2017年12月第46卷第12期
机械设计与制造工程
Machine Design and Manufacturing Engineering
Dec. 2017Vol.46 No. 12
DOI ： 10. 3969/j. issn. 2095 - 509X. 2017.12.027
面向工程思维培养的
“激光加工与3打印技术”教学研究
D
刘壮，高长水
(南京航空航天大学机电学院，江苏南京210016)
摘要：“激光加工与3D打印技术”是机械工程及其自动化专业本科生的一门制造技术专业选修 课，工程应用特色鲜明。在课程教学中，从培养本科生的工程思维能力出发，引入了对比教学、小 组讨论、案列教学等新颖的教学方法，将理论知识与工程实际紧密联系起来，有助于调动本科生 学习兴趣，克服了传统课堂教学中方法单一、理论知识与工程实际联系不紧密的缺点，有利于高 素质应用型工程技术人才的培养。
关键词：激光加工;3D打印；教学研究；工程思维中图分类号:TH162
文献标识码:A
文章编号:2095 -509X(2017)12 -0113 -04
教学中，对本科生的工程思维能力培养进行了初步 探索，取得了良好的成效。
工程学科本科教育的一个重要目标是培养应 用型高级工程技术人才[1]，因此在工科本科教育 层面上，既要重视理论知识的传授，也不能忽视工 程应用能力的培养。在实际教学中，应当重视学生 的工程思维能力训练，使得他们能够运用所学知识 分析问题、解决问题，并在此过程中综合考虑社会、 环境、法律等因素。在中国高等工程教育专业认证 标准中，对工科本科生的毕业要求就包括了 ：能够 将自然科学、工程基础和专业知识用于解决复杂问 题;能够应用自然科学和工程科学的基本原理，识 别、表达、研究复杂工程问题;能够设计针对复杂工 程问题的解决方案，满足特定需求的系统、单元或 工艺流程，并能够在设计环节中体现创新意识，考 虑社会、健康、安全、法律以及环境等因素。上述要 求凸显了在本科生培养过程中强化工程思维能力 训练的重要性。
“激光加工与3D打印技术”是南京航空航天 大学机械工程及其自动化本科专业的一门制造技 术专业选修课，主要讲授激光原理、激光与材料相 互作用机理、激光加工技术、激光加工设备及其应 用、3D打印技术等方面内容。课程的教学目标是: 通过课程学习，使学生较深入了解激光加工与3D 打印的基本原理及其在各行业领域的应用，并为今 后的学习和工作打下一定的基础。笔者在该课程
收稿日期=2017 -06 -19
1
当前存在的问题现 高等
的 才 以
新型工
化进程的需求[2-3]。近年来，我国大部分高校都侧 重于基础理论传授与科技前沿探索，致力于培养各 种高层次的学术人才与科学家，人才培养模式趋同 性严重。本科层次的应用型人才教育未得到应有 的重视，出现了高等教育人才培养体系中本科层次 专才教育一定程度的缺失。世界经济论坛近期发 表的《全球竞争力报告》表明，中国在35项指标中 处于显著的竞争劣势。其中，“科学家和工程师的 可获得性”排名第86位，在125个参与排名的国家 或经济体中处于中下游水平。显然，在中国新型工 化 程中 ，
高 工程技术 才的
制约其发展的不利因素。
“激光加工与3D打印技术”作为一门制造技 术专业选修课程，在机械工程专业培养体系中，承 担着传授激光加工基础知识、锻炼本科生工程思维 能力的任务。传统教学方法，如教师讲课、学生听 课、现场观摩等，已经不适应现代社会对工程技术 人员工程素质的培养要求。工程思维是工程学科 联系现实世界的重要纽带，具有“构建性”、“设计
作者简介:刘壮(1970—），男，江苏苏州人，南京航空航天大学副教授，博士,主要从事特种加工技术方面的教学和科研工作。
• 113 •
2017年第46卷机械设计与制造工程
” “实践性”特点，有 科学 术思能力，细
表1常用特种加工方法分类
特种工
方法电火花成形加工
电火花加工
电火花线切割加工
电
电化学加工
电铸电化学能阴极沉积工
电能、热能电化学能
熔化、气化阳极溶解
能来源用形电能、 能
工熔化、气化
[4]。工程技术人员需要运用工程 技术、经济、法律、文化、关系，并在
础
前，随着经济与科技的飞
、
析工程实际问题的各种条件，以及工程问题与
等多方面的相互
工程化的解决方案。当
展，工程系统越来越
需要将工程趋于复杂化，未来的工程技术人员
的 到自身的
能
备之中。因
，
机械工程 体系中的一个环节，在激光
工与3D打印技术教学中开展工程
能力的
常必要的。
2
教学方法研究2.1
进行对比教学比， 运用 的
定事物异同关系
的
过程。对比学法不
知
，而
知识与 之外的相关内容进
比分析， 知在
拓展。具
体来说，对比学
