吳艷光，鄢國(guó)平，李 亮，張 橋，張?jiān)骑w，胡雙鋒

(武漢工程大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430073)

材料化學(xué)專業(yè)是融合傳統(tǒng)材料科學(xué)與新技術(shù)的交叉性學(xué)科，屬于現(xiàn)代化材料科學(xué)、化學(xué)和化工領(lǐng)域的重要分支，它是從化學(xué)角度探索材料的微觀結(jié)構(gòu)對(duì)其宏觀性能的影響規(guī)律，其專業(yè)教學(xué)環(huán)節(jié)正處于發(fā)展階段[1]。在我國(guó)，許多高校已開設(shè)了材料化學(xué)專業(yè)，其目的是培育出系統(tǒng)掌握材料科學(xué)理論基礎(chǔ)和相關(guān)技術(shù)，能在材料學(xué)和工程學(xué)等領(lǐng)域從事科研、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、教學(xué)和相關(guān)管理工作的高級(jí)應(yīng)用型人才[2]。材料化學(xué)專業(yè)課程包括理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)兩大部分。其中，理論教學(xué)主要是以課堂講授的形式傳遞理論知識(shí)；而實(shí)踐教學(xué)是進(jìn)一步加深和鞏固理論知識(shí)，提高學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力、創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力以及工程應(yīng)用能力的培養(yǎng)環(huán)節(jié)[3-4]。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和現(xiàn)代工業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，培育和健全適用新時(shí)代特征的高級(jí)應(yīng)用型專門人才是高等院校面臨的緊迫任務(wù)。隨著社會(huì)科學(xué)技術(shù)的不斷向前發(fā)展，涌現(xiàn)出了一些如3D打印(增材制造)等這樣的新型技術(shù)。如何將這些新技術(shù)較好的融入至高校的專業(yè)課程教學(xué)過程中，起到協(xié)同發(fā)展作用，具有重要的社會(huì)價(jià)值和意義。

1 3D打印技術(shù)及材料化學(xué)專業(yè)現(xiàn)有課程體系的特點(diǎn)

1.1 3D打印技術(shù)

3D打印技術(shù)是近三十來年發(fā)展起來的一種新型數(shù)字化加工技術(shù)，它是以數(shù)字模型為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬、塑料絲材或液態(tài)材料等，通過逐層打印的方式來構(gòu)造形狀各異物件的技術(shù)，其具備有不同于傳統(tǒng)加工技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)[5]。3D技術(shù)以智能化、數(shù)字化以及新材料的應(yīng)用為特征，對(duì)工業(yè)設(shè)計(jì)、先進(jìn)制造、信息化工程以及文化創(chuàng)意等多個(gè)領(lǐng)域產(chǎn)生了重要的影響[6]。隨著3D技術(shù)的不斷發(fā)展，已形成了熔融堆積法(FDM)、選擇性激光燒結(jié)法(SLS)、選擇性激光熔化法(SLM)、立體光固化法(SLA)和分層實(shí)體制造法(LOM)等多個(gè)加工方式，可適用于不同的打印材料和制造工藝。

1.2 材料化學(xué)專業(yè)現(xiàn)有課程體系特點(diǎn)

材料化學(xué)是由材料學(xué)與化學(xué)兩門學(xué)科交叉的一門新型學(xué)科，主要是研究材料的微觀層面如組成、結(jié)構(gòu)等對(duì)其宏觀性能及應(yīng)用的影響規(guī)律的科學(xué)。材料化學(xué)專業(yè)現(xiàn)有課程主要有理論課程和實(shí)踐課程。在現(xiàn)有課程基礎(chǔ)上，如果較好的培養(yǎng)出高專業(yè)素養(yǎng)應(yīng)用型人才是很多教育工作者一直在思考的問題。作為材料化學(xué)專業(yè)一名課程教學(xué)的直接參與者，作者根據(jù)自身多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)及對(duì)武漢工程大學(xué)相關(guān)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，材料化學(xué)專業(yè)現(xiàn)有課程教學(xué)體系主要存在有以下不足：首先，教材內(nèi)容有待改進(jìn)，課程結(jié)構(gòu)單一化。材料化學(xué)專業(yè)課程是培養(yǎng)高專業(yè)素養(yǎng)應(yīng)用型人才的重要載體，具有非常重要的地位。但武漢工程大學(xué)材料化學(xué)專業(yè)現(xiàn)有教材的內(nèi)容比較偏重研究型或者說綜合型的工科大學(xué)生，其內(nèi)容結(jié)構(gòu)設(shè)置，知識(shí)點(diǎn)的分布等與工程應(yīng)用的銜接性有待進(jìn)一步加強(qiáng)。另外，目前的課程結(jié)構(gòu)主要是理論講授加簡(jiǎn)單的專業(yè)實(shí)驗(yàn)，前者為主，后者為輔，較為單一，在滿足培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐應(yīng)用能力方面存在欠缺。其次，教學(xué)方式較陳舊。教學(xué)方式基本還是傳統(tǒng)的幻燈片(PPT)加黑板的“填鴨”模式，在如今總學(xué)時(shí)日益減少的情況，單位學(xué)時(shí)專業(yè)課程信息量增加是必然趨勢(shì)，依然采取上述教學(xué)模式很難讓學(xué)生較好的投入到教學(xué)活動(dòng)中來，而只是被動(dòng)的接受，導(dǎo)致教學(xué)效果大打折扣。再次，實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)課程內(nèi)容缺乏新穎性以及與現(xiàn)代新型工程技術(shù)結(jié)合不夠緊密。另外，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣難以調(diào)動(dòng)等。作為專業(yè)課教師，我們認(rèn)識(shí)到了現(xiàn)有的材料化學(xué)專業(yè)教學(xué)模式對(duì)提高學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)，讓學(xué)生自主去學(xué)習(xí)與創(chuàng)新，提高學(xué)生的設(shè)計(jì)與創(chuàng)造能力等具有一定的困難。為此，我們需要探索一些新型的課程教學(xué)方法，對(duì)材料化學(xué)專業(yè)課程教學(xué)體系進(jìn)行創(chuàng)新性改革，從而提高教學(xué)效果和人才培養(yǎng)質(zhì)量。

