摘要：“工業(yè)4.0”發(fā)展進程需要材料學(xué)作為支持，而材料學(xué)的發(fā)展需要高水平的課程體系，以及多學(xué)科知識的交叉融合。但目前材料成型及控制工程開設(shè)的課程體系與內(nèi)容存在學(xué)生學(xué)習(xí)積極性與興趣不足等問題，嚴重影響材料成型及控制工程專業(yè)課程教學(xué)成效。因此，應(yīng)著重分析3D打印技術(shù)在材料成型及控制工程課程教學(xué)改革中應(yīng)用優(yōu)勢，介紹3D打印技術(shù)在材料成型及控制工程課程教學(xué)改革中的融入途徑，指出3D打印技術(shù)的應(yīng)用實踐，多方面結(jié)合共同提高課程教學(xué)改革效果，加強課程教學(xué)質(zhì)量，以推動材料科學(xué)良好發(fā)展。

關(guān)鍵詞：3D打印技術(shù)材料成型及控制工程課程教學(xué)改革

中圖分類號：G642

ExploringtheApplicationofIntegrating3DPrintingTechnologyintotheTeachingReformofMaterialFormingandControlEngineering

ZHANGHongminWANGZhizhiYANKetaoSUNShangqiZHOUMengfei（ZHOU-MENGFei？？）

（SchoolofMechanicalEngineeringandRailTransit，ChangzhouUniversity，Changzhou，JiangsuProvince，213164China）

Abstract：Thedevelopmentprocessof“Industry4.0”requiresthesupportofmaterialscience，andthedevelopmentofmaterialsciencerequiresahigh-levelcurriculumsystemandthecrossintegrationofmultidisciplinaryknowledge.However，thecurrentcurriculumsystemandcontentofMaterialFormingandControlEngineeringhaveproblemssuchasinsufficientstudents’enthusiasmandinterestinlearning，whichseriouslyaffectstheteachingeffectofitsprofessionalcourses.Therefore，itisnecessarytofocusonanalyzingtheapplicationadvantagesof3DprintingtechnologyintheeducationalreformofMaterialFormingandControlEngineering，introducemethodsforintegrating3Dprintingtechnologyintoitseducationalreform，andpointoutapplicationpraticeof3Dprintingtechnology，soastojointlyimprovetheeffectofcourseteachingreformbycombiningvariousaspects，improvecourseteachingqualityandpromotethegooddevelopmentofmaterialscience.

KeyWords：3Dprintingtechnology;MaterialFormingandControlEngineering;Curriculumteachingreform

材料成型及控制工程涉及機械設(shè)計、電工電子、工程圖學(xué)、控制工程、自動化等多個核心知識領(lǐng)域，可推動國家在機械設(shè)計制造、工業(yè)經(jīng)營銷售、工業(yè)試驗研究等多個領(lǐng)域的深度發(fā)展。然而，當(dāng)前材料成型及控制工程采用的教學(xué)方式仍然相對傳統(tǒng)，忽視對學(xué)生創(chuàng)新意識與實踐能力的開發(fā)，難以滿足“工業(yè)4.0”發(fā)展下的市場需求。3D打印技術(shù)作為計算機科學(xué)、材料科學(xué)、機械制造等多學(xué)科領(lǐng)域交叉融合后形成的新興技術(shù)，將其融入材料成型及控制工程，可為工業(yè)設(shè)計、模擬設(shè)計、產(chǎn)品研發(fā)可視化提供新的發(fā)展途徑，更有利于培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力。

現(xiàn)如今，在機械類專業(yè)課程中融入3D打印技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)前的研究和教學(xué)熱點，但現(xiàn)有研究大多集中在塑料制品設(shè)計[1]、數(shù)控加工[2]、模具設(shè)計[3]等領(lǐng)域，關(guān)于材料成型及控制工程課程教學(xué)改革的研究則相對較少。據(jù)此，本研究以3D打印技術(shù)融入材料成型及控制工程課程教學(xué)改革為研究視角，指出課程改革途徑和3D打印技術(shù)應(yīng)用實例，旨在為后續(xù)材料成型與控制工程課程改革及3D打印技術(shù)的融入應(yīng)用提供參考。

