侯娟 李翔

摘  要：增材制造作为一门新出现的先进制造技术近年来发展迅速，应用前景广阔，对我国发展高端制造业具有重要作用。增材制造技术进入高校课堂的时间不长，2021年增材制造工程专业课程首次进入我国普通高等学校本科专业目录新增专业名单，因此当前大部分高校处于开展增材制造专业课程的初期阶段，在教学内容和教学方式上存在较大差异，面临着经验不足、教学效果差等问题。目前开设增材制造课程教学的专业主要集中在工科专业，该文探讨在材料学科中开展增材制造专业课程的教学方法，从增材制造课程的理论教学、课程实践、科研项目三方面进行教学内容和教学方法的论述。并阐述如何将增材制造课程内容与传统材料学科知识相结合，培养适应快速技术发展的专业人才。该文的最后对增材制造专业课程中如何融入思政教学也提出思考与展望。

关键词：高校教学；增材制造；教学改革；课程思政；新工科

中图分类号：G642        文献标志码：A          文章編号：2096-000X（2024）15-0124-04

Abstract： Additive manufacturing， as a newly emerging advanced manufacturing technology， has developed rapidly in recent years and has broad application prospects， playing an important role in the development of China's high-end manufacturing industry. The introduction of additive manufacturing technology into university classrooms has not been long. In 2021， the course of additive manufacturing engineering was only added to the list of undergraduate majors in ordinary higher education institutions in China. Therefore， most universities are currently in the early stage of developing additive manufacturing courses， and there are significant differences in teaching content and methods， facing problems such as a lack of reference experience. At present， the majors that offer courses on additive manufacturing mainly focus on the mechanical and materials disciplines in engineering. This paper explores the teaching methods of conducting additive manufacturing courses in the materials discipline， and discusses the teaching content and methods from three aspects： theoretical teaching， course practice， and scientific research projects of additive manufacturing courses. It also elaborates on how to combine the content of additive manufacturing courses with traditional materials knowledge， cultivate professional talents who can adapt to rapid technological development. At the end of the paper， thoughts and prospects are also put forward on how to integrate ideological and political education into the courses of additive manufacturing.

Keywords： university teaching; additive manufacturing; teaching reform; course ideological and political education; new engineering

增材制造技术是一门融合了光学、机械、计算机及材料等学科为一体的交叉技术学科，以数字模型文件为基础，通过软件与数控系统将专用的金属材料、非金属材料及医用生物材料，按照挤压、烧结、熔融、光固化和喷射等方式逐层堆积，制造出实体物品的制造技术[1]。是一种“具有工业革命意义的制造技术”，对先进制造业、工业设计业、生产服务业、文化创意业、电子商务业及制造业信息化工程等均有重要影响。2021年我国普通高等学校本科专业目录的新增专业名单中首次列入了增材制造工程[2]。

增材制造的专业核心课程包括三维设计、逆向设计技术、专用材料、工艺开发、专用设备及应用、后处理与检测和结构优化与工艺仿真等，在当前涉及增材制造课程教学的学科中，以计算机科学、材料学科、机械设计为主，尤其是材料学科知识，贯穿了增材制造的全流程，决定了制造成本、效率、质量及技术的推广应用，是与增材制造技术最息息相关的一门学科。

以下将从三个方面论述如何更好地在材料学科开展增材制造课程教学，实现教学效果的提升。

一  结合材料学科专业制定和调整教学内容

增材制造技术从流程上可以简单分为前端原材料、中端工艺开发、后端处理三个主要部分，在设计理论教学内容时应充分考虑到三个流程中涉及到的材料学科问题，从而有针对性地制定和开设相关课程。

（一）  增材制造原材料与材料基础学科的结合

与前端原材料相关的课程内容包括材料的设计和开发，粉末原材料的制备和性能检测等，这部分可开设增材制造技术、粉体技术等课程，可参考的已有课程包括材料科学基础、粉体成型、材料设计原理等。在课程的讲授过程中，可以结合增材制造的分类和工艺特点，重点围绕金属粉末增材制造技术，将原材料粉末的制造方法、粉体的物性指标、影响增材制造成形质量的关键因素等进行分章节讲授，并与材料科学基础课程中的晶体结构、合金成分设计、相图等内容相结合。如此一来，不仅加深了对材料学科专业知识的理解和掌握，還可以在增材制造这项技术中将所学理论知识加以应用，更加有利于对增材制造技术的深入认识和理解，实现理论知识与实践应用相结合。

