增材制造技术因拥有成型复杂精细结构、减材制造技术等传统工业所不具备的优势，被称为目前全球第三次工业革命的关键引擎，广泛应用于航空航天、军工装备、汽车制造、生物医学、电子工业和艺术设计等领域，已成为全球许多企业实现产业升级和技术转型的新方向。我国高度重视增材制造技术及产业的发展，《中国制造2025》(2015年）[1]、《国务院关于印发“十三五”国家战略性新兴产业发展规划的通知》（2016年）[2]等制造强国战略行动纲领中，将高精度激光增材制造技术列为优先发展专题。2020年3月5日，国家标准化管理委员会、工信部、科技部、教育部等六部门印发《增材制造标准领航行动计划（2020—2022年）》[3]等发展规划均已将增材制造产业列为重要发展方向之一，未来推动我国制造业的快速发展以实现向智造强国转型。但随着我国增材制造产业链企业数量与规模的不断增长，3D打印及相关专业人才缺口超过千万，至2025年预计缺口为800万人[4,5]。为此，教育部于2017年将“增材制造”列入新增专业目录[6]。但本科专业从申报、获批、招生到学生毕业需要较长的时间周期。此外，现有增材制造人才较多以高职形式培养[7]，当前产业转型升级阶段中高职院校所培养的技能人才往往滞后于快速发展中增材制造的需求。并且，增材制造领域还面临着诸多关键问题亟需解决，尤其是在材料创新、机械工程、化工和生物应用等领域仍然需要不断突破技术瓶颈，在增材专用粉材、核心光学硬件、专业软件等方面需要引进大量高层次科研人才。因而，在教育部《普通高等学校本科专业目录（2022年）》[8]中，把增材制造工程专业放在机械类专业中招生，作为新工科专业，又是交叉学科，涉及的学科专业知识比较多[9]。由此可见，单一地以某一类专业培养增材制造行业亟需的创新型、复合型人才不现实。

基于此，武汉科技大学从2021年开始探索微专业赋能的专业人才培养[10]，开发了增材制造工程微专业项目，以产学研用结合形式建立增材制造设计与智能制造工程专业及科研、实践平台，整合专业技术与师资资源，通过介入产业、企业项目→技术合作开发与支持→某技术方向寻求突破的发展路径，从设计、材料、工艺到质量控制打造专业教学与实践体系。

一、新工科背景下的微专业的定位

微专业主要通过设立线上及线下混合式课程，共享优质师资和课程资源，优化师资结构，同时也为提升教学质量、促进学科发展、打造一流金课等提供重要经验。

以跨学科专业、多学科交叉联合培养人才思维为导向，微专业抢抓发展机遇，深化校企合作，加快推进多学科交叉融合教学科研平台建设，加快组建专业团队，强化学科特点特色，是树立学科影响力的一个重要机遇。

聚焦培养国家和地方经济社会发展需求，通过择优选拔等方式探索建立跨学科跨专业的交叉融合培养模式，着力培养能够掌握增材制造设计、工艺应用、材料成型、专业设备操作及智能算法等实践能力，积极为3D打印行业输出高素质复合、创新型专业人才，是结合学校办学实际、校企协同提升创新的一个重要突破口。

小而精、既系统又灵活的微专业有助于学生跨学科学习和个性化成长。微专业着力于有效弥补大学课程体系松散、人才培养周期过长，加强本科与研究生阶段培养衔接，是培养科研型人才后备军的理想时机。

二、微专业培养模式

（一）“自由探索式”教学模式

传统学科课程目标的定位往往以该学科的知识体系为旨归，而微专业课程目标设计是兼顾知识和技能。所以，如何让“传统教学”最大限度地被学生主动接受和认可，从而过渡到不受课堂、课本知识束缚进行延深式知识探索，即“自由探索式”教学模式（图1），以及保证这种教学改革的有效实施、真正发挥兼顾“研究型”“技能型”人才培养的教育宗旨，是本文将要重点探讨的问题。

