增材制造工程专业实验实践课程规划与教学设计

【摘    要】增材制造工程专业是面向增材制造行业培养工程师人才的新兴专业。文章结合新专业建设及《增材制造工程技术人员国家职业标准（2023年版）》要求，从增材制造工程专业实验实践课程规划角度，将专业课程及其实验实践环节与相关标准进行了对照，由此提出了专业实验实践课程教学设计的思路，围绕培养具备增材制造技术应用能力的初级工程技术人才目标，持续开展贴合实际应用需求的实验实践教学，为增材制造工程专业建设与人才培养提供参考方案。

【关键词】增材制造工程专业;实验实践课程规划;工程师培养;实验实践教学设计

【引用格式】王超，丁国华，范恒亮.增材制造工程专业实验实践课程规划与教学设计[J].黑龙江教育（理论与实践），2025，79（1）：62-67.

【中图分类号】G642.0                 【文献标识码】A               【文章编号】1002-4107（2025）01-0062-06

一、引言

增材制造技术是第四次工业革命的重要组成部分[1]，能够有效弥补传统机械加工技术的不足，对提升制造业的创新研发水平起着至关重要的作用[2]。我国高度重视增材制造产业的发展，先后出台了《中国制造2025》《“十四五”智能制造发展规划》《新产业标准化领航工程实施方案（2023─2035年）》等政策，从战略布局与规划、产业链合作与升级、关键技术与创新等多方面推动增材制造产业的发展[3-4]。而科学技术的发展与博弈，归根结底是人才的培养与竞争，增材制造技术的发展依托于专业人才的培育。根据《Wohlers Report 2022》统计报告，增材制造行业目前人才缺口近20万。因而，培育契合行业产业需求的增材制造专业工程师人才迫在眉睫。

当前，基于增材制造技术的职业教学主要以企业内部培训为主，但由于各企业的生产运营特点及企业间存在的商业竞争问题，这些内部培训往往是对已经具备基础专业知识的技术人员进行细分技术的能力提升，并未达到向增材制造领域输送工程师人才的目标，所以，有针对性地培育增材制造专业工程师还是要依托于高校的人才培养体系[5]。为此，2021年，教育部在《普通高等学校本科专业目录》中新增了增材制造工程（080217T）本科专业，从专业建设角度出发为增材制造行业提供人才保证和智力支持。

增材制造工程是典型的交叉学科专业[6]，在专业课程设置上涉及机械、电子、材料、光学等多个学科的基础知识。由于专业建设时间短，全国目前仅有18所高校开设了增材制造工程专业（部分院校虽已获批专业，但还未开始招生），相关课程体系建设还有较大的优化空间，尤其是在实验实践课程方面，需要根据配套设备的类型制定专门的实验教学方案，所培养学生的工程应用方向也会有所区别。因此，如何汲取各学科与增材制造技术的交叉知识点、科学合理地设置实验实践内容、培养贴合实际应用需求的工程师人才成为目前高校亟待解决的关键问题[7]。蚌埠学院是一所典型的地方应用型高校，是全国第二批获准开设增材制造专业的本科院校，于2022年开始该专业的招生工作。教学团队依托学校的专业基础及合作企业的用人需求调研，从专业实验实践教学的角度，结合日常教学工作过程中的总结，探讨增材制造工程专业实验实践课程的整体规划与教学设计，以期为增材制造行业的工程师人才培养提供参考方案。

二、增材制造工程专业实验实践课程教学存在的主要问题

经过长期的教学实践与改革，大部分传统学科专业的实验实践教学体系已经处于比较稳定的状态[8]，各个院校之间的差异性并不大。但增材制造工程专业由于设立时间较短，现有院校间的交流有限，基本处于“摸着石头过河”的状态，这虽然在一定程度上有助于实验实践教学的创新，但在专业建设过程中容易导致发展不均衡及培养的学生差异性过大等问题，不能有效集中现有资源高效地为社会输送具备增材制造技术开发与应用能力的工程师人才。在实际教学中，增材制造专业实验实践课程主要存在以下问题。

