3D打印在材料化学专业课程教学中的应用探讨

吴艳光，鄢国平，李 亮，张 桥，张云飞，胡双锋

(武汉工程大学 材料科学与工程学院，湖北 武汉 430073)

材料化学专业是融合传统材料科学与新技术的交叉性学科，属于现代化材料科学、化学和化工领域的重要分支，它是从化学角度探索材料的微观结构对其宏观性能的影响规律，其专业教学环节正处于发展阶段[1]。在我国，许多高校已开设了材料化学专业，其目的是培育出系统掌握材料科学理论基础和相关技术，能在材料学和工程学等领域从事科研、产品设计、教学和相关管理工作的高级应用型人才[2]。材料化学专业课程包括理论教学和实践教学两大部分。其中，理论教学主要是以课堂讲授的形式传递理论知识；而实践教学是进一步加深和巩固理论知识，提高学生的实践动手能力、创新设计能力以及工程应用能力的培养环节[3-4]。随着社会经济和现代工业的转型升级，培育和健全适用新时代特征的高级应用型专门人才是高等院校面临的紧迫任务。随着社会科学技术的不断向前发展，涌现出了一些如3D打印(增材制造)等这样的新型技术。如何将这些新技术较好的融入至高校的专业课程教学过程中，起到协同发展作用，具有重要的社会价值和意义。

1 3D打印技术及材料化学专业现有课程体系的特点

1.1 3D打印技术

3D打印技术是近三十来年发展起来的一种新型数字化加工技术，它是以数字模型为基础，运用粉末状金属、塑料丝材或液态材料等，通过逐层打印的方式来构造形状各异物件的技术，其具备有不同于传统加工技术的特点和优势[5]。3D技术以智能化、数字化以及新材料的应用为特征，对工业设计、先进制造、信息化工程以及文化创意等多个领域产生了重要的影响[6]。随着3D技术的不断发展，已形成了熔融堆积法(FDM)、选择性激光烧结法(SLS)、选择性激光熔化法(SLM)、立体光固化法(SLA)和分层实体制造法(LOM)等多个加工方式，可适用于不同的打印材料和制造工艺。

1.2 材料化学专业现有课程体系特点

材料化学是由材料学与化学两门学科交叉的一门新型学科，主要是研究材料的微观层面如组成、结构等对其宏观性能及应用的影响规律的科学。材料化学专业现有课程主要有理论课程和实践课程。在现有课程基础上，如果较好的培养出高专业素养应用型人才是很多教育工作者一直在思考的问题。作为材料化学专业一名课程教学的直接参与者，作者根据自身多年的教学经验及对武汉工程大学相关调研发现，材料化学专业现有课程教学体系主要存在有以下不足：首先，教材内容有待改进，课程结构单一化。材料化学专业课程是培养高专业素养应用型人才的重要载体，具有非常重要的地位。但武汉工程大学材料化学专业现有教材的内容比较偏重研究型或者说综合型的工科大学生，其内容结构设置，知识点的分布等与工程应用的衔接性有待进一步加强。另外，目前的课程结构主要是理论讲授加简单的专业实验，前者为主，后者为辅，较为单一，在满足培养学生的工程实践应用能力方面存在欠缺。其次，教学方式较陈旧。教学方式基本还是传统的幻灯片(PPT)加黑板的“填鸭”模式，在如今总学时日益减少的情况，单位学时专业课程信息量增加是必然趋势，依然采取上述教学模式很难让学生较好的投入到教学活动中来，而只是被动的接受，导致教学效果大打折扣。再次，实验实践教学课程内容缺乏新颖性以及与现代新型工程技术结合不够紧密。另外，学生的学习兴趣难以调动等。作为专业课教师，我们认识到了现有的材料化学专业教学模式对提高学生的专业素养，让学生自主去学习与创新，提高学生的设计与创造能力等具有一定的困难。为此，我们需要探索一些新型的课程教学方法，对材料化学专业课程教学体系进行创新性改革，从而提高教学效果和人才培养质量。

2 3D打印技术在材料化学专业课程中的应用分析

3D打印技术是以数字化模型为基础，以塑料或金属粉末等可粘合性材料为打印原料，具有制造效率高、设计自由化以及节省原材料等优点，被称作是一种革命性的制造技术[7]。随着3D技术的不断发展成熟，将其与材料化学现有的专业课程有效的融合在一起，将会在一定程度上改善教学效果，提高学生的动手能力、实践能力、创新意识以及专业素养。武汉工程大学材料化学专业在将3D技术与课程教学的融合过程中，做了许多有意义的工作，且逐渐摸索出了一些较好的方法。

