王家慶 王立彬 李強 孫浚博 呂貴芳

[摘 要] 隨著《“十四五”智能制造發(fā)展規(guī)劃》的提出，傳統(tǒng)工科日益向新工科轉(zhuǎn)變，高校應(yīng)重點培養(yǎng)創(chuàng)新型與工匠型人才。在土木工程學(xué)科中，傳統(tǒng)實驗教學(xué)關(guān)注基礎(chǔ)鞏固，加深理論知識理解。新工科背景下的實驗教學(xué)應(yīng)順應(yīng)智能建造發(fā)展需要，引入增材智能建造技術(shù)課程作為創(chuàng)新型、開放型體感互動環(huán)節(jié)，以激發(fā)土木類高校學(xué)生對智能建造技術(shù)的興趣，助力培養(yǎng)新工科視域下的智能建造人才。

[關(guān)鍵詞] 智能建造;土木工程;實驗教學(xué);增材制造技術(shù);體感互動

[基金項目] 2020年度江蘇高等教育質(zhì)量保障與評價研究課題“一流課程建設(shè)背景下課程建設(shè)評價體系研究”（2020056）;2021年度江蘇省高等教育學(xué)會“十四五”高等教育科學(xué)研究規(guī)劃課題（重點）“江蘇新農(nóng)科專業(yè)建設(shè)的調(diào)查研究”（ZDDY08）;2021年度教育部高等教育司產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項目“碳中和背景下的綠色土木工程基礎(chǔ)設(shè)施智能建造師資培訓(xùn)”（202102011011）;2021年度江蘇省基礎(chǔ)研究計劃（自然科學(xué)基金）“路用纖維復(fù)合橡膠混凝土微界面調(diào)控及協(xié)同增韌抗裂機理研究”（BK20210617）

[作者簡介] 王家慶（1994—），男（回族），安徽六安人，哲學(xué)博士，南京林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院講師（通信作者），碩士生導(dǎo)師，主要從事土木工程材料設(shè)計研究;王立彬（1970—），男，河北辛集人，工學(xué)博士，南京林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院教授，碩士生導(dǎo)師，南京林業(yè)大學(xué)教務(wù)處處長，主要從事新型橋梁結(jié)構(gòu)體系與竹木復(fù)合結(jié)構(gòu)研究;李 強（1982—），男，江蘇新沂人，工學(xué)博士，南京林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院副院長，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事道路結(jié)構(gòu)與材料設(shè)計研究。

[中圖分類號] G642.0 [文獻標(biāo)識碼] A [文章編號] 1674-9324（2022）25-0049-04 [收稿日期] 2022-03-21

傳統(tǒng)工科教學(xué)重點關(guān)注學(xué)生理論知識的扎實度，對于學(xué)生實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)大多依賴于實驗課程。然而，當(dāng)下高校實驗教學(xué)基本遵循傳統(tǒng)基礎(chǔ)知識體系，少有專業(yè)將最新技術(shù)及前沿科技引入教學(xué)體系。土木工程學(xué)科在智能建造背景下，更應(yīng)契合新工科建設(shè)發(fā)展需要[1]，著力打造智能建造相關(guān)實驗課程，培養(yǎng)智能建造方向的創(chuàng)新型人才，為國家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)行業(yè)培養(yǎng)后備力量。土木工程建設(shè)過程中涉及的建筑材料（水泥混凝土、石膏、地質(zhì)聚合物等）通過一定的配比設(shè)計及性能優(yōu)化，均可應(yīng)用于增材制造技術(shù)，實現(xiàn)建筑物的智能化三維空間打印，減少人工成本，加快工程進度。歐美國家近些年涌現(xiàn)了許多3D打印工程應(yīng)用實例[2]，3D打印智能建造技術(shù)已走在世界前列，這與將增材制造技術(shù)及早引入高校實驗教學(xué)課程中不無關(guān)系，培養(yǎng)了一大批掌握3D打印智能建造技術(shù)的高級人才。因此，我國高校土木工程專業(yè)人才培養(yǎng)也應(yīng)跟上技術(shù)發(fā)展的步伐，引入增材智能建造技術(shù)作為創(chuàng)新型、開放型實驗教學(xué)課程，突破傳統(tǒng)工科的工程實踐內(nèi)容的局限性，以更加直接的體感互動方式為學(xué)生呈現(xiàn)智能建造相關(guān)技術(shù)，為新工科人才培養(yǎng)提供創(chuàng)新途徑。