（二）  工艺开发与材料专业学科的联系

增材制造过程是将原材料快速熔化后凝固成形的过程，尤其对于金属增材制造技术，涉及到复杂的凝固过程。影响增材制造成形质量的主要工艺参数包括激光功率、扫描速度、搭接率等，工艺参数开发主要是通过改变工艺参数控制熔化-凝固过程，从而实现对打印成形缺陷的控制。在这部分的教学中，可与材料的凝固和扩散教学内容紧密结合，从理论深度上让学生了解为何要开展工艺参数优化，以及如何开展工艺参数优化，认识到工艺参数优化不是简单的实验试错过程。

（三）  后处理中的材料相关知识教学探讨

增材制造后处理主要是针对成形后的零部件进行表面处理和热处理，其中热处理涉及复杂的专用工艺开发，需结合性能要求开展研究。这部分的教学内容，与材料学科的热处理知识密切相关。热处理是通过对金属构件进行一定温度下的保温，并配合特定的冷却方式，改变材料内部的组织结构，从而实现对材料性能的调控。

二  积极开展增材制造实践教学

增材制造技术是一门基于材料、机械、计算机等学科的交叉学科技术，同时又具有很强的应用性，目前已经在航空航天、能源、汽车和医疗等领域广泛应用，大量的成功应用为增材制造课程教学提供了丰富的应用场景和案例。因此，在增材制造课程的设计中，必须考虑到实践教学的内容，随着增材制造技术的不断发展和成熟，实践教学的比重也将越来越高。

（一）  增材制造实践教学方法

实践课程可以与增材制造技术理论教学同步或略晚开始，基于对理论知识的学习和掌握，选择一类典型的可操作性强的增材制造技术，对学生进行建模、切片、打印及后处理的全流程教学。FDM（熔融沉积成形）是一种采用热熔喷头对材料进行半融化后逐层沉积、凝固后成形的技术，原材料主要为高分子丝材。FDM增材制造设备成本低、操作简单，模型处理软件简单易学，对实验室环境要求低，可以成为普通高等学校增材制造实践教学的常规教学设备。

（二）  增材制造实践基地建设

鉴于增材制造课程开设时间较短，以及受限于学校教育资源和条件，目前增材制造课程的开展主要以课堂讲述为主。通常选择一本教材，对增材制造的几种常见类型进行介绍，大多数仍处于照本宣科的阶段。少部分学校虽然建立了增材制造教学平台，但设备主要以FDM等简单设备为主，即使有条件购入价格较昂贵的专业设备，也通常由于缺乏专业的技术人员，或者缺少运行经费和项目支持，导致设备开机率低，无法达到很好的实践教学效果。通常一门课程结束后，学生只记得几个与增材制造有关的专业名词。这种教学和培养模式不仅不利于学生专业技能的培养，还会大大挫伤学生的积极性。当前解决这一难题的最有效快捷方式，就是通过高校与增材制造企业联合，建立专业的增材制造实践基地。校企联合共建的实践基地将成为增材制造实践教学的未来主流方向。当前我国增材制造技术获得快速发展，增材制造相关企业呈井喷式发展。为高校提供了很多的合作机会。校企联合实践基地的建立可以以高校或企业为主，前者可通过高校设立实践基地项目，相关授课老师联系企业共同申请项目。后者以企业为主，企业可通过需求征集、设立项目等形式，通过与高校建立共建基地后，为企业培育和选拔人才提供支持。

材料专业的校企共建基地可以是增材制造原材料粉末生产厂家、增材制造设备厂家或服务商，以及后处理企业。学生在校内完成增材制造理论和实践课程学习后，可进入实践基地继续学习，实践基地设立企业导师。学生可通过现场观摩、集中培训，对企业的增材制造生产设备、流程有初步的认识。随后，可通过择优录取和双向选择，推荐部分学生深度参与到企业的生产实践中。通过在实践基地的学习，专业老师可以结合实践基地情况对教学内容做出调整。

对于材料专业的学生，在增材制造实践基地学习过程中，可以选择企业急需解决的材料相关问题，例如打印过程中的材料挥发导致的性能不合格。增材制造过程中高能量激光会导致微量元素的挥发，最终成品零部件成分与原始设计成分之间存在差异，导致性能不合格。这类问题为材料专业的增材制造教学提供了非常难得的实践教学案例。

（三）  实践学习基地建设

除了在实践基地开展实践学习外，在校内还可以积极探索新的实践教学模式，例如让本科学生参与到增材制造研发项目中。高校教师往往会承担一系列科研项目，这类项目作为能接触专业前沿的难得机会，一直颇受学生们的欢迎。因此高校教师基于自身负责的课题项目可以开设一系列专业课程，给学生提供一系列非常难得的深度学习机会，能够深入科研一线去接触行业前沿的情况。笔者连续开设了两门增材制造科研项目相关的专业课程，均取得了良好的教学效果。