2 3D打印技術(shù)在材料化學(xué)專業(yè)課程中的應(yīng)用分析

3D打印技術(shù)是以數(shù)字化模型為基礎(chǔ)，以塑料或金屬粉末等可粘合性材料為打印原料，具有制造效率高、設(shè)計(jì)自由化以及節(jié)省原材料等優(yōu)點(diǎn)，被稱作是一種革命性的制造技術(shù)[7]。隨著3D技術(shù)的不斷發(fā)展成熟，將其與材料化學(xué)現(xiàn)有的專業(yè)課程有效的融合在一起，將會(huì)在一定程度上改善教學(xué)效果，提高學(xué)生的動(dòng)手能力、實(shí)踐能力、創(chuàng)新意識(shí)以及專業(yè)素養(yǎng)。武漢工程大學(xué)材料化學(xué)專業(yè)在將3D技術(shù)與課程教學(xué)的融合過程中，做了許多有意義的工作，且逐漸摸索出了一些較好的方法。

2.1 與“生物材料學(xué)”課程的結(jié)合

“生物材料學(xué)”課程是材料化學(xué)專業(yè)的主干課程之一，其目的是使讀者熟悉生物材料在醫(yī)學(xué)中的運(yùn)用及其合理性，該課程系統(tǒng)介紹了體內(nèi)組織與器官替代用生物材料及器械的基本結(jié)構(gòu)、物理機(jī)械性能、生物相容性以及毒性作用等[8]。在該課程學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生會(huì)面臨許多復(fù)雜的人體器官或組織結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的教學(xué)主要是以圖片或視頻的方式呈現(xiàn)在學(xué)生眼前。且在非醫(yī)學(xué)專業(yè)，相關(guān)的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)非常缺乏，從而會(huì)嚴(yán)重影響學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、降低教學(xué)效果。因此，需要開拓新型的教學(xué)手段來提高教學(xué)效果，如將3D打印技術(shù)應(yīng)用到該課程中，能起到事半功倍的積極效果。3D打印技術(shù)在“生物材料學(xué)”課程教學(xué)過程中，能給學(xué)生提供人體組織復(fù)雜結(jié)構(gòu)的現(xiàn)實(shí)印象，能有益于學(xué)習(xí)人體組織結(jié)構(gòu)、醫(yī)療植入物和術(shù)前規(guī)劃等[9]。例如，在講授細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能的時(shí)候，可以先將一個(gè)細(xì)胞的典型結(jié)構(gòu)打印出來，以一種立體的實(shí)物形式呈現(xiàn)在學(xué)生眼前，可讓學(xué)生對(duì)細(xì)胞膜、染色體、線粒體等組織結(jié)構(gòu)具有深刻的了解，可有效的激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和改善學(xué)習(xí)效果。

2.2 與“材料科學(xué)基礎(chǔ)”課程的結(jié)合

該課程是我校材料化學(xué)專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課，其融合高分子材料、無(wú)機(jī)非金屬材料等共性科學(xué)原理和方法，闡述材料結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、性能之間相互關(guān)系，解決材料的設(shè)計(jì)、制備和加工等相關(guān)工程問題。其目的是將學(xué)生培養(yǎng)成能夠理解并調(diào)控材料開發(fā)-服役-消亡的整個(gè)材料循環(huán)過程的綜合型人才。而傳統(tǒng)的教學(xué)模式主要是填鴨式的課堂理論教學(xué)，有些甚至相關(guān)的專業(yè)實(shí)驗(yàn)也不是很完善。且該課程涉及的專業(yè)內(nèi)容較多，難度較大，對(duì)很多同學(xué)來說，學(xué)好該課程不容易。例如在晶體結(jié)構(gòu)一章，單晶結(jié)構(gòu)、空間點(diǎn)陣等知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)需要學(xué)生有較強(qiáng)的空間想象能力，否則學(xué)習(xí)效果會(huì)大打折扣。于是，我們?nèi)裟芙Y(jié)合3D打印技術(shù)，將晶體模型完整的打印出來，這不僅能加深學(xué)生對(duì)晶體結(jié)構(gòu)的深刻理解，還能大大的提高學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力，取得較好的教學(xué)效果。

