1. 概述
工程教育的本质与基础是回归工程，近些年来，全球范围内一批领先工科院校开始重视基于项目的学习及工程设计训练，哈佛工学院将基于项目的学习全面渗透人才培养全过程，将工程视为各种思想和思维过程的交集[1]；堪称全球高等工程教育典范的麻省理工学院，更凸显创新与创造；德国工程教育的项目教学法及国际视野，其成就举世瞩目。发达国家的工程教育在转型中主要体现在三方面：提升以工程创新为核心的多元化融合创新能力；更加注重通识性工程教育；更加注重创新创业教育[2] [3]。
工程训练作为我国工程教育的一种独特方式，是培养学生工程实践能力、系统工程意识的实践性基础课[4]。邵新宇院士提出：工程训练要着力培养大学生的面向问题与需求的工程观、面向市场与竞争的质量观、面向综合性能的系统观[5]；李培根院士提出：人工智能时代的工程教育需要从“知识导向”到“问题导向”的转型[6]。
近年来国家对工程训练中心建设力度不断加强，我校工程训练中心在高速发展中面临诸多挑战：工程训练内容与社会转型中的问题及需求匹配度不高。我国已经进入全面绿色低碳转型发展新阶段，而工程训练体系内容高能耗重污染现象仍然突出，工程训练体系亟待优化升级；多学科融合项目训练不足，以知识传授与单一技能训练为主；解决工程实际问题能力及面向未来挑战训练不足。
2. 基于3D打印多层次“五位一体”工程训练支撑体系构建
工程训练中心作为综合性工程实践与创新教学新模式载体[7]，3D打印以数字化智能化为特征，是实施创新型国家战略的重要抓手。以3D打印为例，构建大中贯通式的领军人才长周期的工程训练支撑体系，将社会服务、劳动教育、工程实训、通识教育与创客体验、科技创新融为一体，培养引领未来的精英与行业领袖。如表1所示：
Table 1. Multi level “Five in One” engineering training support system based on 3D printing
表1. 基于3D打印多层次“五位一体”工程训练支撑体系
课程类别/面向对象 |
项目式教学内容 |
教学模式 |
教学目标 |
中学生/教育部
登峰计划 |
1. 创客导引 3D打印技术与应用 2. 创客体验 太阳能风扇制作 |
演示讨论 创客体验 |
科普教育 激发兴趣 孕育工程文化 |
劳动教育 (公共基础课必修)/
全校本科生 |
塑造劳动价值观 提升创造技能 太阳能小夜灯制作 风轮制作 (二选一) |
劳动教育与3D打印技能的融合体验 |
孕育工程文化 以劳树德增智 以劳强体育美 培育创造基因 |
工程实训 (工学类必修) |
创客导引 3D打印发展与瓶颈 创新思维及技法 创新实践 风光互补庭院灯 |
问题讨论 创新实践 |
培育工程文化 培育创新创造基因 培养工程实践能力 培养工程思维 |
专业选修课 (弘毅学堂) |
创客导引 创新思维障碍突破 3D打印面临的挑战 2. 创新实践主题 绿色低碳 |
问题讨论 作品擂台赛 |
践行工程文化 激发学生创新潜力 培养工程设计能力 提升工程素养 |
创新创业通识教育课 (全校选修) |
1.讲座 3D打印材料及成型 3D打印面临挑战 3D建模设计方法 创客体验主题 绿色节能降耗 大健康 |
CDIO模式 作品擂台赛/32学时 |
推广工程文化 跨学科及跨年级项目合作，
培养开放协作及创新精神 成果交流分享 |
创客马拉松 (特质学生) |
以探究为特征，教育引导与
自我管理相结合 可选：新能源小车； 餐厨余处理装置 |
目标导向 /高能开放 |
提升工程文化 以目标为导向的契约精神及
工匠精神 对自身负责的企业精神 |
3. 教学实施与探索
3.1. 将“大成智慧学”思想贯穿于教学始终，从数字教育到智慧教育，将人类环境挑战和
社会需求抽象为具体工程问题，培养社会责任感及大工程观
