基于校企聯(lián)合的3D打印實踐基地教學(xué)模式探討

侯娟

（上海理工大學(xué) 材料與化學(xué)學(xué)院，上海 200093）

高端裝備制造是提升制造業(yè)競爭力、實現(xiàn)《中國制造2025》的核心競爭力，是提升我國綜合國力、實現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)彎道超車的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。隨著世界各國對氣候變化的認(rèn)識更加深刻，全球碳排放壓力與日俱增，對我國的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)提出了新的挑戰(zhàn)。為了順利實現(xiàn)“30·60”雙碳目標(biāo)，需要加快推進節(jié)能環(huán)保、減污降碳的高質(zhì)量產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型，對高端裝備升級和制造能力提出了進一步的要求。

3D 打印技術(shù)以其設(shè)計自由度高、 加工周期短、原材料損耗低以及適合復(fù)雜構(gòu)件直接近凈成形的獨特優(yōu)勢，近年來引起了各行業(yè)的廣泛關(guān)注，在生物醫(yī)療、航空航天、汽車制造、能源發(fā)電等高科技和高端制造領(lǐng)域得到快速發(fā)展和應(yīng)用。3D 打印是快速原型制造技術(shù)的一種，也稱為增材制造（AM），被譽為“第三次工業(yè)革命”的核心技術(shù)。3D 打印技術(shù)20世紀(jì)80年代被應(yīng)用在模型制造和原型制造領(lǐng)域[1-3]，迄今為止已經(jīng)經(jīng)歷了三十年的發(fā)展，是目前世界上廣泛應(yīng)用在制造業(yè)的先進技術(shù)之一，尤其金屬3D 打印被認(rèn)為是將來制造業(yè)的主導(dǎo)方向。

2018年全球3D 打印產(chǎn)業(yè)規(guī)模為73.4 億美金，預(yù)計到2024年有可能達到356 億美金。從2017年設(shè)備數(shù)量和分布上看，美國目前各種3D 打印設(shè)備的數(shù)量占全世界40%，而中國只有8%左右。從技術(shù)發(fā)展角度分析，我國3D 打印目前還處于初期成長階段，大量專業(yè)人才的培養(yǎng)，將決定未來我國3D 打印技術(shù)的發(fā)展速度和趨勢。

由于金屬3D 打印技術(shù)在我國仍處于初期發(fā)展階段，受設(shè)備普及程度低、操作難度大、原材料成本高等因素限制，目前高校中3D 打印相關(guān)教學(xué)工作多停留在理論教學(xué)階段，學(xué)生缺乏實踐操作經(jīng)驗，認(rèn)知僅停留于表面[4,5]。針對這種現(xiàn)狀，探討新的理論結(jié)合實踐的教學(xué)模式十分必要。本文基于國內(nèi)高校3D 打印專業(yè)課程開設(shè)和人才培養(yǎng)現(xiàn)狀，探討了如何培養(yǎng)學(xué)生實踐操作能力的教學(xué)模式。

1 我國金屬3D 打印技術(shù)發(fā)展及人才培養(yǎng)現(xiàn)狀

金屬增材制造技術(shù)發(fā)展至今，根據(jù)原材料、能量源和工作原理等已經(jīng)細(xì)分成了很多工藝領(lǐng)域，如圖1所示。其中激光束由于具有高可靠性，卓越的激光穩(wěn)定性，功率連續(xù)可調(diào)，被廣泛應(yīng)用于金屬3D 打印制備。激光金屬沉積又被分為選區(qū)激光熔化（SLM）、直接金屬激光燒結(jié)（DMLS）、激光金屬熔覆（LMF）。SLM 由于原材料適用范圍廣、成形零件精度高、復(fù)雜零件制造工藝簡單、周期短、材料利用率高、成形零件的力學(xué)性能良好等優(yōu)點，獲得了廣泛的關(guān)注和發(fā)展。

圖1 增材制造方法的分類

從圖2中金屬3D 打印產(chǎn)業(yè)生命周期來看，金屬3D 打印在我國及國外還處于技術(shù)導(dǎo)入期，尚未進入生長期和成熟期，發(fā)展前景十分廣闊，因此有必要在對該技術(shù)進行廣泛推廣和深入布局。截至2021年，由于航空航天、軍工、模具、醫(yī)療（齒科骨科）等行業(yè)的崛起，我國對金屬3D 打印的需求逐漸爆發(fā)，擁有近百臺金屬打印設(shè)備的廠家將達8 家甚至更多。各高等院校和大型企業(yè)紛紛布局建設(shè)3D 打印平臺。

