增材制造技术课程思政融入与多维度教学方法探究

摘  要：当前，世界各国均将增材制造技术列为先进制造的国家战略进行重点支持。随着增材制造技术的飞速发展，科技前沿与理论教学的差距越来越明显。针对这一现状，在大学课程增材制造技术教学中引入课程思政元素，围绕“四个面向”中与增材制造相关的方向，对学生进行典型案例讲解，引导学生树立正确的人生观和价值观。为进一步体现增材制造的实践特色，更新增材制造前沿方向教学内容和方法，建立课堂—实践—实习—科创“四维度”教学方法和人才培养模式，四环节层层深入、互融互促，让学生学以致用，开拓学生科技视野。

关键词：增材制造；3D打印；课程思政；教学方法；材料成型及控制工程

中图分类号：G640      文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2024）36-0018-05

Abstract： At home and abroad， additive manufacturing technology is listed as the national strategy of advanced manufacturing for key support. With the rapid development of additive manufacturing technology， the gap between science frontier and theoretical teaching is becoming more and more obvious. In view of this situation， in the course of "Additive Manufacturing Technology"， typical cases are explained to students around the "four aspects" related to additive manufacturing， guiding students to establish correct values and encouraging students' awareness of innovation. In order to further reflect the practical characteristics of additive manufacturing， the teaching content and methods of the frontier direction of additive manufacturing have been updated， and a classroom - experiment - practice - science innovation "four-dimensional" teaching method and talent training model have been established. The four dimensions are in-depth， mutual integration and mutual promotion， so as to expand students' scientific and technological vision， and the students can apply what they learn.

Keywords： additive manufacturing; 3D printing; curriculum ideology and politics; teaching methods; material forming and control engineering

增材制造又称3D打印，是智能制造技术中重要的组成部分，被誉为现代制造业中最具创新性、颠覆性和革命性的制造技术。随着国内外科学技术的迅速发展，增材制造技术可打印的材料和构件类型也越来越广泛，小到多种无机纳米材料，大到建筑物结构[1-2]。增材制造构件也在航空、航天、船舶等国家战略领域和支柱产业有着越来越多应用。2022年，美国科技政策办公室发布了新版《先进制造业国家战略》，将增材制造列为先进制造未来发展的核心。我国科技部近年来也一直将“增材制造和激光制造”列为国家重点研发计划项目的重点专项进行支持，增材制造产业也纳入国家重点发展领域规划。

为进一步推动增材制造领域高端人才培养，《教育部关于公布2020年度普通高等学校本科专业备案和审批结果的通知》及《列入普通高等学校本科专业目录的新专业名单（2021年）》，将增材制造工程（Additive Manufacturing Engineering）列入中国普通高等学校本科专业名单。增材制造工程专业涉及机械、控制、力学、材料等多学科交叉，学生通过学习本专业，能够掌握增材制造相关理论知识，具备较强实践能力，进而服务于中国制造强国战略，助力国家制造业创新能力提升。然而，增材制造工程专业仅在国内部分高校开设，如哈尔滨工业大学、西北工业大学、河北科技大学和文华学院等。绝大部分高校主要依托机械工程或材料成型专业开设前沿方向班，或仅开设部分个性化课程供学生选择，因此学生对于增材制造学习的深度和广度大打折扣。

与国内相比，国外在理论教学的基础上更加注重增材制造本身的实践特色。高校通过具体的项目和竞赛锻炼学生的思维和动手能力，解决实际问题。同时，国外的增材制造企业更具主动性。他们希望利用学校的创新，通过工程师与大学合作进行专项研发（如Markforged公司），以帮助他们更好地将3D打印融入到企业研发的流程中，进而获利。这种与企业进行合作开发的模式也有助于学生更加了解实际情况，解决增材制造过程中遇到的实际问题，而这种教学模式和我国是完全不同的。

一  国内外增材制造教学研究现状

（一）  国内现状

国内西北工业大学[3]、武汉理工大学[4]、中南大学[5]、西南交通大学[6]和上海理工大学[7]等高校相继开展了增材制造专业课程与材料学科相结合的教学方法探讨、增材制造与生物医学交叉学科的人才培养机制创新、基于增材制造技术的工程图学课程体系建设等教学研究和实践。

在增材制造课程实践方面，西南交通大学工程训练中心郑乔[6]将增材制造应用在主修课程中，并充分分析了实践中遇到的问题。将增材制造引入主修课程后，学生兴趣得到极大提升，学习内容更加丰富，提高了动手能力。但实际情况是教学资源非常有限，包括专业教师、教室、增材制造设备等。同时，由于学生数量庞大，增材制造过程造成的打印材料耗费非常大，成本高。如何进行资源的合理配置是发展增材制造专业或前沿方向面临的实际问题。

在课程体系建设方面，上海理工大学张恺等[8]指出，由于专业配置原因，大部分高校涉及的增材制造专业课程较少，教学内容不全面。部分院校仅开设增材制造科普课程，授课内容脱离生产实际，并未形成系统的、深入的教学内容。他提出根据专业背景细化课程内容、与其他核心课程内容相结合、设立各类创新课程和创新项目等教改建议。