当前增材制造技术处于先进成形制造领域的前沿，各类新增材技术及其成形材料后处理等领域的进展较快，新的技术、材料、工艺不断涌现。因此在参与科研项目活动的过程中，学生能够进一步丰富知识积累的同时，还可以通过实际体验深入了解增材制造技术和其他先进材料技术对国家产业发展及转型的重要性，理解科技创新的意义。同时，在科研实践教学的过程中，高校教师也会在一定程度上充当学习者，于实践教学中不断更新教学内容，跟踪最新的技术发展趋势，实现师生之间共同学习进步。

三  在增材制造教学中融入课程思政内容

作为一门新兴专业，目前虽然各院校多有开展增材制造相关课程，但学生对该技术的了解多停留在理论认识阶段，对学习该门课程的重要意义一知半解。引入并深化课程思政内容的建设恰好是解决这一问题的关键[3-4]，笔者及其团队在日常讲授教学中，通过探讨开展增材制造思政建设进行了一系列教学实践，研究结合专业课程的内容和特色如何巧妙融入思政内容。

（一）  增材制造思政教学目标

增材制造作为一种综合性、交叉性的前沿制造技术，对促进我国高端制造业的创新和发展有重要作用，材料专业增材制造课程思政教学的目标可以从以下几个方面实施。

培养爱国情怀和民族自豪感。通过课程思政的方式讲授增材制造成型技术的起源和发展情况，重点提及其对我国产业发展和科技创新所起的作用，让学生正确认识到我国在增材制造技术领域的优势和不足，激发学生的爱国情怀和民族自豪感，引导学生将个人理想融入国家和民族的事业中。

强化职业道德和职业素养。让学生充分了解增材制造技术在推动高端制造业发展中的应用，及其在解决实际问题中所具备的潜力，引导学生树立正确的职业道德观，提高学生的人文社会科学素养和社会责任感。

培养团队协作精神和能力。通过多种形式贯彻思政内容，让学生在学习过程中深入理解相互沟通、协作的重要性，从而逐渐具备能在多学科背景下的团队中发挥积极作用，承担个体、团队成员及负责人的能力。

提高创新意识和创新能力。当前增材制造及其相关技术的发展日新月异，高校、教师及学生都有必要紧跟时代最新的研究成果和应用前景。通过课程思政共同引导学生增强主动思考、发现问题并创新解决问题的能力，提高学生的创新意识和创新能力。

增强社会责任感。增材制造技术在环保、能源等领域的应用潜力巨大，引导学生充分认识到增材制造技术的发展对我国国民生存环境和社会发展的显著益处，有助于学生社会责任感的培养。

（二）  增材制造思政教学方案探讨

1  注重课程思政建设，培养有情怀的学生

增材制造技术作为新兴技术，目前已经实现了在航空航天、汽车、医疗等重要领域的应用，国内外尤其不乏很多优秀的设计和应用案例。如果能够充分考虑目前我国及世界范围内增材制造技术及材料科学相关的研究与技术热点，将课程内容与传统制造成形技术课程区别开来，充分将各种增材制造技术的先进性和实用性体现出来，将极大程度地激发学生学习兴趣并扩宽知识面[5-6]。

在专业内容的讲解中穿插思政内容，能够在讲授理论知识期间有效吸引学生的注意力、提高学习积极性，以“润物细无声”的方式培养学生的专业热情、爱国情怀、民族自豪感等积极理念，将学生由以往被动式接受知识的传统教学模式，改变为主动学习知识的新形式[7-8]。具体而言，在课程中引入新知识点之前，选择不同案例進行重点分析，比如简要介绍针对航空、航天等国防军工重点领域的重要零部件的增材制造技术，然后对当前国内外技术的差距及“卡脖子”的地方进行解析，激发学生主动学习的内在驱动力和使命感，培养当代大学生的科学家精神和家国情怀。通过设置这些问题，引导学生去主动思考增材制造乃至材料学这门学科的意义和重要性，在思政内容的结合中引导学生严肃对待科学事业的重要理念，提高在接下来的专业知识讲解中的学习效率的同时，深化学生们对增材制造专业知识的理解和认识。

实践表明，融入了思政内容后课堂的活跃度显著提高，学生们会更积极地参与课程问答与讨论。

2  鼓励尝试科研与竞赛，激发学习兴趣

增材制造技术是一门实践性很强的课程，需要通过大量的实践参观和操作来学习相关知识和技能。然而很多高校往往由于设备有限、场地不足等原因，难以满足学生的实践教学需求。在对学生进行专业授课的同时，根据学生的兴趣和特长适当安排学生参与到科研项目中，这是一种能够更好促进专业认知的模式，具体包括开设科研项目课程，实现小班化、特色化教学，以及组织学生参加相关知识和技能竞赛等，能够充分发挥出课程、科研、实践、组织和团队合作等方面相互结合的功能。