（一）实验实践教学团队缺少工程背景

增材制造技术目前最为核心的应用集中在工业需求上，尤其是航空航天、高端装备制造等领域所需的高分子材料及金属材料制件的加工成型[9]，而行业的用人需求也主要集中在此，因此，高校在教学方面应向增材制造技术在工业场景中的应用倾斜。在现有课程体系中，理论课程可以通过参观、走访、交流及学习专业书籍等来进行教学准备，而实验实践环节是对增材制造技术的实际应用能力的锻炼，要想达到培育行业所需工程师人才的目标，实验实践教学团队本身就要具备相当体量的知识储备和较为丰富的操作经验。而现有的实验实践教学团队中具有工程实际经验的教师较少，仅通过少量的或拆分的小项目了解新兴技术，课程内容偏向于教师的个人科研方向，无法以点盖面，尤其是实验实践过程中出现各类问题时不能在课堂上及时解决，造成了教学内容不充足、不完善，学生对于专业技术的理解也存在缺陷。

（二）实验教学课时少且仪器设备台套数不足

增材制造技术涉及的细分技术常见的有5～8种，如FDM（熔融沉积）、SLA（立体光刻）、SLS/SLM（选区激光烧结/融化）、LDM（激光熔覆）等，虽然成型原理上同出一辙，但在材料、能量源、成型机理、后处理、应用场景等方面存在较大差异[10]。要想把理论课程所学转化为实际操作经验，需要大量的练习时间，因此，实验实践教学不能仅增加一定的学时，还需要根据理论课程进度实时安排实验实践训练，及时将书本知识转化为实践经验。同时，由于增材制造技术细分为若干方向，实验实践课程所需的仪器设备种类较多，尤其是贵重的工业级大型仪器设备[11]，一般只配有一套，并且实验过程所需的常规耗材与其他学科设备相比价格也更高，因此，如何通过合理的实验教学课时安排及有限的实验教学经费投入让每名学生都能进行有效练习，是增材制造专业实验实践课程教学过程中的重难点问题。

（三）实验课程的“承上启下”功能弱

实验实践的重点在于发现问题并解决问题，而不是按照操作流程一成不变地完成预定任务。在以往的专业实验课程中，实验内容主要是针对所开设的课程进行普适性验证，实验过程单调，学生往往只是机械式地重复教师的操作，有的甚至仅作为旁观者看着教师操作。例如，“材料力学”课程中的拉伸实验大多使用铸铁或低碳钢标准试样进行实验[12]，得到常见的应力——应变曲线，即完成实验;“金属材料及热处理”课程中的实验项目主要为碳钢的硬度和热处理实验[13-14]，实验材料都是常规且一成不变的。这些课程的实验环节缺少承上启下的连贯性，课程结束后学生对知识点的遗忘速度很快。增材制造技术的实际操作过程在应用企业中已经形成了比较完整的规程，如材料的选择、原材料质量检测、CAD/CAE设计分析、加工前/后处理、加工工艺参数设置及成型件质量检测等环节都有较为详细的内部资料，且整个过程是互相关联的。因此，如何将这些正在使用的实际生产测试方案与实验实践课程内容相结合，把专业课程从实验实践角度从前往后串联起来，成为了增材制造专业实验实践课程规划与教学设计的关键。

三、增材制造工程专业实验实践课程规划

2023年，中华人民共和国人力资源和社会保障部联合工业和信息化部制定并发布了《增材制造工程技术人员国家职业标准（2023年版）》（以下简称“标准”）[15]，明确了增材制造技术开发、增材制造技术应用2个职业方向和每个方向对应的初、中、高3个等级，以及各等级专业技术人员的工作领域、工作内容、专业能力和实践要求。其中，增材制造技术开发包括设计与制造装备、开发软件与控制系统、研发材料与工艺3个职业功能;增材制造技术应用包括设计产品与数据处理、应用工艺与生产运维、后处理与检验产品制造质量3个职业功能。由于“标准”是基于行业、企业和院校的大量实践经验撰写的，其本身就是产业用人需求的充分解读，因此，只有在有效结合“标准”要求的基础上进行增材制造工程专业实验实践课程的规划，才能更加贴近培养工程师人才的目标。

