侯娟

（上海理工大學(xué) 材料與化學(xué)學(xué)院，上海 200093）

高端裝備制造是提升制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力、實(shí)現(xiàn)《中國(guó)制造2025》的核心競(jìng)爭(zhēng)力，是提升我國(guó)綜合國(guó)力、實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)彎道超車(chē)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。隨著世界各國(guó)對(duì)氣候變化的認(rèn)識(shí)更加深刻，全球碳排放壓力與日俱增，對(duì)我國(guó)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)提出了新的挑戰(zhàn)。為了順利實(shí)現(xiàn)“30·60”雙碳目標(biāo)，需要加快推進(jìn)節(jié)能環(huán)保、減污降碳的高質(zhì)量產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型，對(duì)高端裝備升級(jí)和制造能力提出了進(jìn)一步的要求。

3D 打印技術(shù)以其設(shè)計(jì)自由度高、 加工周期短、原材料損耗低以及適合復(fù)雜構(gòu)件直接近凈成形的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)引起了各行業(yè)的廣泛關(guān)注，在生物醫(yī)療、航空航天、汽車(chē)制造、能源發(fā)電等高科技和高端制造領(lǐng)域得到快速發(fā)展和應(yīng)用。3D 打印是快速原型制造技術(shù)的一種，也稱為增材制造（AM），被譽(yù)為“第三次工業(yè)革命”的核心技術(shù)。3D 打印技術(shù)20世紀(jì)80年代被應(yīng)用在模型制造和原型制造領(lǐng)域[1-3]，迄今為止已經(jīng)經(jīng)歷了三十年的發(fā)展，是目前世界上廣泛應(yīng)用在制造業(yè)的先進(jìn)技術(shù)之一，尤其金屬3D 打印被認(rèn)為是將來(lái)制造業(yè)的主導(dǎo)方向。

2018年全球3D 打印產(chǎn)業(yè)規(guī)模為73.4 億美金，預(yù)計(jì)到2024年有可能達(dá)到356 億美金。從2017年設(shè)備數(shù)量和分布上看，美國(guó)目前各種3D 打印設(shè)備的數(shù)量占全世界40%，而中國(guó)只有8%左右。從技術(shù)發(fā)展角度分析，我國(guó)3D 打印目前還處于初期成長(zhǎng)階段，大量專業(yè)人才的培養(yǎng)，將決定未來(lái)我國(guó)3D 打印技術(shù)的發(fā)展速度和趨勢(shì)。

由于金屬3D 打印技術(shù)在我國(guó)仍處于初期發(fā)展階段，受設(shè)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(guān)教學(xué)工作多停留在理論教學(xué)階段，學(xué)生缺乏實(shí)踐操作經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)知僅停留于表面[4,5]。針對(duì)這種現(xiàn)狀，探討新的理論結(jié)合實(shí)踐的教學(xué)模式十分必要。本文基于國(guó)內(nèi)高校3D 打印專業(yè)課程開(kāi)設(shè)和人才培養(yǎng)現(xiàn)狀，探討了如何培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐操作能力的教學(xué)模式。

1 我國(guó)金屬3D 打印技術(shù)發(fā)展及人才培養(yǎng)現(xiàn)狀

金屬增材制造技術(shù)發(fā)展至今，根據(jù)原材料、能量源和工作原理等已經(jīng)細(xì)分成了很多工藝領(lǐng)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(wěn)定性，功率連續(xù)可調(diào)，被廣泛應(yīng)用于金屬3D 打印制備。激光金屬沉積又被分為選區(qū)激光熔化（SLM）、直接金屬激光燒結(jié)（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(fù)雜零件制造工藝簡(jiǎn)單、周期短、材料利用率高、成形零件的力學(xué)性能良好等優(yōu)點(diǎn)，獲得了廣泛的關(guān)注和發(fā)展。