当前增材制造技术处于先进成形制造领域的前沿，各类新增材技术及其成形材料后处理等领域的进展较快，新的技术、材料、工艺不断涌现。因此在参与科研项目乃至学术竞赛等活动的过程中，学生能够进一步丰富知识积累的同时，还可以通过实际体验深入了解增材制造技术和其他先进材料技术对国家产业发展及转型的重要性，理解科技创新的意义，激发科研报国的斗志[9]。同时，在课程思政和科研实践教学的过程中，高校教师也会在一定程度上充当学习者，于实践教学中不断更新教学内容，跟踪最新的技术发展趋势，实现师生之间共同学习进步。

（三）  增材制造思政教学的考核与评价

在增材制造思政教学的过程中，建立合理的教学效果评价方法非常重要。对于材料专业学生的思政学习评价，要区别于传统的思想政治课程。考核的形式可以分为课堂教学效果和结课考试两种形式。课堂评估可以纳入平时成绩，主要打分依据是通过课堂回答问题或小组讨论，通过对具体案例的分析或国内外技术水平差异的讨论，评估学生在思想政治教育方面的表现。对于不全面或极端的思想，学生之间可以开展互评讨论，教师可针对性施加帮助，当堂点评、引导，或课后重点谈话，帮助学生树立正确的人生观、价值观、家国情怀。此外，在结课考试中，设置一定比重的思政考核内容。思政考核的题目不宜单独出现，主要通过简答或论述题的形式，让学生就典型案例发表除专业知识以外的讨论，或提出合理的解决方案。通过专业知识与思政内容相结合，考察学生的社会责任感和使命感。此外，评价主体除了教师和学生之外，还可以邀请行业专家等，以不同视角激发学生树立正确观念和高尚情怀。最后，思政评价的对象不仅仅是学生，还应包括授课老师。授课老师要经常总结教学经验，开展教学研讨会，及时调整课程内容，不断提高思政教学方法。

四  结束语

尽管我国制造业规模庞大，但在部分核心技术领域仍存在短板，实现自主创新的能力相对不足。这导致我国制造业在高端产品和技术方面对国外的依赖度较高，难以实现产业升级和转型，这种情况在增材制造领域同样存在[10]。如今高校教育的一项关键任务，便是培养出大量能够帮助解决阻碍我国先进产业发展难题的高技术人才。但是高水平人才的培养是一项系统工程，针对每一项新型技术的专业人才培养，都需要有科学合理的课程设置，才能达到人才培养事半功倍的效果。在增材制造专业课程的讲授过程中，我们可以更好地整合各类教学资源，优化人才培养方案，提高专业课的教学质量和水平。通过多样化的教学方式和手段，实现专业知识传授与价值引领的有机结合，为本专业培养高素质的科技人才奠定基础。

参考文献：

[1] 卢秉恒.增材制造技术——现状与未来[J].中国机械工程，2020，31（1）：19-23.

[2] 中华人民共和国教育部．教育部關于公布2020年度普通高等学校本科专业备案和审批结果的通知[EB/OL].https：//www.gov.cn/zhengce/zhengceku/2021-03/05/content_5590415.htm.

[3] 童燕波，卢东，郭海东.“三教”改革背景下增材制造技术应用专业实训课堂的创新与实践[J].中国现代教育装备，2023（14）：69-71.

[4] 杜婷婷.高校思想政治教育对大学生就业创业的引导作用[J].科教导刊（电子版），2023（4）：150-152.

[5] 冯磊，史焕聪，赵大鹏.新工科背景下“工程伦理”课程思政教改实践探索[J].上海理工大学学报（社会科学版），2022，44（4）：409-413，418.

[6] 张尚字.课程思政和思政课程有机结合：讲思政道理的三维证成[J].河南师范大学学报（哲学社会科学版），2022，49（6）：124-130.

[7] 翟持.新工科背景下的课程思政教学改革——以化工过程分析与合成课程为例[J].化工高等教育，2022，39（6）：75-79.

[8] 黄锁明，李丽娟.新工科课程思政教学存在的问题与对策[J].教育理论与实践，2022，42（36）：39-42.

[9] 夏春明，金晓怡，张航.新工科背景下地方应用型高校“课程思政”探索与实践[J].东南大学学报（哲学社会科学版），2022，24（S2）：5-7.

[10] 刘广柱，刘敬福，李赫亮，等.工科专业课程思政探索与实践——以连接成形及增材制造设备及工艺课程为例[J].大学教育，2023（2）：15-17.