图1“自由探索式”教学模式及其运行框架

不预设学习边缘与框架，通过科研案例引导学生灵活运用所学知识自主提出、分析并解决问题。突出以学生为本，充分发扬学生的主观能动性，学生除了学习增材制造工程微专业核心课程，还可以自主学习学校优质线上课程组成的云课堂资源。并增加“翻转课题”等形式的师生互动，建立动态式课堂。主要聚焦在增材制造设计、材料成形和成形质量控制三方面课题上。例如，以增材制造金属合金成形理论为主线式课程内容，启发学生思考“工艺条件”与材料“微观组织”形成、“缺陷发生机制”内在联系等“启发式”教学为手段，以师生共同研究并确定讨论主题为特色，调动学生积极性，学生通过查阅文献、做实验、分析等方式可以延深、拓展微专业课堂中有限的课程知识，以及课程学习、导师指导等方式产生科研与教学相结合的创新点，使学生既牢固掌握了基础理论知识，又喻理于行，进行自我知识体系扩充，建立完整的知识体系框架。

将知识学“活”，学以致用，用中悟道。将企业问题引入课堂探讨和课外调研活动中。微专业教学体系中借助学科影响力建立了由北京三帝科技股份有限公司等百余家会员单位组成的全国增材制造行业产教融合共同体等企业群，以及学校增材制造领域优秀老师组成的教学体系群，提炼出行业内当前亟需解决的应用问题，由企业工程师、学校教师共同担任学生企业项目课题的导师，充分利用实验、竞赛、实习等形式，让学生接触、了解，再到深刻领悟到行业内实际需求和“真”问题，形成以“用”促“学”，让学生感受到自身知识的被需要，从而更好地激发学生有理想、有目标性学习和解决问题。高校老师将企业提出的问题进行任务分解和分工，进阶式设计课题难度，按照学生兴趣和能力分成大小不同的课题组，完成仿真、模拟、测试、验证实验等工作，与企业共同商讨解决方案及课题进度时间表，组织学生动手实践。最后，学生研究成果交由企业不断验证，将问题反馈给学生、工程师和学校教师，共同商讨改进方案，从而形成正向反馈和良性循环，直到企业课题问题取得进展或被解决。企业项目中取得的成果所有权由企业、学校、学生共同拥有。这种教学模式的特点是：以启发式教学为主，导师指导为辅。以具象化的课题为教学目标，遵循学生的认知规律，通过提出问题—基础研究素质训练—师生研讨开拓新思维—引导探索新知—强化训练巩固升华等教学环节全面展开教学内容，从而全面提升学生认知思维进行自主创新。通过校企合作研发，实现人才输送、合作共赢的目标，同时提高学生的就业面与就业率。

为了满足高质量完成增材制造课题的要求，提出了增材制造设计教育的定期干预措施。这些干预措施大致可分为三类：(1)线下课堂干预措施；(2)自学线上课程；(3)导师适当提供研究工具、框架和思路。通过以上三种引导式、基于问题学习的方式后，通过开设讨论课程，启发学生思考和创新，导师为学生提供了在设计中如何应用增材制造设计知识和经验，以及确定该领域潜在研究方向。学生可以结合自身条件灵活安排线上课程学习。微专业学生除相关课程之外，主要目的是培养独立延深性学习能力以掌握更多专业知识，并运用这些知识解决增材制造领域的挑战问题。

（二）企业工程师、大师学者走进课堂，搭建“产”到“用”的桥梁

通过行业协同引导，来指导教学工作的开展，以项目导入形式，改造传统学堂，实现产教融合下的产教融合、技术主导、项目引领、理实“双能”的新式教育课堂。邀请数名杰出企业工程师担任讲课教师，每位工程师授课一节，以身说法，向学生展示最新行业发展动态及需求，让学生切实了解社会行业发展与新技术需求，从而提升学生思想认知，保障我们培养的人才不脱离当前社会需求、紧随行业未来发展。

微专业长期与武汉因泰莱公司开展产学研融合合作，合作建立了实习与就业基地。每届微专业学生都会前往企业实习，同时也邀请企业工程师来校授课。当前陶瓷3D打印面临的最大难题是大尺寸陶瓷件打印开裂敏感，大大制约了陶瓷3D打印产品的产业化推广。我们将这一课题引入到学生科研指导中，围绕增材制造工程理念，由企业工程师、高校教师共同担任导师，给学生安排相关课题，引导学生综合所学的知识发现新问题、产生新思路，学生借助已有的科研建设平台完成设计与实验，通过研究材料制备及电磁透波性、高温强韧性等性能改进以及成形工艺优化等方法，鼓励学生进行由“产”到“研”的探索，解决增材制造领域的挑战问题。这种“学”与“研”的结合模式，既加深和巩固学生所学的知识，又启发学生的创新思维，形成知识“反刍”，由“产”引导“学、研”，由“学、研”引导“用”，再以“用”促“学”，形成良性知识循环。