圖1 增材制造方法的分類

從圖2中金屬3D 打印產(chǎn)業(yè)生命周期來(lái)看，金屬3D 打印在我國(guó)及國(guó)外還處于技術(shù)導(dǎo)入期，尚未進(jìn)入生長(zhǎng)期和成熟期，發(fā)展前景十分廣闊，因此有必要在對(duì)該技術(shù)進(jìn)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(yī)療（齒科骨科）等行業(yè)的崛起，我國(guó)對(duì)金屬3D 打印的需求逐漸爆發(fā)，擁有近百臺(tái)金屬打印設(shè)備的廠家將達(dá)8 家甚至更多。各高等院校和大型企業(yè)紛紛布局建設(shè)3D 打印平臺(tái)。

圖2 金屬3D 打印產(chǎn)業(yè)生命周期

3D 打印技術(shù)人才主要從事相關(guān)的研究和開(kāi)發(fā)工作，屬于專業(yè)技術(shù)人才范疇，需要具備一定的專業(yè)基礎(chǔ)并經(jīng)過(guò)專門(mén)培訓(xùn)，主要側(cè)重于機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械控制、軟件算法以及材料等專業(yè)。目前我國(guó)3D 打印專業(yè)技能人才的短缺狀況依然十分嚴(yán)重，一份2017年的報(bào)告提到，3D 打印行業(yè)的專業(yè)人才缺口超過(guò)千萬(wàn)。其中制造行業(yè)對(duì)3D 打印應(yīng)用人才需求最大，缺口約為800 萬(wàn)。2021年《教育部關(guān)于公布2020年度普通高等學(xué)校本科專業(yè)備案和審批結(jié)果的通知》中，正式將“增材制造工程”列入專業(yè)列表[6]。增材制造工程專業(yè)的正式推出，有望可以滿足快速發(fā)展的3D 打印行業(yè)對(duì)于專業(yè)技能人才的需求。

2 高校3D 打印教學(xué)現(xiàn)狀

目前，越來(lái)越多的高等院校和中職院校開(kāi)設(shè)3D 打印相關(guān)專業(yè)課程，但目前的課程開(kāi)設(shè)多停留在科普或簡(jiǎn)單理論知識(shí)介紹方面，并未形成系統(tǒng)的學(xué)科建設(shè)，在人才培養(yǎng)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(shè)備價(jià)格昂貴，導(dǎo)致很多學(xué)校無(wú)力采購(gòu)專門(mén)用于教學(xué)的金屬3D 打印設(shè)備。多數(shù)學(xué)校的3D 打印課程僅限于理論課程學(xué)習(xí)，或購(gòu)買(mǎi)較便宜的塑料3D 打印設(shè)備，用于教學(xué)展示。學(xué)生很少有機(jī)會(huì)實(shí)際了解和接觸金屬3D 打印技術(shù)。

2.2 前期布局不充分

由于我國(guó)3D 打印技術(shù)仍處于起步階段，3D 打印技術(shù)屬新興技術(shù)，很多學(xué)校尚未布局相關(guān)學(xué)科，尚未建設(shè)系統(tǒng)的培養(yǎng)計(jì)劃，導(dǎo)致相關(guān)專業(yè)的學(xué)習(xí)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(guān)設(shè)備和研究條件，也缺乏從事相關(guān)專業(yè)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(shù)，僅僅是選擇了一門(mén)相關(guān)教材，對(duì)學(xué)生進(jìn)行理論知識(shí)灌注，完成教學(xué)任務(wù)。導(dǎo)致學(xué)生無(wú)法深入理解相關(guān)理論及技術(shù)要點(diǎn)，學(xué)習(xí)停留在紙上談兵的階段。

2.4 實(shí)踐操作不足

金屬3D 打印過(guò)程是一個(gè)系統(tǒng)性的復(fù)雜流程，包括前期原材料處理、打印設(shè)計(jì)、打印過(guò)程以及后處理等。這些過(guò)程不僅涉及的學(xué)科知識(shí)點(diǎn)多，而且靈活性強(qiáng)，針對(duì)不同的打印件，可以傳授給學(xué)生的知識(shí)點(diǎn)也有所不同。因此，缺乏實(shí)際上機(jī)操作或現(xiàn)場(chǎng)觀摩的話，無(wú)法達(dá)到良好教學(xué)效果。