圖2 金屬3D 打印產(chǎn)業(yè)生命周期

3D 打印技術(shù)人才主要從事相關(guān)的研究和開發(fā)工作，屬于專業(yè)技術(shù)人才范疇，需要具備一定的專業(yè)基礎(chǔ)并經(jīng)過專門培訓(xùn)，主要側(cè)重于機械設(shè)計、機械控制、軟件算法以及材料等專業(yè)。目前我國3D 打印專業(yè)技能人才的短缺狀況依然十分嚴(yán)重，一份2017年的報告提到，3D 打印行業(yè)的專業(yè)人才缺口超過千萬。其中制造行業(yè)對3D 打印應(yīng)用人才需求最大，缺口約為800 萬。2021年《教育部關(guān)于公布2020年度普通高等學(xué)校本科專業(yè)備案和審批結(jié)果的通知》中，正式將“增材制造工程”列入專業(yè)列表[6]。增材制造工程專業(yè)的正式推出，有望可以滿足快速發(fā)展的3D 打印行業(yè)對于專業(yè)技能人才的需求。

2 高校3D 打印教學(xué)現(xiàn)狀

目前，越來越多的高等院校和中職院校開設(shè)3D 打印相關(guān)專業(yè)課程，但目前的課程開設(shè)多停留在科普或簡單理論知識介紹方面，并未形成系統(tǒng)的學(xué)科建設(shè)，在人才培養(yǎng)方面還存在如下困境。

2.1 硬件條件不足

由于金屬3D 打印設(shè)備價格昂貴，導(dǎo)致很多學(xué)校無力采購專門用于教學(xué)的金屬3D 打印設(shè)備。多數(shù)學(xué)校的3D 打印課程僅限于理論課程學(xué)習(xí)，或購買較便宜的塑料3D 打印設(shè)備，用于教學(xué)展示。學(xué)生很少有機會實際了解和接觸金屬3D 打印技術(shù)。

2.2 前期布局不充分

由于我國3D 打印技術(shù)仍處于起步階段，3D 打印技術(shù)屬新興技術(shù)，很多學(xué)校尚未布局相關(guān)學(xué)科，尚未建設(shè)系統(tǒng)的培養(yǎng)計劃，導(dǎo)致相關(guān)專業(yè)的學(xué)習(xí)停留在皮毛階段。

2.3 師資力量薄弱

有些高校并未投入3D 打印相關(guān)設(shè)備和研究條件，也缺乏從事相關(guān)專業(yè)的專職教師。甚至部分高校3D 打印課程的授課教師本身并不了解該技術(shù)，僅僅是選擇了一門相關(guān)教材，對學(xué)生進行理論知識灌注，完成教學(xué)任務(wù)。導(dǎo)致學(xué)生無法深入理解相關(guān)理論及技術(shù)要點，學(xué)習(xí)停留在紙上談兵的階段。

2.4 實踐操作不足

金屬3D 打印過程是一個系統(tǒng)性的復(fù)雜流程，包括前期原材料處理、打印設(shè)計、打印過程以及后處理等。這些過程不僅涉及的學(xué)科知識點多，而且靈活性強，針對不同的打印件，可以傳授給學(xué)生的知識點也有所不同。因此，缺乏實際上機操作或現(xiàn)場觀摩的話，無法達到良好教學(xué)效果。

綜上所述，當(dāng)前高等院校中3D 打印課程的教學(xué)主要存在理論體系不完善和缺乏實踐的問題，課程的開設(shè)無法對學(xué)生的未來就業(yè)形成實際的指導(dǎo)作用，學(xué)生缺乏實踐認(rèn)知和操作的機會，僅僅停留在枯燥乏味的書本講讀階段，因此，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性不高。課程內(nèi)容很容易脫離生產(chǎn)實際，部分學(xué)生直至課程學(xué)完，都沒有機會目睹3D 打印過程。

3 校企聯(lián)合實踐基地教學(xué)改革方案

千里之行，始于足下，針對目前國內(nèi)3D 打印專業(yè)人才學(xué)科教育和培養(yǎng)模式中存在的問題，有必要從現(xiàn)實狀況入手對現(xiàn)有教學(xué)模式提出改革方案。近年來，隨著我國3D 打印技術(shù)被越來越多的行業(yè)關(guān)注和接受，涌現(xiàn)出大批相關(guān)企業(yè)，金屬3D 打印設(shè)備的裝機量也呈現(xiàn)激增趨勢。值得一提的是，雖然擁有了較多的設(shè)備安裝量，但多數(shù)企業(yè)仍受限于專業(yè)技術(shù)人才的短缺，甚至有些大型復(fù)雜設(shè)備由于缺少專業(yè)技術(shù)人員，常年處于開機少或停機狀態(tài)。由此可見，困擾我國3D 打印行業(yè)發(fā)展的現(xiàn)狀之一就是高等院校缺少設(shè)備平臺、 無法開展系統(tǒng)化的人才培養(yǎng)，而相關(guān)企業(yè)則缺少專業(yè)技術(shù)人才，限制了研發(fā)和生產(chǎn)水平的提高。

因此，有必要開發(fā)和推廣校企聯(lián)合建立實踐教學(xué)基地的新型教學(xué)模式，促進3D 打印專業(yè)學(xué)科教育的規(guī)?；腕w系化，解決我國3D 打印技能人才嚴(yán)重短缺的現(xiàn)狀，以應(yīng)對即將到來的行業(yè)生長期和成熟期對人才井噴式的需求增加。建立校企聯(lián)合實踐教學(xué)基地的具體實施內(nèi)容如下。