2.1 与“生物材料学”课程的结合

“生物材料学”课程是材料化学专业的主干课程之一，其目的是使读者熟悉生物材料在医学中的运用及其合理性，该课程系统介绍了体内组织与器官替代用生物材料及器械的基本结构、物理机械性能、生物相容性以及毒性作用等[8]。在该课程学习过程中，学生会面临许多复杂的人体器官或组织结构，传统的教学主要是以图片或视频的方式呈现在学生眼前。且在非医学专业，相关的实验实践教学环节非常缺乏，从而会严重影响学生的学习兴趣、降低教学效果。因此，需要开拓新型的教学手段来提高教学效果，如将3D打印技术应用到该课程中，能起到事半功倍的积极效果。3D打印技术在“生物材料学”课程教学过程中，能给学生提供人体组织复杂结构的现实印象，能有益于学习人体组织结构、医疗植入物和术前规划等[9]。例如，在讲授细胞结构和功能的时候，可以先将一个细胞的典型结构打印出来，以一种立体的实物形式呈现在学生眼前，可让学生对细胞膜、染色体、线粒体等组织结构具有深刻的了解，可有效的激发学生的学习兴趣和改善学习效果。

2.2 与“材料科学基础”课程的结合

该课程是我校材料化学专业的一门重要专业基础课，其融合高分子材料、无机非金属材料等共性科学原理和方法，阐述材料结构、性质、性能之间相互关系，解决材料的设计、制备和加工等相关工程问题。其目的是将学生培养成能够理解并调控材料开发-服役-消亡的整个材料循环过程的综合型人才。而传统的教学模式主要是填鸭式的课堂理论教学，有些甚至相关的专业实验也不是很完善。且该课程涉及的专业内容较多，难度较大，对很多同学来说，学好该课程不容易。例如在晶体结构一章，单晶结构、空间点阵等知识点的学习需要学生有较强的空间想象能力，否则学习效果会大打折扣。于是，我们若能结合3D打印技术，将晶体模型完整的打印出来，这不仅能加深学生对晶体结构的深刻理解，还能大大的提高学生的学习动力，取得较好的教学效果。

2.3 与材料化学专业实验实践课程的结合

实验实践教学是高校培养学生对理论知识的应用能力、加强岗位技能，实现应用型人才培养目标的重要教学环节[10]。主要包括有专业实验、课程设计实验、认识实习、专业实习，生产实习以及毕业实习等几种形式。为了提高实验实践课程的教学效果，将3D技术融入其中具有非常重要的价值。同时，武汉工程大学材料化学专业在实践教学过程中也做出了很多有意义的工作。首先，在专业实验实践教学过程中，有很多环节融入了3D打印技术。如本专业已购买了部分3D打印设备(如图1)，为理论及实验教学用实物模型的打印提供了硬件基础。

图1 本专业已购买的部分3D打印设备

另外，在专业实验及课程设计实验中增设了部分3D打印内容，让学生亲自动手完成打印操作过程，提高了其动手能力和学习兴趣。其次，为了更全面、直观的了解和掌握3D打印技术的工艺过程及提高学生的实践操作能力，本专业开设了3D打印实习教学，即与校外3D打印企业(如湖北嘉一三维高科股份有限公司)签订了产学研实践教学合作协议。实习期间，企业会安排工程师为学生介绍相关技术知识，现场指导学生上机操作，教受学生组装打印设备、计算机建模、切片、选材、打印以及产品后处理等全面具体的工艺，这大大提高了学生的动手实践能力、设计能力以及创新思维。图2与图3分别为本专业学生在实习过程中组装打印设备和打印制得的产品模型。

图2 本专业学生正在组装3D打印设备图3 打印制造的产品模型(人体关节)

在材料化学专业现有的课程体系中，主要还是以减材制造的思维模式为基础，缺乏产品制造的灵活性、创新性和可设计性。随着3D打印技术的不断成熟和完善，将其融入传统的课程教学模式中，培养3D打印技术思维的设计人才是教育发展的必然。通过相关课程的补充，可使学生将这种自由、快速、可设计性强的制造技术与产品的功能、结构及外观较好的结合起来，提高学生的创新思维、想象能力和专业素养。

3 结论

3D打印技术发展至今，已显现出了许多优于传统减材制造技术的特点，但将其与高校的专业课程教学及人才培养模式紧密有效的结合起来还面临着诸多困难，培养学生的创新思维能力还需要做进一步的研究工作。武汉工程大学材料化学专业在完成本项目过程中，只是做了初步的实践探索。随着教育事业的不断发展，将3D打印技术全面的融入教学体系中是大势所趋，也必定会对高校的专业人才培养产生积极有益的作用。