綜上所述，當(dāng)前高等院校中3D 打印課程的教學(xué)主要存在理論體系不完善和缺乏實(shí)踐的問(wèn)題，課程的開(kāi)設(shè)無(wú)法對(duì)學(xué)生的未來(lái)就業(yè)形成實(shí)際的指導(dǎo)作用，學(xué)生缺乏實(shí)踐認(rèn)知和操作的機(jī)會(huì)，僅僅停留在枯燥乏味的書(shū)本講讀階段，因此，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性不高。課程內(nèi)容很容易脫離生產(chǎn)實(shí)際，部分學(xué)生直至課程學(xué)完，都沒(méi)有機(jī)會(huì)目睹3D 打印過(guò)程。

3 校企聯(lián)合實(shí)踐基地教學(xué)改革方案

千里之行，始于足下，針對(duì)目前國(guó)內(nèi)3D 打印專業(yè)人才學(xué)科教育和培養(yǎng)模式中存在的問(wèn)題，有必要從現(xiàn)實(shí)狀況入手對(duì)現(xiàn)有教學(xué)模式提出改革方案。近年來(lái)，隨著我國(guó)3D 打印技術(shù)被越來(lái)越多的行業(yè)關(guān)注和接受，涌現(xiàn)出大批相關(guān)企業(yè)，金屬3D 打印設(shè)備的裝機(jī)量也呈現(xiàn)激增趨勢(shì)。值得一提的是，雖然擁有了較多的設(shè)備安裝量，但多數(shù)企業(yè)仍受限于專業(yè)技術(shù)人才的短缺，甚至有些大型復(fù)雜設(shè)備由于缺少專業(yè)技術(shù)人員，常年處于開(kāi)機(jī)少或停機(jī)狀態(tài)。由此可見(jiàn)，困擾我國(guó)3D 打印行業(yè)發(fā)展的現(xiàn)狀之一就是高等院校缺少設(shè)備平臺(tái)、 無(wú)法開(kāi)展系統(tǒng)化的人才培養(yǎng)，而相關(guān)企業(yè)則缺少專業(yè)技術(shù)人才，限制了研發(fā)和生產(chǎn)水平的提高。

因此，有必要開(kāi)發(fā)和推廣校企聯(lián)合建立實(shí)踐教學(xué)基地的新型教學(xué)模式，促進(jìn)3D 打印專業(yè)學(xué)科教育的規(guī)?；腕w系化，解決我國(guó)3D 打印技能人才嚴(yán)重短缺的現(xiàn)狀，以應(yīng)對(duì)即將到來(lái)的行業(yè)生長(zhǎng)期和成熟期對(duì)人才井噴式的需求增加。建立校企聯(lián)合實(shí)踐教學(xué)基地的具體實(shí)施內(nèi)容如下。

3.1 校內(nèi)課程體系改革調(diào)整

由于目前多數(shù)學(xué)校開(kāi)設(shè)的3D 打印相關(guān)課程授課內(nèi)容單一，并且課程設(shè)計(jì)過(guò)程中嚴(yán)重脫離實(shí)際，缺乏針對(duì)3D 打印生產(chǎn)流程的理論知識(shí)學(xué)習(xí)。因此，首先需要對(duì)校內(nèi)理論學(xué)習(xí)課程內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整。針對(duì)金屬3D 打印的原材料處理、模型設(shè)計(jì)、打印過(guò)程以及后處理等，開(kāi)設(shè)系統(tǒng)學(xué)習(xí)課程。授課過(guò)程中，可穿插視頻教學(xué)內(nèi)容，讓學(xué)生進(jìn)一步了解3D 打印過(guò)程。通過(guò)系統(tǒng)的理論學(xué)習(xí)之后，學(xué)生可對(duì)3D 打印理論知識(shí)形成系統(tǒng)的認(rèn)知。

3.2 企業(yè)導(dǎo)師參與校內(nèi)教學(xué)