2.3 與材料化學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐課程的結(jié)合

實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)是高校培養(yǎng)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的應(yīng)用能力、加強(qiáng)崗位技能，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)的重要教學(xué)環(huán)節(jié)[10]。主要包括有專業(yè)實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)、專業(yè)實(shí)習(xí)，生產(chǎn)實(shí)習(xí)以及畢業(yè)實(shí)習(xí)等幾種形式。為了提高實(shí)驗(yàn)實(shí)踐課程的教學(xué)效果，將3D技術(shù)融入其中具有非常重要的價(jià)值。同時(shí)，武漢工程大學(xué)材料化學(xué)專業(yè)在實(shí)踐教學(xué)過程中也做出了很多有意義的工作。首先，在專業(yè)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)過程中，有很多環(huán)節(jié)融入了3D打印技術(shù)。如本專業(yè)已購(gòu)買了部分3D打印設(shè)備(如圖1)，為理論及實(shí)驗(yàn)教學(xué)用實(shí)物模型的打印提供了硬件基礎(chǔ)。

圖1 本專業(yè)已購(gòu)買的部分3D打印設(shè)備

另外，在專業(yè)實(shí)驗(yàn)及課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中增設(shè)了部分3D打印內(nèi)容，讓學(xué)生親自動(dòng)手完成打印操作過程，提高了其動(dòng)手能力和學(xué)習(xí)興趣。其次，為了更全面、直觀的了解和掌握3D打印技術(shù)的工藝過程及提高學(xué)生的實(shí)踐操作能力，本專業(yè)開設(shè)了3D打印實(shí)習(xí)教學(xué)，即與校外3D打印企業(yè)(如湖北嘉一三維高科股份有限公司)簽訂了產(chǎn)學(xué)研實(shí)踐教學(xué)合作協(xié)議。實(shí)習(xí)期間，企業(yè)會(huì)安排工程師為學(xué)生介紹相關(guān)技術(shù)知識(shí)，現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)學(xué)生上機(jī)操作，教受學(xué)生組裝打印設(shè)備、計(jì)算機(jī)建模、切片、選材、打印以及產(chǎn)品后處理等全面具體的工藝，這大大提高了學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力、設(shè)計(jì)能力以及創(chuàng)新思維。圖2與圖3分別為本專業(yè)學(xué)生在實(shí)習(xí)過程中組裝打印設(shè)備和打印制得的產(chǎn)品模型。

圖2 本專業(yè)學(xué)生正在組裝3D打印設(shè)備圖3 打印制造的產(chǎn)品模型(人體關(guān)節(jié))

在材料化學(xué)專業(yè)現(xiàn)有的課程體系中，主要還是以減材制造的思維模式為基礎(chǔ)，缺乏產(chǎn)品制造的靈活性、創(chuàng)新性和可設(shè)計(jì)性。隨著3D打印技術(shù)的不斷成熟和完善，將其融入傳統(tǒng)的課程教學(xué)模式中，培養(yǎng)3D打印技術(shù)思維的設(shè)計(jì)人才是教育發(fā)展的必然。通過相關(guān)課程的補(bǔ)充，可使學(xué)生將這種自由、快速、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)的制造技術(shù)與產(chǎn)品的功能、結(jié)構(gòu)及外觀較好的結(jié)合起來，提高學(xué)生的創(chuàng)新思維、想象能力和專業(yè)素養(yǎng)。

3 結(jié)論

3D打印技術(shù)發(fā)展至今，已顯現(xiàn)出了許多優(yōu)于傳統(tǒng)減材制造技術(shù)的特點(diǎn)，但將其與高校的專業(yè)課程教學(xué)及人才培養(yǎng)模式緊密有效的結(jié)合起來還面臨著諸多困難，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力還需要做進(jìn)一步的研究工作。武漢工程大學(xué)材料化學(xué)專業(yè)在完成本項(xiàng)目過程中，只是做了初步的實(shí)踐探索。隨著教育事業(yè)的不斷發(fā)展，將3D打印技術(shù)全面的融入教學(xué)體系中是大勢(shì)所趨，也必定會(huì)對(duì)高校的專業(yè)人才培養(yǎng)產(chǎn)生積極有益的作用。