人才結(jié)構(gòu)中具備技術(shù)經(jīng)驗的中高級人才明顯短缺，復合型、骨干型、工程型和管理型人才供給也明顯不足。據(jù)有關(guān)機構(gòu)統(tǒng)計，目前我國3D打印行業(yè)的專業(yè)人才缺口超過千萬，其中制造行業(yè)對3D應用人才需求最大，缺口約為800萬人，且需求還在不斷攀升[5]。

隨著全球產(chǎn)業(yè)市場規(guī)模快速增長，增材制造應用領(lǐng)域逐步從航空航天向醫(yī)療、交通、消費、電子和一般工業(yè)裝備等領(lǐng)域拓展，生產(chǎn)模式從個性化訂制向批量化生產(chǎn)過渡。與此同時，“中國制造2025”戰(zhàn)略規(guī)劃的實施對能適應產(chǎn)業(yè)發(fā)展和技術(shù)革新的專業(yè)人才的需求越來越迫切。培養(yǎng)形成多學科交叉、與國家制造業(yè)發(fā)展相適應的高素質(zhì)人才隊伍，成為我國增材制造技術(shù)發(fā)展和制造業(yè)轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵核心問題，也是高等教育行業(yè)面臨的一項迫切又有挑戰(zhàn)性的任務。

2 增材制造工程專業(yè)的專業(yè)內(nèi)涵及發(fā)展沿革

增材制造工程專業(yè)于2021年被教育部正式列入《普通高等學校本科專業(yè)目錄》。與機械工程、焊接技術(shù)和智能制造工程等相近專業(yè)相比，其專業(yè)內(nèi)涵既有交叉又各有側(cè)重。機械工程專業(yè)主要培養(yǎng)能在機械工程領(lǐng)域從事工程設(shè)計、機械制造、技術(shù)開發(fā)、科學研究、生產(chǎn)組織管理等方面工作的復合型高級工程技術(shù)人才。焊接技術(shù)與工程專業(yè)主要培養(yǎng)具有焊接專業(yè)背景、掌握焊接技術(shù)與工程系統(tǒng)理論基礎(chǔ)知識和焊接結(jié)構(gòu)制造專門知識與關(guān)鍵技術(shù)的復合型人才。智能制造工程專業(yè)主要培養(yǎng)能夠進行智能制造系統(tǒng)規(guī)劃和設(shè)計的高素質(zhì)復合型工程技術(shù)人才。相比之下，增材制造工程專業(yè)更加注重培養(yǎng)學生的數(shù)字化模型及自動控制技術(shù)、通過微區(qū)累加成形最終構(gòu)件方面的知識和能力。增材制造涵蓋了非金屬、金屬、復合材料等不同的材料種類，對軟件應用、編程能力、自動控制、高能束加工等方面的要求更高，學生同樣需要具備材料制備、分析和應用的能力，更加突出學科交叉能力的培養(yǎng)。

2018年，人社部在其頒布的《全國技工院校專業(yè)目錄》中明確標明“3D打印技術(shù)應用”成為機械類的獨立專業(yè)。2019年，教育部在《中等職業(yè)學校專業(yè)目錄（征求意見稿）》中將“增材制造技術(shù)應用”作為“加工制造類”的新增專業(yè)。2023年最新出臺的《增材制造工程技術(shù)人員國家職業(yè)標準》從增材制造技術(shù)開發(fā)和應用兩個職業(yè)方向明確了初級、中級和高級3個等級專業(yè)技術(shù)人員的職業(yè)功能、工作內(nèi)容、專業(yè)能力要求和相關(guān)知識要求。

從增材制造專業(yè)人才培養(yǎng)目標分析，高職院校主要培養(yǎng)技術(shù)應用技能為主、設(shè)計為輔的復合型應用人才；高校本科主要培養(yǎng)應用型創(chuàng)新人才，致力于培養(yǎng)新工科專業(yè)領(lǐng)域的卓越工程師；高校研究生、博士生以培養(yǎng)創(chuàng)新研發(fā)型人才為主，解決設(shè)備、材料等關(guān)鍵技術(shù)難題。從課程設(shè)計層面分析，高職院校其課程安排主要涉及工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計、逆向工程及創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐等課程方向，培養(yǎng)創(chuàng)新生產(chǎn)、建設(shè)和服務第一線經(jīng)營管理需要的高素質(zhì)技術(shù)人才；高校本科課程安排主要涉及分析測試方法、技術(shù)設(shè)備及原理、模擬仿真等方向，培養(yǎng)面向智能裝備制造業(yè)“寬口徑、厚基礎(chǔ)、強能力、善應用”的高素質(zhì)復合應用型人才；高校研究生、博士生其培養(yǎng)方式不再局限于課程設(shè)計，更加注重對前沿領(lǐng)域國內(nèi)外文獻的調(diào)研和機理研究，培養(yǎng)自主創(chuàng)新意識和技術(shù)難題解決能力，以培養(yǎng)具有專業(yè)認知深度、工程思維能力的創(chuàng)新型人才。經(jīng)過不斷努力，我國已實現(xiàn)增材制造專門人才從技工院校、中等職業(yè)學校到普通高等學校的全面覆蓋，持續(xù)為行業(yè)輸送各類人才。