13D打印技術(shù)簡介

3D打印技術(shù)，又稱為增材制造技術(shù)，是一種以數(shù)字模型為基礎(chǔ)，運用塑料、金屬、陶瓷等多種類材料，通過激光束、熱熔噴嘴等熱源按照模型的二維輪廓進行逐層打印堆積，形成完整實物的快速成型技術(shù)[4]。3D打印技術(shù)最早運用于模具制造、工業(yè)設(shè)計等領(lǐng)域，但隨著3D打印技術(shù)的不斷成熟，其已經(jīng)被廣泛運用于建筑工程、汽車制造、航空航天、課程教育等諸多領(lǐng)域。相較于傳統(tǒng)減材制造技術(shù)來說，3D打印技術(shù)采用逐層疊加方式實現(xiàn)材料成型，可有效簡化實物制造流程、提高制造速度、控制制造成本。

23D打印技術(shù)在課程教學(xué)改革中應(yīng)用優(yōu)勢

應(yīng)用3D打印技術(shù)可有效簡化產(chǎn)品生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，其在工業(yè)制造、生物醫(yī)學(xué)、航空航天等多個領(lǐng)域均有著良好的應(yīng)用前景。將3D打印技術(shù)融入材料成型及控制工程專業(yè)工業(yè)設(shè)計、模擬設(shè)計、產(chǎn)品研發(fā)實際教學(xué)后，根據(jù)模具設(shè)計方案、三維裝配和零件裝配圖進行3D打印，形成的實物用于課程教學(xué)，滿足專業(yè)課程教學(xué)要求。具體來說，3D打印技術(shù)具有以下4點應(yīng)用優(yōu)勢：第一，3D打印技術(shù)可以快速打印課程教學(xué)所需的教具和教學(xué)模型，加強課程教學(xué)的直觀性，保證學(xué)生對課程教學(xué)的認識和理解效果；第二，3D打印技術(shù)可以根據(jù)設(shè)計圖紙快速開展實物快速打印成型，直觀地展示設(shè)計方案存在的不足之處，達成設(shè)計驗證和問題總結(jié)等目的；第三，3D打印技術(shù)在很多行業(yè)均有著較高普及率，在專業(yè)課程教學(xué)中引入3D打印技術(shù)可以提前培養(yǎng)學(xué)生的3D打印技術(shù)運用能力，拓寬學(xué)生的社會可就業(yè)范圍；第四，基于3D打印技術(shù)積極鼓勵學(xué)生自主設(shè)計和制造零件，參與各類創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力。總體來說，在材料成型及控制工程課程教學(xué)中融入3D打印技術(shù)，既可以拓展學(xué)生的理論知識和專業(yè)視野范圍，還可以推動課程理論教學(xué)與實踐教學(xué)之間的深入關(guān)聯(lián)，幫助學(xué)生更好地掌握專業(yè)知識和3D打印技術(shù)相關(guān)知識。

3材料成型與控制工程課程現(xiàn)況

3.1課程體系存在一定局限性

隨著中國制造2025的戰(zhàn)略目標不斷落實，我國制造業(yè)已經(jīng)基本實現(xiàn)向高端與智能的轉(zhuǎn)型。因此，對相關(guān)專業(yè)的需求也更趨向于市場化，鑄造充型、精密控制與智能制造對專業(yè)要求也更加趨向多技術(shù)融合。而當(dāng)前材料成型及控制工程專業(yè)的課程體系設(shè)計，相對重視專業(yè)理論知識Y4qOPcRgaeowJ8vEgrCvtg==與已有技能的培養(yǎng)，在學(xué)科融合與新興技術(shù)的引用上存在一定滯后，這也導(dǎo)致在實際教學(xué)中存在一定的局限性。主要體現(xiàn)為：教學(xué)設(shè)備和學(xué)內(nèi)容與市場需求存在一定差異，不符合市場發(fā)展趨勢；理論教學(xué)與實際問題存在脫節(jié)現(xiàn)象，不能滿足創(chuàng)新需要；教學(xué)目標與企業(yè)發(fā)展目標不一致，對學(xué)生就業(yè)發(fā)展不利。

