近日，清华大学化学工程系在工程教育领域取得新成果。教学团队将 CDIO（Conceive-Design-Implement-Operate）框架成功应用于聚合物工程教育，开发出一套创新的实践课程，有效提升了学生的工程实践能力、团队协作能力和可持续发展问题解决能力，为工程教育改革提供了示范。

全球塑料废弃物污染问题日益严峻，可降解材料的研发与应用成为解决这一问题的关键。聚乳酸（PLA）虽具广泛应用前景，但其脆性限制了实际应用。产业迫切需要同时掌握生物降解性和平衡材料性能的工程师。为此，清华大学化学工程系通过 CDIO 框架，将生物可降解材料的设计、加工和性能评估有机融合，创新教学方法，培养学生理论联系实际的能力和可持续发展问题解决能力。

课程以解决“生物可降解3D打印线材脆性问题”为工程命题，将材料设计、加工工艺与性能评估的知识链完整贯通，成功研发出生物可降解韧性3D打印线材。课程引入工业级设备和模流分析工具，深度还原工业生产链条，通过以下四个阶段培养学生解决复杂工程问题的能力：

（1）配方设计与制备：学生设计配方和加工工艺，利用工业级双螺杆挤出机合成颗粒。

（2）数字化和智能工具深度融入：利用Moldex3D熔体流动模拟软件优化加工参数，指导学生在复杂工业级注塑机上生产标准力学测试样条。

（3）精密线材制造：使用单螺杆挤出机生产直径精准（1.75±0.05mm）的连续线材，并实时监控直径变化。

（4）性能综合评估：通过力学测试、流变测量以及3D打印质量评估，全面检验和评价材料配方的性能。

图1.课程设计流程图

最终的3D打印结果生动诠释了材料配方、加工工艺与最终性能的紧密关联。学生不仅加深了对课程的全局性理解，还体会到工程技术的多学科交叉特性，提高了掌握现代科学工具的意识和能力。教学结果表明，通过模拟辅助参数优化、历史数据共享和结构化反馈机制，学生在复杂工程和可持续发展问题解决能力方面均有显著提升。

图2.学生实验结果

该教学研究成果以“Integrating CDIO Framework into Polymer Engineering Education: A Hands-On Approach to Design, Process, and Evaluate Biodegradable 3D Printing Filaments”（将 CDIO 框架融入高分子工程教育：设计、加工与评估生物可降解 3D 打印线材的实践方法）为题发表在《化学工程师教育》 (Education for Chemical Engineers)。论文第一作者为化工系实验教学中心郑妍妍老师，通讯作者为化工系高分子所徐军副教授。论文共同作者包括清华大学基础工业训练中心的罗勇和张秀海老师。

论文链接： https://doi.org/10.1016/j.ece.2025.05.007