在教学中，将具有内在
联系
的教学内容放在一起 比分析，理 同和不同之处，使学生在 书本内容之，能够开拓
，联系并 之外的知识，从而达到预期教学目的。现有研究 表明，对比教学法在学生
能
、 知
固、教
学氛围营造等方面具有显著的优势。
激光技术是20世纪60年代初发展起来的一 学科。激光加工可以用于打孔、 、焊
、表面、3D打印等许多 ，
用越来越
[5]。
一种 的制造工艺，激光加工技术在特种加工技术
占据了愈来愈重要的地位。在学中，
如果只介绍激光加工技术特点 工程应用，学生
的工程视角会流 ，不
他们今后走上工作
岗位之后，在面临具体的复杂工程问题时提出
的解决 。
，在实际教学中，不要
激光加工技术的优势 局限性，还 与其他
特种 工
比
，
激光 工技术与他特种 工工 的 ， 各个特种 工
在工程应用方面的互补性。表
1所示常见的特
种加工
[5]。
表
1所展示的常见特种加工
，笔者在教学中采用对比
，以激光加工
核心，对
比 各种工 在能量转化利用形式、材料去除
、材料
工性、加工表面、设备采购成
、工
、
的影响等方面的异同点，从而
• 114 •
激光切割、打孔光能、热能熔化、气化激光焊接
光能、热能熔化激光加工
激光表面处理
光能、热能熔化、相变3D打印/快速成型
光能、热能、
化学能增材制造电子束加工
切割、打孔、焊接电能、热能熔化、气化离子束加工蚀刻、涂覆、注人
电能、动能原子撞击超
工
、打
能、机械能
磨粒撞击
学生从解决工程实际问题的角 考激光加工技术的优点 局限性，使学生
，
在制定工程问题的解决方案时，需要
考虑效、 、会、健
、安全、法律以 等一系列素。图
1
示
者
中对电
线 、激
光、等离 3种不同加工 在
宽
、精
、
、影响区4个方面所做的对比
(
料来源
[6])。
日
日s/侧s/鹋艇鰹等离子弧
缴HPlasma
尽
-g
8鹋
0(
(0(S 铟u0(n6
0(
舔日3
薛等离子弧日>榧13
4Plasma
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#)2
礆
镲
图1电火花线切割、激光切割、 等离子切割3种加工方式比较
2.2 开展小组讨论
组 学 一种混
学 ，属%
、团队式、问 学的结合
体[7]。 的组织形式主要包括两个 ，一
:师
， 学生分组学
。小组 学的过程是，根据一定的程序，
在教师
下，学2017年第12期
刘壮!面向工程思维培养的“激光加工与3D打印技术”教学研究
生自学 内容并自讲， 开展 。小组2.3引入案例教学
学法特 调学生的主体作用，不仅能更
知
的 ，而
学生
素质的
高起到 用。
，在学生
组时，要考虑学生以往
的学
础， 学生之间的 程度，还要重视组的团 ，只有
才能
学生之间的互
，达到共同进步的目的[7]。 采用学生自
组合的形式， 以学生之间的亲近程度
组， 学生的团队 能力的
常不利。次，教师 者，要演好整个过程中的组者、参与者 价者的角色。教师 据教学计划详细制
内容，
料
收集的
与 ，
学生如何从问 析、展开、解决
等几个步 全面的准备。在学生的准备过程中，教师
经常与
通，并予必要的 和
。在 过程中，教师
造出一个轻的 ，尽量安排等量时间参与到各个小组
的
之中，及时了解学生的
。在具体实践中，安排 与小组
者之间的课时比例大约为3:1。在
过程
中，教师会安排一个具体问 者案例让学生课后
分组讨论，比如“与其他任何一种加工手段相比
，对比 激光加工技术有哪
点和局限
0、“
制造技术(3D打印）的现对产品设计
与制造有何影响”、“当制定某个零件的切割加 工工艺时，
采用激光
， 考虑哪
些因素”等等。各小组的 料收
析、观点形成、论据说明、学生演讲、同学或者老师提问
的过程和形式，如
2所示。事实表明，小组
：学 的 ，不仅完成了传统教学中
知的
，而还
了学生对书本知识的
理
，高了学生 、团队
、口头表达、思
辨能力的
。
图2 小组讨论教学计划
案
学
大学， 运用于法律教学中，后来逐渐运用 学、学、教育学等学科。案 学
案
用
学，通过教师
知识、
问
、组学生
、撰写案析报告等过程来实现教学目的， 学
，从而提高学生 知识水
决实际问题能
的教学
[8]。
激光加工与3D打印技术程的实践性比 ，课程内容与工程实际联系比密切，为了一步 学生的工程素 新能
， 学
，笔者 案 学用
程，并取得了 的教学
。
如，笔者以
制造中的激光焊接技术为案例，详细介绍了造船工业中激光焊接技术的应用历
程、工程应用范围 重要
。使学生了解到，
目前造 中使用的铝合金板材多为4〜8mm的中厚板，采用传统MIG焊接方法存在焊接变形量