3.2課程內(nèi)容結(jié)構(gòu)缺乏興趣引導(dǎo)

現(xiàn)有課程內(nèi)容結(jié)構(gòu)，將大量的時間分配到理論講解以及所需儀器的使用方法、構(gòu)成原理上，讓本就不容易理解的專業(yè)更加枯燥無味。而且，校方擁有的設(shè)備通常不能與市場發(fā)展需求同步，再將大量的時間用在設(shè)備講解中，導(dǎo)致學(xué)生所接受的知識時效性與實用性大打折扣。除此之外，材料成型及控制工程專業(yè)的實驗課程中包含了一定量的常規(guī)基礎(chǔ)化學(xué)與物理學(xué)實驗。這些實驗通常是學(xué)生過往已經(jīng)接觸或進行過的，再次進行造成了學(xué)生的重復(fù)操作，對專業(yè)興趣基本喪失。

3.3課程評價體系不利于挖掘?qū)W生研發(fā)能力

目前，材料成型及控制工程專業(yè)的專業(yè)課程評價依然以理論作業(yè)考核，實驗報告考核的方式，評價學(xué)生優(yōu)劣更是以考試為主進行核準。這種單一的考評必然導(dǎo)致結(jié)果存在片面性。除此之外，實驗考核也存在學(xué)生報告同質(zhì)化現(xiàn)象，一個學(xué)生的數(shù)據(jù)會共享給很多人共同使用，只對量級和部分參數(shù)進行調(diào)整。很多學(xué)生都以應(yīng)對考核為目的完成作業(yè)，這導(dǎo)致專業(yè)研發(fā)能力大大降低。

4基于3D打印技術(shù)的課程教學(xué)改革途徑

4.1遵循課程基礎(chǔ)構(gòu)建完善的課程體系

材料成型及控制工程現(xiàn)有的課程教學(xué)體系基本上可以滿足順應(yīng)學(xué)習(xí)規(guī)律、聚焦核心概念的課程教學(xué)要求，所以在引入3D打印技術(shù)后僅需要在現(xiàn)有課程教學(xué)體系的基礎(chǔ)上實施適當(dāng)優(yōu)化調(diào)整便可。考慮到材料成型與控制工程大一和大二課程主要為通識課程和專業(yè)基礎(chǔ)課程，融入3D打印技術(shù)后課程教學(xué)效果提升幅度較不顯著，而在完成大二課程學(xué)習(xí)后，學(xué)生將初步具備CAD設(shè)計、CAM加工等基礎(chǔ)能力，此時在課程教學(xué)體系中融入3D打印技術(shù)可有效發(fā)揮3D打印技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢，激發(fā)學(xué)生的課程學(xué)習(xí)主觀能動性[5]。

基于3D打印技術(shù)優(yōu)勢推動材料成型及控制工程課程內(nèi)容改革可從制圖類課程、設(shè)計類課程、材料類課程3個角度進行。在制圖課程方面，教師充分了解學(xué)生的需求以及學(xué)習(xí)過程中遇到的困難，將3D打印技術(shù)與制圖類課程相結(jié)合，借助3D打印技術(shù)制作設(shè)計實物，加深學(xué)生對于建模內(nèi)容的印象，提高學(xué)生繪圖能力，掌握基本制圖知識；在設(shè)計類課程方面，設(shè)計課程時，應(yīng)結(jié)合課程設(shè)計內(nèi)容，應(yīng)用軟件中制定的設(shè)計模板進行快速設(shè)計，并借助轉(zhuǎn)換軟件將設(shè)計模型轉(zhuǎn)換為3D打印技術(shù)可以識別的G代表，利用3D打印技術(shù)進行快速打印。根據(jù)打印實物，學(xué)生可以在教師的幫助下對設(shè)計方案進行持續(xù)優(yōu)化調(diào)整，完善學(xué)生的設(shè)計方案；在材料類課程方面，在實施3D打印前，引導(dǎo)學(xué)生進行自主配料，使用自行配制的材料進行3D打印，加深學(xué)生對不同材料配比方案下材料性能、成型效果的認知。