一、增材智能建造技術(shù)實驗教學(xué)創(chuàng)新思路

（一）3D打印技術(shù)教學(xué)應(yīng)用現(xiàn)狀

智能建造在建筑行業(yè)已得到廣泛應(yīng)用。建筑行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級離不開智能建造技術(shù)的發(fā)展與突破，更依賴于智能信息化、先進增材技術(shù)等新一代跨多學(xué)科交叉的綜合體系。中國建筑業(yè)必須擺脫傳統(tǒng)模式的束縛，向現(xiàn)代化、智慧化道路轉(zhuǎn)軌，推進國家科技創(chuàng)新戰(zhàn)略在建筑行業(yè)的落實。增材制造打印技術(shù)是近期前沿科技領(lǐng)域關(guān)注的熱點之一，成為新時代歐美國家主推的研究和教育內(nèi)容之一。3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)、機械制造等領(lǐng)域已經(jīng)創(chuàng)造了一系列水平極高的教學(xué)與科研成果。增材智能建造技術(shù)本質(zhì)上是綜合利用計算機設(shè)計、材料設(shè)計、智能控制系統(tǒng)、監(jiān)測檢測體系經(jīng)特定組合形成的智能化建造系統(tǒng)。通俗地講，增材智能建造技術(shù)就是利用3D打印的特點實現(xiàn)（部分或全部）工程結(jié)構(gòu)在三維空間上的自動化建設(shè)（見圖1）。相較國外而言，國內(nèi)3D打印技術(shù)的普及和教育處于起步階段，但國家已經(jīng)開始重視3D打印技術(shù)和應(yīng)用的發(fā)展?？萍疾繉?D打印技術(shù)納入國家863計劃后，3D打印技術(shù)相關(guān)課程的試點如雨后春筍般在全國多所高校出現(xiàn)[3，4]，但鮮有將3D打印技術(shù)引入土木工程類傳統(tǒng)工科的實驗教學(xué)中。

（二）3D打印智能建造技術(shù)教學(xué)思路

新時代學(xué)科交叉的涉及范圍越來越廣泛，傳統(tǒng)的土木工程學(xué)科與智能化、現(xiàn)代化的數(shù)字信息學(xué)科，以及先進的機械制造學(xué)科的多學(xué)科交叉受到更多關(guān)注。在國家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)過程中，土木工程類傳統(tǒng)工科行業(yè)貢獻了不可或缺的主要力量，而新工科背景下土木工程行業(yè)過度依賴人工的現(xiàn)狀亟待轉(zhuǎn)變，大力推動智能建造技術(shù)的全面應(yīng)用是必由之路。因此，在高校土木工程專業(yè)的教學(xué)中引入3D打印智能建造技術(shù)作為實驗課程環(huán)節(jié)，將多學(xué)科交叉前沿技術(shù)應(yīng)用于學(xué)生的實踐動手環(huán)節(jié)，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣的同時，提升土木工程專業(yè)學(xué)生學(xué)科交叉及創(chuàng)新能力[5]。

目前，增材打印制造在土木工程專業(yè)實驗教學(xué)中存在諸多瓶頸與空白，拓寬實踐教學(xué)的互動環(huán)節(jié)，將3D打印技術(shù)引入教學(xué)可以豐富土木類專業(yè)的新工科知識體系。結(jié)合南京林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院現(xiàn)有工程訓(xùn)練平臺，建立對應(yīng)的增材智能建造技術(shù)創(chuàng)新訓(xùn)練教學(xué)體系，該體系包括認(rèn)知與體驗、總結(jié)與思考、創(chuàng)新與綜合應(yīng)用三個方面。對應(yīng)3D打印智能建造技術(shù)，每個教學(xué)環(huán)節(jié)模塊化制定教學(xué)內(nèi)容，服務(wù)于學(xué)科內(nèi)各專業(yè)課程實驗環(huán)節(jié)、課程設(shè)計實驗環(huán)節(jié)、畢業(yè)論文實驗環(huán)節(jié)、創(chuàng)新實踐訓(xùn)練計劃等多個重要教學(xué)環(huán)節(jié)，促進土木工程專業(yè)人才智能基礎(chǔ)知識與智能建造技術(shù)的互動發(fā)展[6，7]。

