李安海，周詠輝

（1.山東大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250061；2.高效潔凈機(jī)械制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250061；3.機(jī)械工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心〔山東大學(xué)〕，山東 濟(jì)南 250061）

前言

智能制造是“中國(guó)制造2025”的主攻方向，智能制造工程是在國(guó)家“中國(guó)制造2025”規(guī)劃背景下設(shè)立的新工科專業(yè)，這將為推動(dòng)中國(guó)制造由大變強(qiáng)提供強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)力，可為培養(yǎng)具有全球視野的智能機(jī)械制造專業(yè)技術(shù)人才打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)［1-3］。智能制造工程新工科專業(yè)的人才培養(yǎng)需滿足經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和國(guó)防建設(shè)對(duì)重大技術(shù)裝備的需求，強(qiáng)化工業(yè)基礎(chǔ)能力，提高綜合集成水平，培養(yǎng)多層次、多類型人才，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，培育有中國(guó)特色的制造文化，實(shí)現(xiàn)制造業(yè)由大變強(qiáng)的歷史跨越［4-5］。增材制造技術(shù)（3D打?。┎捎秒x散-堆積原理三維數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)、分層打印、疊加成形的方式逐層增加材料來直接制造三維實(shí)體零件［6］。3D打印是數(shù)字化直接制造、按需制造和就地制造，是智能制造的主要支撐技術(shù)。相對(duì)于傳統(tǒng)的材料切削成形，由于增材制造的靈活性，3D打印的材料添加成形是一種重大創(chuàng)新,從而使人們?cè)谠O(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)可以更多地關(guān)注產(chǎn)品的物理性能而非可實(shí)現(xiàn)性。增材制造技術(shù)可實(shí)現(xiàn)任意材料、任意結(jié)構(gòu)、任意批量、任意領(lǐng)域、任意場(chǎng)所的生產(chǎn)制造，將為智能制造、綠色制造和服務(wù)制造提供新的制造模式［7］。

“增材制造工藝與材料”是高等工科學(xué)校本科四年制增材制造、機(jī)械制造類專業(yè)的一門主干專業(yè)基礎(chǔ)課程，其任務(wù)是使學(xué)生了解和掌握增材制造種類、不同增材制造方式工藝特點(diǎn)、所需材料及性能，初步具備根據(jù)不同的工程應(yīng)用環(huán)境，選擇適當(dāng)增材制造方法、進(jìn)而完成材料選擇并制定工藝規(guī)程的能力。該課程包括典型增材制造工藝、增材制造常用材料、增材制造工程應(yīng)用等。本課程在培養(yǎng)高級(jí)工程技術(shù)人才的全局中，讓學(xué)生掌握未來新型制造模式的工藝原理和方法手段，拓寬學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)新機(jī)械工程技術(shù)工作的適應(yīng)性，培養(yǎng)其面向未來的創(chuàng)新能力，探索和解決復(fù)雜增材制造過程中的工程技術(shù)問題。近年來，山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院（以下簡(jiǎn)稱“我院”）在機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)開設(shè)“增材制造工藝與材料”“快速原型制造原理與裝備”等增材制造相關(guān)課程，亟待在教學(xué)內(nèi)容和成績(jī)?cè)u(píng)定方面針對(duì)智能制造工程新工科專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)和要求進(jìn)行整合優(yōu)化和改革創(chuàng)新，以適應(yīng)智能制造工程專業(yè)在增材制造工藝與材料方面高精專業(yè)技術(shù)人才培養(yǎng)的需要。

一、面向智能制造的課程教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)與完善

“增材制造工藝與材料”課程是我院為培養(yǎng)增材制造技術(shù)研究和開發(fā)專業(yè)人才而在智能制造新工科專業(yè)開設(shè)的專業(yè)課程，該課程的總體目標(biāo)是使學(xué)生對(duì)增材制造基本工藝方法及其使用領(lǐng)域、常用材料性能及其應(yīng)用有一個(gè)初步了解，為學(xué)生今后從事增材制造的研究和開發(fā)創(chuàng)新奠定必要的基礎(chǔ)，使學(xué)生具有掌握增材制造工程基礎(chǔ)知識(shí)和本專業(yè)的基本理論知識(shí)，具備解決工程技術(shù)問題的基本技能。增材制造技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是：從塑料快速原型制作到金屬零件制造；從單一材料結(jié)構(gòu)到多種材料和嵌入結(jié)構(gòu)；從增材制造到增材和切削加工的集成；和傳統(tǒng)工藝融合，突破規(guī)模、成本和材質(zhì)的限制。

將該課程定位為智能制造必修的重要專業(yè)課程，使學(xué)生了解和掌握智能增材制造種類、不同增材制造方式工藝特點(diǎn)、所需材料及性能，初步具備根據(jù)不同的智能制造工程應(yīng)用環(huán)境，選擇適當(dāng)增材制造方法，進(jìn)而完成材料選擇并制定智能工藝制造規(guī)程的能力。該課程包括典型智能增材制造工藝、增材制造常用材料、增材制造工程應(yīng)用等。