4.2以科技創(chuàng)新為理念實現(xiàn)課程興趣改革

材料成型與控制工程專業(yè)課涉及的知識較為繁雜，并且不同專業(yè)課之間的知識內(nèi)容相互獨立，采用傳統(tǒng)課程教學(xué)模式進行“照本宣科”將難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，學(xué)生對于知識點的學(xué)習(xí)、記憶難度也相對較大。在材料成型及控制工程專業(yè)課程改革中融入3D打印技術(shù)，利用3D打印技術(shù)多學(xué)科領(lǐng)域交叉融合的特征，打破專業(yè)課之間的學(xué)習(xí)壁壘，實現(xiàn)專業(yè)課知識的深度融合[6]。具體課程教學(xué)過程中，教師通過3D打印技術(shù)制作出符合課程教學(xué)內(nèi)容的教學(xué)用具，此教學(xué)用具可以有效豐富學(xué)生的課程學(xué)習(xí)感官和知覺體驗，將原本隱性化的課程知識顯性化，使課程教學(xué)內(nèi)容更為形象、具體，降低學(xué)生對課程知識的認知、學(xué)習(xí)難度[7]。總體來說，在材料成型及控制工程課程改革中融入3D打印技術(shù)后，既可以解決課程教學(xué)中原本存在的教學(xué)器材、教學(xué)設(shè)備短缺問題，還可以一定程度上彌補教師的教學(xué)經(jīng)驗、能力缺陷，多方面結(jié)合共同保障課程教學(xué)質(zhì)量。

現(xiàn)如今，材料科學(xué)的發(fā)展日新月異，若是將材料成型及控制工程專業(yè)課程涉及的理論知識與國際上科研前沿?zé)狳c、技術(shù)發(fā)展動態(tài)相關(guān)聯(lián)，則可以有效提高學(xué)生的專業(yè)課程知識學(xué)習(xí)興趣，更好地提高課程教學(xué)效果[8]。表1中展示了各類材料領(lǐng)域中3D打印技術(shù)前沿案例與材料成型及控制工程專業(yè)課程關(guān)聯(lián)。根據(jù)表中的內(nèi)容可知，3D打印技術(shù)在材料學(xué)科的多個領(lǐng)域均有著良好運用，新型材料和3D打印技術(shù)均為材料成型及控制工程專業(yè)未來重要研究方向，對3D打印技術(shù)案例進行研究分析，既可以為材料成型及控制工程課程教學(xué)提供豐富的案例資源，又可以幫助學(xué)生提前了解國際研究熱點，為學(xué)生未來的研究和發(fā)展打下良好基礎(chǔ)。

4.3以綜合性考核細則為標準完善課程評價體系

融入3D打印技術(shù)以后，課程教學(xué)評價體系的考核內(nèi)容應(yīng)從原本的終結(jié)性考核向綜合性考核轉(zhuǎn)變，構(gòu)建更符合學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)造能力培養(yǎng)要求的綜合考核評價體系[9]。具體來說，融入后的課程教學(xué)評價體系考核內(nèi)容應(yīng)與學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)造能力培養(yǎng)、社會企業(yè)需求相對應(yīng)，重點突出學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)造能力、綜合實踐能力的考核，課程考核評價細則可參考表2中的內(nèi)容。

4結(jié)語

綜上所述，3D打印技術(shù)融入材料成型及控制工程課程教學(xué)改革既可以推動理論教學(xué)與實踐教學(xué)的有機結(jié)合，提高學(xué)生的課程學(xué)習(xí)主觀能動性，又可以讓學(xué)生接觸到國際前沿技術(shù)、熱點及知識，拓寬學(xué)生的科技視野，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)造能力。因此，高校和教師應(yīng)深刻認識到3D打印技術(shù)融入的重要性，推動3D打印技術(shù)的有效融入及運用，引導(dǎo)多學(xué)科知識的交叉融合，綜合提高課程教學(xué)質(zhì)量，為“工業(yè)4.0”發(fā)展培養(yǎng)出更多的高素質(zhì)復(fù)合型人才。

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