在课程交叉教学方面，西北工业大学杨未柱等[3]、武汉理工大学杨磊等[4]，以及中南大学吴宏等[5]分别将增材制造与工程力学专业课程、工程图学课程、生物医学课程进行交叉，从实际教学过程出发，增加3D打印教学手段，讲解3D打印技术原理，让学生实际操作来调动学生的学习积极性，使学生更加深入地掌握专业知识点。同时，在资源配置等方面也进行了相应的改革与探索，提出专业课程的教学方式要重视与力学、材料、生物和医学等学科的交叉融合。

（二）  国外现状

在国外的本科生和研究生教学中，增材制造的实践特色更加明显，一方面增材制造主要帮助其他工科专业进行辅助学习。例如，贝尔格莱德大学机械工程学院的学生在风扇和涡轮压气机实验中采用3D打印来创建实验的测试模型[9]。以色列理工学院航空航天工程四年级的本科生制作了不同配置的机翼扰流板，并在风洞中使用增材制造模型测试它们的使用效果[10]。随着机器人技术的快速发展，增材制造也成为机器人教学中的主要手段。使用增材制造底盘的低成本开源机器人平台使学生能够修改机器人，德国斯图加特大学的学生借助配备了挤出机的机械臂3D打印机开发新的零部件[11]。丹佛大都会州立大学通过具体的机械工程技术项目为工业设计、机械和制造专业的高年级本科生开设了一学期的数字化制造选修课，供学生动手实践[12]。

另一方面，在增材制造专业教学中，德克萨斯大学奥斯汀分校和弗吉尼亚理工大学推出了本科和研究生3D打印课程，涵盖了增材制造技术原理、增材制造设计等方面，并通过基于问题和基于项目的教学方法对学习内容进行实践[13]。如今，大多数主要大学都有3D打印实验室或创客空间，可提供一系列工业3D打印机的实践培训。从企业的角度来讲，他们希望从增材制造创新中获利。无论是在未来商业和工厂中开发新型3D打印机，还是推动3D打印材料研制，大学都是创新的源头和基地（如Desktop Metal公司）。各种规模的企业都转向这些大学的咨询部门，企业雇用的工程师也与大学合作进行专有的研发（如Markforged公司），以帮助他们最好地将3D打印融入到企业研发的流程中。因此，与企业进行合作开发的模式也有助于学生更加了解实际情况，解决增材制造过程中遇到的实际问题，而这种教学模式和我国的教学现状是完全不同的。

（三）  现状分析

从国内外增材制造专业和课程教学来看，国内外的教学模式和方法存在很大区别。国内的增材制造专业教学以高校或教育部门主导，更加注重理论，以增材制造的课程实践为辅来进行综合教学，授课内容脱离生产和应用实际。同时，由于增材制造课程引入国内较晚，各类课程与思想政治理论并未同向同行，应融入思想政治教育元素，把“立德树人”作为增材制造专业教育的根本理念，加以深入。与国内相比，国外的增材制造专业教学更偏向以企业为主导。各种规模的企业倾向与大学进行合作研发，这种模式是双赢的。一方面有助于学生了解实际情况，解决增材制造过程中遇到的实际问题，有助于大学生创业（如Markforged公司）；另一方面，大学是创新的源头，新的想法和理念可以帮助企业从增材制造创新中获利，取得原创性突破。

针对这一现状，作者依托武汉理工大学材料成型及控制工程专业对增材制造技术课程进行了教改研究：①从国家重大需求和先进增材制造应用案例出发，将思政元素融入课堂教学，引导学生树立正确的价值观；②采用多维度教学方法，更新材料类前沿专业教学内容，建立课堂—实践—实习—科创“四位一体”的人才培养模式。

二  课程思政元素融入

在增材制造技术课程中，主要围绕“四个面向”中与材料成型和增材制造相关的方向对学生进行讲解，主要从面向世界科技前沿、面向国家重大需求、面向人民生命健康三个方面对学生的价值观进行引导，加强创新创业教育，鼓励学生的创新意识。

（一）  面向世界科技前沿

结合我国未来发展前沿和探月规划，向同学们指出月球科研站建设是世界科技竞争的高地。首先，向同学们介绍我国的战略发展规划。我国未来月球科研站建设的第一步是基本型建设阶段，2035年前，以月球南极为核心，建成功能基本齐全、要素基本配套的综合科学设施。第二步是拓展型建设阶段，2045年前，以月球轨道站为枢纽，建成功能完善、运行稳定的基础设施。而后，引出材料成型和增材制造在科研站建设中的关键作用。在月球科研站建设中，月壤等先进材料的成型是国家战略发展方向，在教学中引导学生注重理论知识学习，打好科研基础。从专业层面进行讲解，月面成型环境与地面完全不同，其大温变、低重力、高真空的特殊环境对于系统稳定性有着极高的要求。现在，月球科研站从设计、材料、精准控制成型工艺，到施工方案，以及机器人设备研发都在同步推进。这些技术的进步，对我国未来深空探测技术的发展将产生重要影响，引导学生跟踪世界科技发展前沿。