大、生产 低、
低等问题。特 在焊形方面，
焊件变形量大，
随的矫正工
费大量工时， 了生产制造
，影响的生产
。 而 激光焊 技术用 造工业具有如下优势:造 料的 范围扩大;焊，工
高;焊
头
高;焊构件
精度高;变形，整形工
；型使用性能优异
等。该案列 学资料如图3所示（来源
：
[9])。
(b)三明治结构焊接原理及样件 图3激光焊接在造船工业中的应用案例
3
结束语
“激光加工与3D打印技术”课程具有鲜明的
• 115 •
2017年第46卷
机械设计与制造工程
学，2009&[3]
工程实际背景,其特点决定了该课程的教学应该避 免教条式的学科教材、枯燥的课堂讲授以及死记硬 背的学习方式。笔者在该课程中引入了对比教学、 小组讨论、案列教学等新颖的教学方法，力图解决 传统方法的满堂灌和填鸭式教学、理论知识与工程 实际脱节、不利于学生工程思维能力培养的问题。 实践证明，上述方法不仅解决了该课程理论教学枯 燥与实践教学困难之间的矛盾，而且有利于高素 质应用型工程技术人才的培养。参考文献：
[1]
李拓宇.面向‘‘中国制造2025”的工程科技人才培养质量提
升路径探析[X•高等工程教育研究，2015(6):9.
[4] 贾广社，曹丽•工程师的工程思维培养[J]&自然辩证法研
究，2008, 24(6):71 -75&[5]
白基成，刘晋春，郭永丰，等•特种加工[M].北京:机械工
业出版社,2013.
[6] KANNATEY - ASIBU Elijah. Princij^le of Laser Materials Pro-
cessing[ M]. New Jersey： John Wiley & Sons, 2009.
[7] [8]
张蓉，左晓园•试论小组讨论式教学方法的实践与改革[J]
黑龙江高教研究，2011(1$:161 -163.
李杰.案例教学法在机械制造基础课程教学中的应用研究
[J]•制造业自动化，2012, 34(11):153 -156.
祁俊峰.全铝结构船长甲板的C02激光焊接技术研究[D]曾永卫，刘国繁.工程应用型本科实践教学体系设计浅探 [9]
北京:北京工业大学，2008.'X •中国高等教育，2009(9):53 -54.
[2] 刘菁&工科本科生的工程素质培养研究[D] •长沙：中南大
LIUZhuang, GAOChangshui
(School of Mechanical and Electrical Engineering,
Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Jiangsu Nanjing, 210016, China)
Abstract ：Laser machining and 3D printing technology is an elective course for undergraduates majoring in mechanical engineering and automation, and has a strong association witli engineering application. It applies the contrastive teaching, group discussion and case teaching into the course in order to develop abilities of undergraduates ^engineering think and connection betw^een theoretical knowledge and engineering practices. The results show that t!ie innovation can improve the interests and motivation of undergraduates, be tion of high quality and application - oriented engineers.Key words ： laser machining ；3D printing； teaching； engineering thinking
The research on teaching reform for improving engineering
thinking in course of laser machining and 3D printing technology
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