同时，学生们通过结合各类竞赛项目锻炼完成一个完整的项目开发，同时不断迭代优化，最终可以形成产品。例如《双喷头多重光散射技术墨水直写3D打印设备》项目获得全国三维数字化创新设计大赛省级一等奖，在此基础上不断优化设计，并申请多项发明专利等知识产权。此外，学生借助3D打印赛事巩固和锻炼了微专业学到的基础知识和能力。例如，微专业联合武汉大学、武汉理工大学举办了“黄鹤杯”武汉高校3D打印设计大赛，通过自主选题、搜集素材进行艺术创作，最后设计多材料、多功能3D打印方式展现创新之美，并结合演讲、微视频、动画等多种形式进行传宣和展示，充分锻炼了学生们艺术审美、社会责任心、多媒体技术应用等核心素养以及三维软件、增材制造设计、增材制造成形工艺和增材制造设备操作等专业能力。2017年，学校成立创新创业学院。2023年获批湖北省大学生创业孵化示范基地。2023年加入了全国增材制造行业产教融合共同体，成为理事单位。以“成果转化中心+战略合作企业共同体”为平台，使得微专业平台孵化的产品最终在企业落地，实现批量生产，完成由“产”到“用”的过程，搭建增材制造产教融合共同体这一新平台，推动人才共育、师资互聘、产科教联动、技术创新与升级等方面创新发展，协同提升人才培养联合创新能力。

截止2023年，微专业共培养增材制造方向人才100名，为增材制造行业龙头企业如南京中科煜宸、西安铂力特、深圳大族等输送对口专业人才[11]。此外，通过科研课题的开展、学生科学素养的培训，助力学生保研。通过发挥人才在领域内辐射作用，从而扩大武汉科技大学增材制造学科在全国的影响力。在探索团组、科创、院校和产教融合发展模式的过程中，团队着力解决行业痛点问题，持续做好项目服务，同时校企合作成果反哺教学和科研，进一步助推教学团队与项目服务有机融合，形成良性循环模式，实现校企合作“双赢”。

（三）“轻数量重质量”设计课程体系，“学”与“研”分级交叉进行

由于微专业学生来自全校各个专业，学生专业知识、掌握程度不同，如何完成不同专业背景下的课程体系设计是一个挑战性问题。

考虑学生主修专业课程任务繁重，在兼顾考虑微专业完整培养体系下，轻量化设计教学内容，实现学生“轻负荷”地掌握微专业内容。课程设置综合考虑了高阶性、交叉性和挑战度，但课程不宜过多，包括专业基础课、核心课、开放性课程及综合课程设计，修满15分即可获得毕业证书，鼓励学生通过实践与自主延深学习来拓展知识深度和扩充知识体系。

已有的课程：增材制造导论（机械学院开设）、增材制造工艺与成型理论（机械、材料学院共同开设）、增材制造设计（机械学院开设）。设置增材制造导论、增材制造工艺与成型理论、增材制造设计为微专业基础课程，图像处理（机械学院已开设）、大数据技术原理与应用（计算机学院已开设）为微专业核心课程，开放性课程是整合学校已有的优质课程资源动态引入微专业学生教学课表中。

以启发、引导为主，将课堂搬到实践中，每门课程的设计里都穿插有课题研究，邀请学校相关领域杰出教授、青年人才、企业资深专家、工程师给学生上增材制造导论课程，并设计有实验与实践学时，包括带学生去参观企业现场，以及学生动手设计实验完成作品的3D打印等，达到引领学生掌握3D打印基础知识、操作的教学目标。

增材制造不受结构设计自由度约束，可以兼具艺术性与功能性，使得轻量化设计、一体化制造成为可能。因此，将增材制造设计定位专业基础课程。增材制造设计课程会给学生演示一个完整的增材设计过程，并安排互换课堂，由学生独立完成作品设计后在课堂上提问、交流和探讨。