二、增材智能建造技術(shù)創(chuàng)新教學(xué)的實施

（一）增設(shè)土木類3D打印實驗課時

以激發(fā)土木類學(xué)生3D打印學(xué)習(xí)興趣為導(dǎo)向，著力提高學(xué)生在智能建造方向上的創(chuàng)新性，根據(jù)本專業(yè)學(xué)科發(fā)展需要設(shè)置3D打印實驗課，并有針對性地安排足量學(xué)時[8]。對于交通土建工程、建筑工程專業(yè)的學(xué)生而言，可以依據(jù)專業(yè)課“土木工程材料”“路基路面工程”“結(jié)構(gòu)設(shè)計原理”等專業(yè)重點課程對應(yīng)設(shè)置4～8學(xué)時的3D打印實驗教學(xué)。實驗課針對特定設(shè)計案例進行3D打印智慧建造設(shè)計與實踐，由指導(dǎo)教師提出實際工程問題（如梁體結(jié)構(gòu)的三維空間打印），然后由指導(dǎo)教師協(xié)助學(xué)生通過設(shè)計與實驗實踐環(huán)節(jié)，開放性地解決該工程問題，并展示縮尺3D打印結(jié)構(gòu)構(gòu)件[9，10]。最終，基于“土木類專業(yè)力學(xué)”課程內(nèi)容，為學(xué)生演示3D打印構(gòu)件力學(xué)性能測試，串聯(lián)知識體系并鞏固基礎(chǔ)知識。

（二）增設(shè)In-Group體感互動環(huán)節(jié)

以輔助學(xué)生強化3D打印的感受為導(dǎo)向，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，增設(shè)In-Group體感互動環(huán)節(jié)。學(xué)生以3～4人小組為單位進行自由組隊，實際感受3D打印的全過程。設(shè)置對應(yīng)的預(yù)期目標(biāo)，由組內(nèi)成員合理分配任務(wù)，進行團隊協(xié)作，完成建材3D打印結(jié)構(gòu)構(gòu)件的任務(wù)。In-Group體感互動環(huán)節(jié)，目的是為了充分接觸并掌握建材3D打印系統(tǒng)的工作原理，學(xué)習(xí)打印平臺操作并完成縮尺構(gòu)件的打印全流程。由指導(dǎo)教師從3D打印的原理、發(fā)展與應(yīng)用等方面展開，重點關(guān)注增材智能建造技術(shù)的步驟，主要包括建筑結(jié)構(gòu)（小尺寸梁、柱、板）的建模、3D打印軟件的操作、3D打印建筑材料的配合比優(yōu)化設(shè)計、三維空間打印過程控制等。完成打印后，由于不同小組的設(shè)計參數(shù)不同，打印的構(gòu)件力學(xué)性能會存在差異，需對力學(xué)性能進行測試并對比。在該過程中進行積分評比，對于各小組的表現(xiàn)進行總結(jié)，并在該過程中思考問題、解決問題，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力、協(xié)作能力以及突破瓶頸問題的能力[11]。

（三）開展目標(biāo)需求導(dǎo)向型實踐訓(xùn)練

以開拓學(xué)生使用增材智能建造技術(shù)能力為導(dǎo)向，培養(yǎng)學(xué)生全過程動手實踐能力，開展以解決實際建造問題為目標(biāo)的實踐訓(xùn)練。契合新工科教學(xué)背景，結(jié)合教師科研項目，組建10～15人的3D打印智能建造綜合實訓(xùn)社團。以解決實際工程項目問題為導(dǎo)向，根據(jù)實際建造問題，融合其他學(xué)科專業(yè)的學(xué)生共同開展工程實踐訓(xùn)練[12]。在實踐過程中，學(xué)生以研究社團形式進行整體建筑結(jié)構(gòu)建模、3D打印軟件參數(shù)優(yōu)化設(shè)計、結(jié)構(gòu)構(gòu)件打印流程設(shè)計、新材料優(yōu)化設(shè)計，達(dá)成理論知識提升與技能訓(xùn)練的同時，也可培養(yǎng)學(xué)生對項目工程的智能管控、工程方案的鏈條式設(shè)計及團隊溝通等能力[13]。整個實踐過程可建立全過程跟蹤績效評價體系，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)土木工程增材智能建造技術(shù)的內(nèi)生動力，最終以目標(biāo)需求為導(dǎo)向的實踐訓(xùn)練提升學(xué)生在實際工程建造中的智能建造能力。