圖1所示為面向智能制造的課程教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)與完善思路。針對(duì)智能制造的發(fā)展前沿研究方向，結(jié)合本課程特點(diǎn)，開展了教學(xué)內(nèi)容重點(diǎn)的“三個(gè)轉(zhuǎn)移”：（1）將教學(xué)重點(diǎn)由通用熔融沉積成型塑料打印向復(fù)雜金屬零件激光增材制造工藝過程與材料性能演化等轉(zhuǎn)移；（2）從單一材料結(jié)構(gòu)打印成型向多材料嵌入結(jié)構(gòu)混合打印或同時(shí)打印轉(zhuǎn)移；（3）從單一增材制造工藝模式向混合增材制造技術(shù)（增材制造與其他傳統(tǒng)制造方式的混合制造方式）工藝與材料成型過程轉(zhuǎn)移。

圖1 面向智能制造的課程教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)與完善思路

二、融合多種教學(xué)方式與分組教學(xué)的自主學(xué)習(xí)能力培養(yǎng)

圖2展示了融合多種教學(xué)方式與分組教學(xué)的自主學(xué)習(xí)能力培養(yǎng)流程。教學(xué)方式主要體現(xiàn)在啟發(fā)式教學(xué)、問題驅(qū)動(dòng)項(xiàng)目研究式教學(xué)和探索交互式教學(xué)等。

圖2 融合多種教學(xué)方式與分組教學(xué)的自主學(xué)習(xí)能力培養(yǎng)流程

1.采用啟發(fā)式教學(xué)，激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的興趣和潛力，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立分析問題、發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的基本能力，引導(dǎo)學(xué)生通過自學(xué)和實(shí)踐學(xué)到自己感興趣的知識(shí)。在教學(xué)手段上，采用電子教案和CAI教案、多媒體教學(xué)和傳統(tǒng)黑板板書與教具教學(xué)相結(jié)合的方式，擴(kuò)大課堂教學(xué)信息量，增強(qiáng)課堂教學(xué)內(nèi)容的直觀性和易學(xué)性。運(yùn)用多媒體教學(xué)、模型教學(xué)、案例教學(xué)、課堂教學(xué)與現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)相結(jié)合的教學(xué)方法與手段，遵循啟發(fā)式原則、實(shí)踐性原則、直觀性原則、傳授知識(shí)與培養(yǎng)能力相統(tǒng)一的原則，以學(xué)生為主體，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

2.采用問題驅(qū)動(dòng)項(xiàng)目研究教學(xué)方式，引導(dǎo)并鼓勵(lì)學(xué)生開展項(xiàng)目研究，3～5人一組，凝練項(xiàng)目主題內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生自主發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力，提出解決方案，并相互討論確定采用增材制造技術(shù)解決實(shí)際工程中的問題和生活中的問題，采用團(tuán)隊(duì)協(xié)作相互督促的方式完成項(xiàng)目研究工作，并在課堂進(jìn)行團(tuán)隊(duì)成果展示答辯。通過書面報(bào)告和口頭表達(dá)相結(jié)合的形式，考查學(xué)生的綜合學(xué)習(xí)能力。

3.采用探索交互式教學(xué)方法，在課前鼓勵(lì)學(xué)生利用大學(xué)慕課或智慧樹平臺(tái)上的增材制造和3D打印線上課程進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容的提前預(yù)習(xí)和自主學(xué)習(xí)，將學(xué)習(xí)和預(yù)習(xí)過程中的疑難問題或感興趣的問題帶到課堂上進(jìn)行研究討論，搜集相關(guān)資料，加深對(duì)所學(xué)知識(shí)的印象和理解深度。課上課下開展課程學(xué)習(xí)互助環(huán)節(jié)，督促學(xué)生課下積極準(zhǔn)備自主學(xué)習(xí)教學(xué)內(nèi)容，鍛煉其團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、分析問題和解決問題的能力。

三、面向探索創(chuàng)新能力培養(yǎng)的課堂與實(shí)踐教學(xué)改革

通過課堂教學(xué)、實(shí)踐教學(xué)和項(xiàng)目研究等環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)探索創(chuàng)新的意識(shí)與能力及機(jī)械工程專業(yè)知識(shí)的綜合運(yùn)用能力，使學(xué)生掌握增材制造工藝與材料技術(shù)的基本理論、基本知識(shí)和基本技能，以及增材制造技術(shù)的材料類型、工藝方法和應(yīng)用需求的一般規(guī)律，培養(yǎng)學(xué)生增材制造工藝與裝備的創(chuàng)新開發(fā)和應(yīng)用能力，使其能夠運(yùn)用增材制造技術(shù)解決工程實(shí)踐過程中遇到的實(shí)際問題，提高創(chuàng)新能力和綜合實(shí)踐能力（如圖3）。例如，通過金屬材料和非金屬材料的增材制造工藝與材料的理論課堂教學(xué)及實(shí)驗(yàn)教學(xué)，使學(xué)生對(duì)非金屬材料和金屬材料增材制造材料與工藝特點(diǎn)具有直觀的認(rèn)識(shí)。