3.1 校內(nèi)課程體系改革調(diào)整

由于目前多數(shù)學(xué)校開設(shè)的3D 打印相關(guān)課程授課內(nèi)容單一，并且課程設(shè)計過程中嚴(yán)重脫離實際，缺乏針對3D 打印生產(chǎn)流程的理論知識學(xué)習(xí)。因此，首先需要對校內(nèi)理論學(xué)習(xí)課程內(nèi)容進行調(diào)整。針對金屬3D 打印的原材料處理、模型設(shè)計、打印過程以及后處理等，開設(shè)系統(tǒng)學(xué)習(xí)課程。授課過程中，可穿插視頻教學(xué)內(nèi)容，讓學(xué)生進一步了解3D 打印過程。通過系統(tǒng)的理論學(xué)習(xí)之后，學(xué)生可對3D 打印理論知識形成系統(tǒng)的認(rèn)知。

3.2 企業(yè)導(dǎo)師參與校內(nèi)教學(xué)

建立企業(yè)導(dǎo)師制，由企業(yè)選拔優(yōu)秀現(xiàn)場技術(shù)人員擔(dān)任企業(yè)導(dǎo)師。在學(xué)生進行校內(nèi)理論學(xué)習(xí)階段，考慮到目前高等院校內(nèi)多數(shù)專業(yè)教師并不具備現(xiàn)場生產(chǎn)經(jīng)驗，對部分知識難以講透，無法形成深入淺出的良好教學(xué)效果，與現(xiàn)場密切相關(guān)的部分學(xué)習(xí)內(nèi)容，邀請企業(yè)導(dǎo)師到校內(nèi)進行課堂教學(xué)。企業(yè)導(dǎo)師可側(cè)重將與現(xiàn)場生產(chǎn)和安全管理相關(guān)的知識普及給學(xué)生，也可以具體零部件的3D 打印流程為例進行講解，提高課程內(nèi)容的生動性和多樣性。

3.3 學(xué)生進入實踐基地現(xiàn)場學(xué)習(xí)

現(xiàn)場學(xué)習(xí)內(nèi)容由校內(nèi)專職教師和企業(yè)導(dǎo)師共同探討后制定課程體系，企業(yè)為學(xué)生配備企業(yè)指導(dǎo)教師，隨后學(xué)生進入實踐基地學(xué)習(xí)。學(xué)習(xí)期間，學(xué)生服從企業(yè)管理制度，根據(jù)企業(yè)生產(chǎn)內(nèi)容和特色，對學(xué)習(xí)內(nèi)容進行劃分后分組輪流學(xué)習(xí)，最終在整個實踐學(xué)習(xí)活動之后，保證每位學(xué)生都參與了實踐學(xué)習(xí)活動，得到了實際操作相關(guān)的培訓(xùn)。

3.4 學(xué)習(xí)效果考評與考核模式

校企聯(lián)合實踐基地教學(xué)模式的課程設(shè)置主要圍繞理論學(xué)習(xí)與實踐學(xué)習(xí)兩部分。理論課程主要包括3D 打印基礎(chǔ)課程，培養(yǎng)學(xué)生對3D 打印的基本認(rèn)識，課程內(nèi)容包括3D 打印金屬原材料、零部件設(shè)計、數(shù)值模擬仿真、工藝優(yōu)化方法，以及金屬材料基本理論知識和試驗分析方法，學(xué)習(xí)效果主要以學(xué)?？荚嚨男问竭M行考核。實踐課程的設(shè)置將圍繞金屬3D 打印技術(shù)開展實踐課程教學(xué)。實踐教學(xué)內(nèi)容包括原材料制備過程、 檢測方法，數(shù)模設(shè)計和優(yōu)化過程學(xué)習(xí)，打印工藝參數(shù)優(yōu)化方法及過程控制，打印后處理工藝學(xué)習(xí)。實踐課程結(jié)束時，將有企業(yè)工程師和導(dǎo)師聯(lián)合對學(xué)生的實踐成績進行考評，從學(xué)習(xí)能力、動手能力、團隊協(xié)助、安全意識等方面進行綜合評估。

4 結(jié)語

校企聯(lián)合3D 打印實踐基地新型教學(xué)模式的建立，預(yù)期將會對學(xué)生的培養(yǎng)質(zhì)量起到積極的正向作用，激發(fā)學(xué)生對本專業(yè)的學(xué)習(xí)興趣，深入掌握專業(yè)相關(guān)技能和知識。學(xué)生在校內(nèi)系統(tǒng)理論學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，結(jié)合實踐基地的實際操作培訓(xùn)，將達到理論結(jié)合實踐的良好教學(xué)效果，為學(xué)生進入未來職業(yè)階段奠定基礎(chǔ)。因此，校企聯(lián)合實踐基地教學(xué)模式，不僅能夠進一步提高3D 打印學(xué)科的教學(xué)質(zhì)量，更有利于為3D 打印行業(yè)培養(yǎng)出一大批經(jīng)過嚴(yán)格專業(yè)培養(yǎng)并且理論結(jié)合實踐的專業(yè)型技能人才。