（四）增材智能建造技術(shù)創(chuàng)新教學(xué)的案例實施

本教學(xué)案例依托南京林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院與重慶大學(xué)常州溧陽智慧城市研究院合作打造的3D建材框架打印機（見圖2），以實際工程建設(shè)需求為案例，實施增材智能建造技術(shù)的創(chuàng)新型教學(xué)。在案例實施過程中，學(xué)生以既有研究社團形式，通過3D增材打印技術(shù)制備一根截面尺寸為600mm×600mm、長2400mm的足尺水泥混凝土矩形梁式試件，并進行力學(xué)性能測試。本次教學(xué)實例共安排8課時，第1、第2課時由指導(dǎo)教師講解設(shè)計要求及預(yù)期性能指標(biāo)，協(xié)助研究社團學(xué)生基于SketchUp軟件進行矩形梁構(gòu)件的三維空間結(jié)構(gòu)設(shè)計，并由研究社團學(xué)生分組討論制定打印線路方式;第3、第4課時由指導(dǎo)教師講解智能3D打印建造用水泥混凝土原料配合比設(shè)計要求，調(diào)配具有工作性能的3D打印原料;第5、第6課時由指導(dǎo)教師配合學(xué)生進行構(gòu)件打印實踐操作訓(xùn)練，結(jié)合已制定的打印線路及原材料構(gòu)件的制作，完成對構(gòu)件外觀和尺寸完整度的檢測;第7、第8課時由指導(dǎo)教師演示梁試件的抗彎強度測試，采取三點彎曲試驗對所制備的3D打印矩形梁抗彎強度進行測定，對比預(yù)期性能指標(biāo)，計算性能達(dá)成度。最后，對比3D打印智能建造與常規(guī)制備方式所制備試件的性能差異，總結(jié)3D打印智能建造全流程并布置課程設(shè)計作業(yè)，由研究社團學(xué)生探索完成。

結(jié)語

基于前沿三維空間增材制造技術(shù)，適應(yīng)土木工程學(xué)科智能化、現(xiàn)代化發(fā)展需求，開展土木工程學(xué)科增材智能建造技術(shù)創(chuàng)新教學(xué)的探索與實踐，能夠給土木工程類實驗教學(xué)內(nèi)容提供技術(shù)補充，為學(xué)生帶來智能建造理性與感性相結(jié)合的認(rèn)知，提高土木領(lǐng)域新工科人才培養(yǎng)質(zhì)量，構(gòu)建學(xué)生的智能建造理念，培養(yǎng)出綜合掌握傳統(tǒng)工科基礎(chǔ)知識與智能建造技術(shù)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)行業(yè)的后備力量。

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Exploration of the Innovative Teaching of the Course of Additive Intelligent Manufacturing Technology from the Perspective of “Emerging Engineering Education”

WANG Jia-qing1， WANG Li-bin1， LI Qiang1， SUN Jun-bo2， LYU Gui-fang3

（1. College of Civil Engineering， Nanjing Forestry University， Nanjing， Jiangsu 210037， China;

2. Department of Civil Engineering， Curtin University， Perth， Western Australia 6000， Australia;

3. Baichuan Weiye Building Technology Co.， Ltd.， Tianjin 300384， China）

Abstract： With the proposal of The Fourteenth Five-Year Plan for the Development of Intelligent Manufacturing， the need? to transform traditional engineering into new engineering is becoming more and more prominent， and university education should focus on cultivating innovative talents with the “craftsman spirit”. In the civil engineering discipline， the traditional experiment teaching focuses on consolidating the foundation and deepening the understanding of theoretical knowledge. The experiment teaching in the context of “emerging engineering education” should be more in line with the development needs of intelligent manufacturing. The course of the Additive Intelligent Manufacturing Technology is introduced as an innovative and open somatosensory interactive link to further stimulate the interest of college students of civil engineering major in intelligent manufacturing technology and help cultivate? intelligent manufacturing talents under the background of “emerging engineering education”.

Key words： intelligent manufacturing; civil engineering; experiment teaching; additive manufacturing technology; somatosensory interaction