圖3 面向探索創(chuàng)新能力培養(yǎng)的課堂與實(shí)踐教學(xué)改革

通過實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，使學(xué)生加深對(duì)課堂學(xué)習(xí)內(nèi)容的印象，提高動(dòng)手操作能力，加深對(duì)理論知識(shí)的理解，提高理論聯(lián)系實(shí)際、靈活運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決工程實(shí)踐問題的能力。在教學(xué)中注重實(shí)踐性，課堂教學(xué)注重模型的運(yùn)用、多媒體的運(yùn)用，增強(qiáng)學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)，以作業(yè)為主，加強(qiáng)實(shí)踐過程，遵循“實(shí)踐—總結(jié)—再實(shí)踐”的學(xué)習(xí)過程，不斷提高學(xué)生的空間思維能力，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)的基本理論和概念分析與解決實(shí)際問題的能力。例如，講述增材制造綜合教學(xué)實(shí)驗(yàn)的原理、方法與步驟，通過包括三維數(shù)字建模、模型數(shù)據(jù)處理、快速成型加工零件增材制造全過程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，加強(qiáng)學(xué)生在增材制造方面的技能訓(xùn)練，加深對(duì)增材制造技術(shù)的認(rèn)識(shí)與理解。鼓勵(lì)學(xué)生自主設(shè)計(jì)或選擇3D打印零件模型，既體現(xiàn)“以學(xué)生為中心”的教學(xué)理念，又有利于培養(yǎng)學(xué)生的科技創(chuàng)新意識(shí)。在實(shí)際教學(xué)應(yīng)用中貫徹探索創(chuàng)新能力培養(yǎng)的理念，取得了良好的理論和實(shí)踐教學(xué)效果。

四、優(yōu)化課程考核方式，加強(qiáng)成績(jī)?cè)u(píng)定要求

結(jié)合本課程特點(diǎn)及智能制造工程專業(yè)特點(diǎn)，本門課成績(jī)包括三部分：平時(shí)出勤和課堂表現(xiàn)、課后作業(yè)及課題型隨堂測(cè)試與期末考試。（1）平時(shí)出勤和課堂表現(xiàn)部分（約占課程總成績(jī)的20%），主要包括上課出勤點(diǎn)名、上課問問題、課堂紀(jì)律、對(duì)其他同學(xué)的幫助、上課進(jìn)度的跟進(jìn)及和老師的互動(dòng)程度等，以及課堂展示和課下完成專題任務(wù)的能力。（2）課后作業(yè)部分（約占課程總成績(jī)的10%），主要考查對(duì)所學(xué)內(nèi)容的熟悉程度、是否按時(shí)按要求提交作業(yè)、是否按要求自行查閱資料自學(xué)、靈活運(yùn)用所學(xué)知識(shí)并解決實(shí)際問題的綜合能力。（3）隨堂測(cè)試方式改革（約占課程總成績(jī)的30%），將全班學(xué)生分成若干個(gè)學(xué)習(xí)小組，隨堂測(cè)試采用專題答辯展示的方式進(jìn)行，考核分?jǐn)?shù)包含團(tuán)隊(duì)協(xié)作、團(tuán)隊(duì)貢獻(xiàn)，內(nèi)容講述評(píng)價(jià)、小組間互評(píng)等，采用3～5人分組團(tuán)隊(duì)協(xié)作的方式設(shè)計(jì)制作PPT并展示不同增材制造工藝過程的基本原理和增材制造材料類型和特點(diǎn)，最后提交合作完成的PPT。應(yīng)做好分工，團(tuán)隊(duì)協(xié)作，PPT標(biāo)注團(tuán)隊(duì)成員姓名，署名順序（和最終成績(jī)的團(tuán)隊(duì)貢獻(xiàn)分掛鉤）采用小組民主評(píng)議方式產(chǎn)生。（4）期末考試（約占課程總成績(jī)的40%），采用筆試的形式，主要考查綜合運(yùn)用課程學(xué)習(xí)知識(shí)解決增材制造工程技術(shù)問題的能力。

結(jié)語

面向機(jī)械智能制造工程專業(yè)，對(duì)“智能制造工藝與材料”課程進(jìn)行了教學(xué)內(nèi)容改革和優(yōu)化。增材制造是數(shù)字化直接制造、按需制造和就地制造，是智能制造的主要支撐技術(shù)。面向智能制造的增材制造教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)與完善，可有針對(duì)性地為培養(yǎng)機(jī)械智能制造高層次、專用化和寬口徑人才提供堅(jiān)實(shí)后盾和技術(shù)基礎(chǔ)。在課程學(xué)習(xí)考核方式方面，增加分組團(tuán)隊(duì)完成并展示課題作業(yè)，采用組內(nèi)團(tuán)隊(duì)協(xié)作貢獻(xiàn)、組間相互評(píng)價(jià)的成績(jī)?cè)u(píng)定模式，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、總成績(jī)體現(xiàn)教學(xué)參與程度的合理性及團(tuán)隊(duì)協(xié)作貢獻(xiàn)的公平性。