钱学森提出的“大成智慧学”其核心是哲学与科学技术统一结合，打通界限，总观全局，相互促进，培养卓越工程师 + 科学家 + 思想家的复合型创新人才。在教学中塑造学生胸怀天下的世界观及可持续发展观。鼓励学生积极参与全球环境保护，激励学生放飞思维，追逐梦想。充分发挥武汉大学综合性大学多学科交叉、集群建设的天然优势，倡导跨学科组队，团队协作。将人文艺术、多学科知识与3D打印技术融合，在团队协作中进行调研、创意设计、制作、装配调试等活动，打造基于创新性与挑战度的深度学习模式。
面向全校通识课《3D打印：创享体验》的3D打印医工融合作品《地球加载中》是公共卫生学院、动力与机械学院、艺术学院学生通力协作的结晶。公共卫生学院学生提出在数字世界中呼唤人们保护地球的创意，动力与机械学院学生提出采用浑天仪类比法结构设计，艺术学院学生提出通过艺术形式采用不同颜色警示地球未来的可能性，将环保信息提醒人们即使在数字世界中，也不要忘记现实世界中地球的呼唤。地球正处在关键转型期，面临多重环境危机。呼唤人们关爱地球，实现人类可持续发展。见下图1。
图2的人文理工类融合的学生作品《理想邦》，城市建筑设计院学生提出人类与月球和谐共存理想家园的创意，资源与环境学院学生提出在月球上建立数字工厂、经济与管理学院学生提出在月球上建立数字图书馆等等，如下图2所示：
Figure 1. Medical engineering integration works 《Earth Loading》
图1. 医工融合作品《地球加载中》
Figure 2. Integrated works of humanities, science and engineering《Ideal State》
图2. 人文理工融合作品《理想邦》
3.2. 面向绿色低碳，优质节能降耗多目标协同，培养质量观与系统观
从项目的选题与绿色创意、绿色打印生物可降解材料PLA、绿色设计与制造，注重节能降耗与环保，以CDIO (创意–设计–制作–运行)为教学组织主线，引导学生以人为本，关爱社会，节约资源，塑造自然和谐健康可持续的价值观。创新技法倡导仿生法、类比法、象征法等突破常规[8]-[10]。下图3为3D打印绿色创意作品。
系统分析优化工艺，实现优质、低耗能、低耗材多目标协同。培养质量观与系统观。多目标如3D打印高质量与低能耗高效率是矛盾的，高质量要求分层厚度小，随之是打印时间、材料消耗、电能的增加。引导学生系统分析工艺参数如：分层厚度、成型方向、支撑设置、密封角与质量能耗之间的内在联系及其相互影响。
Figure 3. Green creative 3D printing works
图3. 绿色创意3D打印作品
下图4为风力发电机叶片不同的打印成型方向的仿真，表2分析了不同成型方向对能耗、耗材、打印质量的影响，引导学生系统分析问题，在保证质量前提下优化工艺参数实现节能降耗。图5及表3分析了支撑角对耗能耗材的影响。
Figure 4. Simulation of the influence of different forming directions of wind turbine blades on consumables
图4. 风力发电叶片不同成型方向影响耗材的仿真
Table 2. The impact of different molding directions on energy consumption, consumables, and printing quality
表2. 不同成型方向对耗能、耗材、打印质量的影响
成型方向 |
材料消耗 |
打印时间 |
支撑 |
备注 |
方案a1 |
3.9 g |
29.5 min |
支撑少，易剥离，表面质量有保障 |
分层厚度0.25 喷嘴直径0.4 扇叶厚1.5 |
方案b1 |
5.9 g |
41.9 min |
叶片边缘支撑多，难剥离 |
方案c1 |
7.0 g |
39.2 min |
叶片整面支撑多，表面质量难保证 |