建立企業(yè)導(dǎo)師制，由企業(yè)選拔優(yōu)秀現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員擔(dān)任企業(yè)導(dǎo)師。在學(xué)生進(jìn)行校內(nèi)理論學(xué)習(xí)階段，考慮到目前高等院校內(nèi)多數(shù)專業(yè)教師并不具備現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)部分知識(shí)難以講透，無(wú)法形成深入淺出的良好教學(xué)效果，與現(xiàn)場(chǎng)密切相關(guān)的部分學(xué)習(xí)內(nèi)容，邀請(qǐng)企業(yè)導(dǎo)師到校內(nèi)進(jìn)行課堂教學(xué)。企業(yè)導(dǎo)師可側(cè)重將與現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)和安全管理相關(guān)的知識(shí)普及給學(xué)生，也可以具體零部件的3D 打印流程為例進(jìn)行講解，提高課程內(nèi)容的生動(dòng)性和多樣性。

3.3 學(xué)生進(jìn)入實(shí)踐基地現(xiàn)場(chǎng)學(xué)習(xí)

現(xiàn)場(chǎng)學(xué)習(xí)內(nèi)容由校內(nèi)專職教師和企業(yè)導(dǎo)師共同探討后制定課程體系，企業(yè)為學(xué)生配備企業(yè)指導(dǎo)教師，隨后學(xué)生進(jìn)入實(shí)踐基地學(xué)習(xí)。學(xué)習(xí)期間，學(xué)生服從企業(yè)管理制度，根據(jù)企業(yè)生產(chǎn)內(nèi)容和特色，對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容進(jìn)行劃分后分組輪流學(xué)習(xí)，最終在整個(gè)實(shí)踐學(xué)習(xí)活動(dòng)之后，保證每位學(xué)生都參與了實(shí)踐學(xué)習(xí)活動(dòng)，得到了實(shí)際操作相關(guān)的培訓(xùn)。

3.4 學(xué)習(xí)效果考評(píng)與考核模式

校企聯(lián)合實(shí)踐基地教學(xué)模式的課程設(shè)置主要圍繞理論學(xué)習(xí)與實(shí)踐學(xué)習(xí)兩部分。理論課程主要包括3D 打印基礎(chǔ)課程，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)3D 打印的基本認(rèn)識(shí)，課程內(nèi)容包括3D 打印金屬原材料、零部件設(shè)計(jì)、數(shù)值模擬仿真、工藝優(yōu)化方法，以及金屬材料基本理論知識(shí)和試驗(yàn)分析方法，學(xué)習(xí)效果主要以學(xué)?？荚嚨男问竭M(jìn)行考核。實(shí)踐課程的設(shè)置將圍繞金屬3D 打印技術(shù)開(kāi)展實(shí)踐課程教學(xué)。實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容包括原材料制備過(guò)程、 檢測(cè)方法，數(shù)模設(shè)計(jì)和優(yōu)化過(guò)程學(xué)習(xí)，打印工藝參數(shù)優(yōu)化方法及過(guò)程控制，打印后處理工藝學(xué)習(xí)。實(shí)踐課程結(jié)束時(shí)，將有企業(yè)工程師和導(dǎo)師聯(lián)合對(duì)學(xué)生的實(shí)踐成績(jī)進(jìn)行考評(píng)，從學(xué)習(xí)能力、動(dòng)手能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)助、安全意識(shí)等方面進(jìn)行綜合評(píng)估。

4 結(jié)語(yǔ)

校企聯(lián)合3D 打印實(shí)踐基地新型教學(xué)模式的建立，預(yù)期將會(huì)對(duì)學(xué)生的培養(yǎng)質(zhì)量起到積極的正向作用，激發(fā)學(xué)生對(duì)本專業(yè)的學(xué)習(xí)興趣，深入掌握專業(yè)相關(guān)技能和知識(shí)。學(xué)生在校內(nèi)系統(tǒng)理論學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)踐基地的實(shí)際操作培訓(xùn)，將達(dá)到理論結(jié)合實(shí)踐的良好教學(xué)效果，為學(xué)生進(jìn)入未來(lái)職業(yè)階段奠定基礎(chǔ)。因此，校企聯(lián)合實(shí)踐基地教學(xué)模式，不僅能夠進(jìn)一步提高3D 打印學(xué)科的教學(xué)質(zhì)量，更有利于為3D 打印行業(yè)培養(yǎng)出一大批經(jīng)過(guò)嚴(yán)格專業(yè)培養(yǎng)并且理論結(jié)合實(shí)踐的專業(yè)型技能人才。