（一）基于“标准”的专业课程总体规划

蚌埠学院作为典型的地方应用型高校，教育教学的主要目标就是培养行业所需的应用型人才，因此，增材制造工程专业的学生在毕业时应具备较为扎实的增材制造技术应用基础，可以较好地结合所在行业需求开展一定的技术应用与融合工作，促进增材制造技术的推广使用[16]。根据“标准”中的专业技术考核要求，在完成128课时的有关课程培训后，具备相关专业大学本科及以上学历（含在读的应届本科生）就可以直接申报增材制造工程初级专业技术等级。所以，在增材制造工程专业人才培养方案中明确该专业的培养目标为：面向增材制造行业培养具备增材制造技术应用能力和产品研发与设计能力的初级工程技术人才。在专业课程的规划中应包含“标准”要求的制造工程、材料与力学、电子工程与控制工程等方面的基础理论知识，然后在此基础上进行实验实践课程的具体规划。

目前，已规划的增材制造工程专业的主要课程有26门，其中，“画法几何及机械制图”“C语言程序设计”“工程力学”“电工电子技术”“互换性与技术测量”“机械设计基础”“材料科学基础”“传热学”为专业基础课程，在课程内容设置上需要适当引入增材制造技术或以增材制造技术为背景开展教学，不能完全延续既有的课程大纲;“金属材料及热处理”“增材制造原理”“增材制造工艺”“机械制造技术”“增材制造仿真技术”“增材制造过程检测与控制”“材料表面处理技术”为专业必修课程，总学时共计304课时，其中实验实践学时44课时，占比为14.47%，课程涵盖增材制造技术的主要教学内容，要求学生通过学习能够具备增材制造技术的基本应用能力;“3D建模技术”“逆向工程技术”“单片机程序设计与硬件实现”“激光原理与技术”“粉末冶金原理”为专业限选课程，总学时共计160课时，其中实验实践学时44课时，占比为27.50%，课程内容包括结合增材制造技术开展应用的辅助知识点，以及专业设备的组成等;“机械制图零件测绘”“机械设计基础课程设计”“工程训练”“金相科学创新综合训练”“机械制造技术课程设计”“增材制造综合实训”为专业实验实践课程，侧重点为增材制造技术的具体应用，重点考查学生的动手能力。现有课程的设置参考了机械设计制造及其自动化、材料成型及控制工程等专业的课程规划方案，并结合“标准”中的增材制造技术应用初级知识要求进行了专业课程的增补。

（二）各专业课程实验实践环节对应“标准”专业能力要求

增材制造工程专业课程体系中有17门专业课程具有实验环节，实验总学时142课时，另有6门集中的专业实验实践课程，实践环节总学时14周，实验实践课程的内容设置参照“标准”中增材制造技术应用初级专业能力要求进行了对应，并且部分专业课程的内容还在“标准”基础上进行了扩充，有助于学生在实习、就业阶段能够快速适应企业实际需求。学生通过系统的理论知识学习及实验实践操作，初步具备增材制造制件的设计及三维数据处理能力、增材制造典型产品生产的具体工艺参数设置和调整能力、增材制造专业设备的基本操作维护能力、增材制造制件后处理加工能力及增材制造制件的质量检验能力，可以开展基于增材制造技术的零部件原型设计或逆向建模、根据产品结构材料等调整优化生产工艺参数、独立完成大型设备的基础操作及打印、进行设备的基础维护与检修、针对不同的打印制件进行后处理工艺选择及基本的模型后处理、进行基本的制件力学性能检测和表面质量检测等工作。

（三）各专业课程实验实践环节的连贯性体现

增材制造工程专业课程的关联图如图1所示。各课程的实验实践环节与课程关联性一致，在进行具体实验课程内容的规划时，除去基础性实验外，应重点结合增材制造技术的实际应用开展相关教学，以此促进专业知识的有效融合，形成教学闭环。如“互换性与技术测量”课程的实验环节中设有制件三坐标接触测量与数据检测、制件表面粗糙度及轮廓度测量等，当学生掌握测量设备的使用方法后，在后续进行增材制造制件测量时就可以直接操作，避免重复教学;在“金属材料及热处理”课程的实验环节中进行金属复合材料维氏硬度测量实验，在工程训练中加入激光熔覆轴类零件的机械加工等，有效结合增材制造后处理需求开展教学，把以往的课程实验作为后续实验实践的基础或铺垫，增强各实验实践环节的关联性与连贯性。