3 增材制造工程本科人才培養(yǎng)

3.1 加強跨專業(yè)知識體系交叉融合

增材制造涉及機械工程、增材制造、材料科學及計算機技術(shù)等多個學科領(lǐng)域，具有較強的專業(yè)性和綜合性。課程安排中應涉及多領(lǐng)域?qū)W科知識，構(gòu)建材料學、建模設(shè)計、軟件設(shè)計、增材制造工藝等多領(lǐng)域交叉的知識體系。學生培養(yǎng)方案的跨專業(yè)交叉融合首先要求教師具備扎實的學科基礎(chǔ)，涵蓋多個學科領(lǐng)域，能夠?qū)⒉煌瑢W科的知識進行整合應用，以有效培養(yǎng)學生的跨學科思維能力和創(chuàng)新能力。相應的，師資配置也需要跨院系調(diào)整組合出最強的教學隊伍。在這方面，南京工業(yè)大學整合機械學院、材料學院和輕質(zhì)材料中心等多個二級單位的師資推進增材制造工程專業(yè)的建設(shè)和人才培養(yǎng)。在課程設(shè)計和教學實施環(huán)節(jié)，教師需要整合學科知識，形成有機的教學內(nèi)容，在教學過程中教學相長，不斷改進，融會貫通。

3.2 注重基本知識框架體系與技術(shù)前沿的有機結(jié)合

增材制造相關(guān)的新工藝、新原理、新材料、新應用不斷涌現(xiàn)，4D打印、體積3D打印、電子3D打印、細胞3D打印、微納3D打印等新概念層出不窮[6]，技術(shù)發(fā)展日新月異。教師需要及時跟蹤國際最新技術(shù)動態(tài)并將其融入教學活動中，達到基本知識框架構(gòu)建與技術(shù)前沿講解的有機融合。哈爾濱工業(yè)大學采用“大師+科研團隊”、科教融合、科研育人的培養(yǎng)模式促進專業(yè)人才培養(yǎng)。南京工業(yè)大學通過開設(shè)專業(yè)導學課程、組織參加“增材制造論壇”和開設(shè)專業(yè)公眾號等形式培養(yǎng)學生對技術(shù)前沿發(fā)展的興趣。在此方面，各高校可以結(jié)合自身學科優(yōu)勢和人才隊伍特點，不斷更新和改進教學方法，面向行業(yè)培養(yǎng)能夠適應技術(shù)變革和行業(yè)發(fā)展的專門人才。

3.3 綜合技能培養(yǎng)和產(chǎn)業(yè)鍛煉相結(jié)合

為了更好地適應卓越工程師培養(yǎng)需求，行業(yè)企業(yè)要深度參與培養(yǎng)過程，學校按通用標準和行業(yè)標準培養(yǎng)工程人才，同時強化培養(yǎng)學生的工程能力和創(chuàng)新能力[7]。通過加強校企合作，可以避免學校單方面“閉門造車”，同時有效提高學生的工程實踐綜合能力和就業(yè)競爭力。西北工業(yè)大學與西安鉑力特增材制造技術(shù)有限公司在深度產(chǎn)學研融合方面作出了典范。四川大學匹茲堡學院與增材制造解決方案供應商Stratasys采用校企合作的方式，開展校企協(xié)同育人，探索和試點3D打印考試認證項目，推動增材制造教學實踐[8]。除了工程應用實踐能力外，教師還要培養(yǎng)學生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)思維，南京工業(yè)大學通過鼓勵學生參加挑戰(zhàn)杯、互聯(lián)網(wǎng)+等各種競賽來鍛煉學生的綜合能力水平和創(chuàng)新意識。為了更好地服務于高素質(zhì)復合型人才培養(yǎng)，高校在專業(yè)建設(shè)和發(fā)展過程中可以實行“一體多翼”的培養(yǎng)模式。其中“一體”是指能力培養(yǎng)與項目式教學融為一體；“多翼”是指構(gòu)建多樣化、多元化和立體化的教學資源平臺，同時采取項目作業(yè)、實驗報告、小組討論等多樣化的評估方式，為學生提供個性化、差異化和定制化的高質(zhì)量教育服務。

4 結(jié)語

增材制造工程專業(yè)的設(shè)立是為了適應行業(yè)發(fā)展需求，培養(yǎng)該領(lǐng)域急需的高素質(zhì)復合型工程技術(shù)人才和卓越工程師。人才培養(yǎng)既要注重德智體美勞全面發(fā)展，又要培養(yǎng)其國際視野、創(chuàng)新實踐能力、職業(yè)素養(yǎng)和社會責任感。在培養(yǎng)計劃設(shè)定和實踐過程中，需要加強跨專業(yè)知識體系的交叉融合、兼顧基礎(chǔ)理論框架搭建與技術(shù)前沿知識的拓展、將綜合技能培養(yǎng)和產(chǎn)業(yè)鍛煉相結(jié)合，才能為培養(yǎng)高素質(zhì)專業(yè)性人才奠定基礎(chǔ)，促進我國增材制造產(chǎn)業(yè)的長足進步與發(fā)展。

參考文獻

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