Figure 5. Simulation of the impact of support angle on consumables (yellow for support)
图5. 支撑角影响耗材的仿真(黄色为支撑)
Table 3. The influence of support angle on energy consumption of consumables
表3. 支撑角对耗材耗能的影响
分层厚度 |
密封角 |
支撑角 |
打印时间(小时) |
材料消耗(克) |
0.2 mm |
45˚ |
30˚ |
0.96 |
8.8 |
0.2 mm |
45˚ |
60˚ |
1.3 |
14.1 |
3.3. 劳育与通专融合育人，基于问题的教学评价
2013年，在财政部修购计划专项资助下，创建了3D打印创新实践平台，面向工学类开展3D打印工程实训；结合武汉大学人才培养目标，课程团队面向全校多学科门类研发了创新创业类通识教育选修课《3D打印：创享体验》，2019年入选武大通识“3.0”，每年开设2~4个课头，40人/课头，选课期期爆满，受益面惠及6大学部一百多个专业。同学们感到挑战与成长并存。同时为满足全校学生科技创新需求，每年培训千余人。
2023年3D打印教学团队面向人文社科类开展劳动教育课试点，推崇“德”在做中育的实践育人理念，通过工程造物，育为人之道，学做事之法将劳育与工程训练结合[11]。人文社科类200余名学生进行劳动教育与3D打印技能的融合体验，完成了太阳能风扇或个性徽章的制作，通过三维建模、操作设备打印、零件支撑剥离，最后打磨抛光处理等一系列活动，在创造性劳动中树德增智强体育美。
教学评价考核方式包括过程中问题评价及成果产出评价。注重考核学生完成项目过程中提出的问题、解决问题方案、在团队中的贡献度，帮助学生形成良好的问题意识与视野，按适当的权重综合评价[12]。
3.4. 校企共建智慧3D打印云平台，打造一流的开放创新实践平台
通过数字孪生技术，工创中心与北京太尔时代有限公司协同共建3D打印高速智慧云平台，通过云端实现3D打印虚实联动，实现打印机远程管理与操作，线上线下结合，学习空间拓展为现实空间+虚拟空间，实现课前线上导论与文化㓎润，课中劳动与创新实践，课后内化升华与迁移学习[13]-[15]。
4. 成效
依托3D打印智慧云平台，面向全校拔尖创新人才，深入挖掘绿色工程与节能减排技术的创新想法与理念，孵化创新性的关键技术与颠覆性构想，开展各类科技创新设计大赛，屡创佳绩。
近5年来，3D打印教学团队指导大学生科技创新大赛，获国家一等奖13项。依托工程训练与创新实践平台，近3年来，武汉大学参加绿色节能降耗工程类科技创新大赛，获国家一等奖7项。
2022年第十届全国大学生机械创新设计大赛，作品仿生青蛙–麦田守望者，荣获国家一等奖；
2023年第八届全国大学生水利创新设计大赛，武大团队三项作品《针对墨脱水电站的巨型双层混流式水轮机》《声动泉岛–一种可交互的移动水质监测及复氧装置》《水气联储，蓄势待发–一种压缩空气与水力发电的联合储能装置》，斩获3项特等奖；
2023年第八届中国大学生工程实践与创新能力大赛“新能源车”“智能+”赛道，武大团队斩获全国金奖2项；
2023年第十六届全国大学生节能减排社会实践与科技竞赛，武大团队共夺得一等奖1项，二等奖5项，三等奖6项，团体成绩名列前茅。
5. 面临的挑战与努力的方向
创新人才培养不仅需要开放式创新实践平台，更需要理论与实践并重的“双师型”师资队伍，目前工程实训教师直接从高校毕业生中选拔的居多，实践经验及工程背景知识不足，工程创新实践教学质量受到一定的制约。今后将加大“双师型”师资队伍建设力度，加强校企协同创新，在多学科知识背景、理工人文信息融合、多视角思维模式的创新人才培养方面，进行不断探索，为一流的卓越工程创新人才培养提供有力的支撑。
基金项目
武汉大学本科教育质量建设教学改革项目(2024ZG150)：“绿色工程为载体的工程训练与创新实践支撑体系”。