考虑学生专业知识储备较少，在学生完成基础知识学习、实验和相关参观实习基础上，于第二学期开设增材制造工艺与成型理论，由机械学院与材料学院共同开设教学内容涵盖了材料成型技术、材料力学、成形工艺及原理、装备特点、材料分析测试方法及质量控制理论等内容，达到让学生掌握当前企业使用的典型或热门的增材制造工艺成形理论与特点的教学目标；该门课的开设既衔接了前两门课程开设内容，又综合了不同专业背景的知识，让学生的学习循序渐进，减少专业学习的压力。

于第三学期开设数字图像处理、大数据技术原理与应用，为了进一步介绍智能增材制造内容，扩展和延伸学生对增材制造概念的理解，并关注智能制造技术。

此外，综合课程设计贯穿4个学期，采用校内导师和企业工程师的“双导师制”，“一对一”对学生的课题进行指导。学生们运用已学到的知识，掌握文献检索、阅读、知识归纳、知识加工的能力，并通过校内导师的科研能力训练和指导，以及企业导师在工程实践中的指导，同时在理论与实践方面得到充分锻炼，不仅起到学以致用的目的，而且能够鼓励学生在动手探索过程中创新。

该课程体系的设置如图2所示，由“点”到“面”，由“中心”对外辐射，分层级递进，以导师指导为主，贯穿整个微专业学习过程。根据专业课程难易程度设定开课学期。在基础理论学习后，拓展大数据等智能领域前沿知识学习。根据学生掌握知识的规律性安排四级项目实践活动，即第一学期以实验和竞赛为主要实践活动，第二学期包括初级工作实习和重要竞赛赛事，第三学期以企业项目课题实习为主，第四学期完成课题研究。实践与理论交替进行，起到知识不断巩固作用。

图2 微专业的课程体系结构   

在微专业课程中，与主修专业课程名称相同或课程内容重复度超过80%的课程可以申请主修与辅修专业课程、学分互认，即微专业修到的必修或选修课程学分作为主修专业必修或选修学分，反之亦然。同时，鼓励各个学院，将微专业所获得实践学分可以认定为主修专业实习学分，帮助学生减轻学习负担，并专聚于核心能力培养。

（四）“轻数量重质量”设计课程体系，“学”与“研”分级交叉进行

强化校企协同合作，为全面提高复合型技术技能人才培养质量提供强有力的师资力量，按照学校冶金学科发展特色以及师资投入实情，打造别具特色的“双元协作”的教师教学创新团队，在“专业领域+项目+新技术”的多元协同框架下实施双元服务、双元教学、多元协同，解决了校企双元育人下专兼“固定+流动”式组合分工协作、责任明确等问题。

按照微专业核心课程选用固定的教学人员，根据选修课程需要增加流动性上课人员。定期召开微专业培养模式、教学模式及心得体会交流会，形成观念统一、理念一致的教师队伍，尤其是要保证固定教学人员的教学理念一致性。

如图3所示，包含了核心教学团队人员，以及国家优秀教师、青年人才、企业工程师等流动师资人员。例如，以增材制造设计、增材制造工艺与成型理论等核心课程的授课老师为固定人员，不断交流课程心得，巩固师资队伍的核心精神。增材制造导论课程吸纳企业杰出工程师前来授课。其他课程如大数据技术原理与应用、数字图像处理等利用学校内已有的师资队伍，该部分人员具有流动性和灵活性。企业注入项目，其他师资提供新技术课程。根据每届企业课题规划，按照图2中“一条主线”“三个能力”“四类课程”对本专业课程进行整合序化，明晰重点工作环节，确定典型工作任务，设计任务驱动型的“模块化”课程体系，实现师资力量动态组合。并分专业领域开展组织培训研修，提高模块化教学设计实施能力、课程标准开发能力和教学评价能力。

在该框架下，既保证按质按量完成微专业人才培养，同时核心团队固定模式有利于团结力量，对微专业精神的巩固与传承，又通过流动人员的扩充，新鲜力量的注入保障了微专业教学队伍时刻保持先进性，从而有利于微专业创新人才培养的不断发展。

图3 固定教学人员组成核心团队及学校优质教学资源库中国家优秀教师、青年人才和企业工程师形成的“流动”式教师队伍   

（五）“专业+开放”激发创新的考核方式与分级评价标准

在微专业第一学期初，给学生布置好应用微专业课掌握的增材制造零件概念、材料性能和详细设计知识解决的挑战问题。在最后一学期期末学生完成作品后由网上投票和专家评分得出学生作品的最终成绩，并将这些评价结果反馈给学生，帮助学生进一步优化作品，提高学生创新工作的质量，以及通过正确的评估方法给出创新能力准确估计，可以引导学生往正确的创新方向发展。

50%权重的网络投票：学生在网络上展示完成作品的特色，通过网络评选方式为学生打分，一方面，从学生的感兴趣方向、关注点去评价作品的创新性，可以吸纳年青人的新思维，同时可以增加学生的参与感和自信心，提高学生的自我展示与团结合作能力；另一方面，网络的方式可以扩大微专业的传播，吸引更多学生参与。

50%权重的专业评委（来自企业、高校、研究所等）从专业角度打出分数：学生将自己完成的课题结果以答辩形式展示，每组由5位评审专家根据学生的答辩情况给出这门课的成绩。评审专家的评审标准见表1。

最后，将两种方式的分数之和作为学生这门课的最终成绩。 

表1 学生考核方式与考核成绩评定方式  

考虑到学生具备能力方向不同，并能反映出学生学习能力层次，分级为授课类毕业证书和研究型毕业证书。课程授课类修学分制适合一部分成绩一般但又想通过微专业提升自我水平的学生；研究型适合有创新型、思考型学生，只有这类学生需要完成课程学习以及完成以上综合课程设计和考核。

同时，每学期期末学生、教师互相打分，打分过程中采用单向匿名打分。最后，根据学生在一学期内所有授课老师的打分中总体成绩优秀作为加分项；授课老师获得学生打分的平均分作为绩效奖励。从而，起到学生与教师的双向监督，并尝试突破以往只由学生给教师打分、造成单方面权力滥用从而失去打分公正性的问题。

三、结束语

微专业项目紧跟产业升级及产业链的岗位需求，完善了人才培养模式。微专业首次招生78名学生和6名兼职教师，通过3年的实践，取得了很好的效果，在以下三方面最为突出。

1）不同于传统以老师授课为主的教学模式，学生可以结合自身条件、需求以及所遇到的问题灵活安排开放性课程学习，提高了学生自主探索学习的能力，使学生能把专业知识应用到解决增材制造领域实际问题。

2）借助企业、高校、社会等资源，将基础知识贯穿于产、学、研中，并服务于企业，形成了“产学研用”良性知识循环链。

3）采用“双元协作”“自由探索式”教学模式，既加深和巩固学生所学的知识，又启发学生的创新思维，实现了元认知的提升。

参考文献:

[1]中华人民共和国中央人民政府.国务院关于印发《中国制造2025》的通知[EB/OL].

[2]中华人民共和国中央人民政府.国务院关于印发“十三五”国家战略性新兴产业发展规划的通知[EB/OL].

[3]国家标准化管理委员会,工业和信息化部,科技部等.中国工程院关于印发《增材制造标准领航行动计划(2020—2022年)》的通知[EB/OL].

[4]刘尚希.财政蓝皮书:中国财政政策报告(2021)[M].北京:社会科学文献出版社,2021:1-261.

[5]谷连旺,周韵.增材制造技术应用专业建设探讨[J].产业与科技论坛,2020,19(24):271-272.

[6]中华人民共和国教育部.教育部关于公布2017年度普通高等学校本科专业备案和审批结果的通知[EB/OL].

[7]曹育红,朱姝.3D打印技术融入职业教育工业设计专业中的思考[J].高教学刊,2023,9(26):76-80.

[8]教育部.关于公布2022年度普通高等学校本科专业备案和审批结果的通知[EB/OL].

[9]丁红瑜,陈超,关杰仁.增材制造课程建设与专业人才培养初探[J].教育科学,2022(4):105-107.

[10]倪红卫,张志清,程光文,等.数智时代地方高校复合型人才培养体系构建研究[J].武汉科技大学学报,2021,23(6):645-649.

[11]张歆.“真香”!这些高校纷纷上线“小而美”微专业[EB/OL].(2023-12-28).

基金资助:湖北高校省级教学研究项目“面向钢铁行业的智能制造工程专业人才培养模式研究”(2020373);湖北省教学研究项目“新工科背景下‘传统专业+’培养模式探索与实践”(2020342);

文章来源:朱锟鹏,张志清,孙国胜,等.“产学研用”理念下增材制造工程微专业探索与实践[J].高教学刊,2024,10(21):37-41.