提升材料加工學(xué)科研究生高級仿真能力的多樣性訓(xùn)練模式與實踐

權(quán)國政,周 杰

（重慶大學(xué) 材 料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 4 00044）

0 引言

目前材料加工工程是材料-機械科學(xué)研究中最活躍的科學(xué)，是材料、機械、電氣、化學(xué)、物理、信息、力學(xué)、應(yīng)用數(shù)學(xué)等綜合的學(xué)科，具有科學(xué)研究、工程應(yīng)用、技能訓(xùn)練、職業(yè)培訓(xùn)等方面的特點。該學(xué)科的科學(xué)研究方法，無論是理論方法（抽象模型），還是實驗研究方法（實體模型）都是以數(shù)值計算為基礎(chǔ)。基于經(jīng)驗的“試錯”設(shè)計方法已不能滿足短周期開發(fā)產(chǎn)品的實際需要，現(xiàn)代市場需要提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高材料利用率、提高模具壽命、減少成形負(fù)荷、節(jié)約能源、縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，這對成形工藝設(shè)計技術(shù)提出了更高的要求。因此，引入以模擬技術(shù)為主要手段的現(xiàn)代設(shè)計和研究方法受到廣泛關(guān)注[1,2]。

研究材料成型與控制工程專業(yè)的教學(xué)方法、教育模式、學(xué)習(xí)方式，有利于促進學(xué)科間的交叉，促進各學(xué)科的相互借鑒與發(fā)展。一方面，通過先進的教學(xué)體系、靈活生動的教學(xué)形式，提高研究生的學(xué)習(xí)、研究興趣，為學(xué)生創(chuàng)造良好的研究型學(xué)習(xí)環(huán)境，營造一種不同于傳統(tǒng)課堂的學(xué)術(shù)氛圍，在人才培養(yǎng)方面發(fā)揮特殊的作用；另一方面，通過設(shè)置嚴(yán)謹(jǐn)周密的教學(xué)內(nèi)容、豐富的教學(xué)方法和實踐手段，促進創(chuàng)新人才培養(yǎng)及教學(xué)改革，促使研究型學(xué)習(xí)教學(xué)體系形成。學(xué)生在研究生學(xué)習(xí)期間依靠學(xué)校搭建的各種產(chǎn)學(xué)研合作平臺，開展科研、實踐、工程訓(xùn)練等活動，這對于提高學(xué)生學(xué)習(xí)的自覺性，學(xué)習(xí)主動權(quán)，鼓勵研究生積極從事科研、發(fā)表專業(yè)論文、參加各類競賽、完成工程訓(xùn)練，都具有十分重要的理論和實踐意義。

1 仿真教學(xué)國內(nèi)外現(xiàn)狀

世界各國都把材料加工工程學(xué)科作為優(yōu)先發(fā)展戰(zhàn)略學(xué)科，70%的美國一流工學(xué)院均設(shè)置了材料成型與控制工程專業(yè)，非常強調(diào)對材料可成形性的仿真論證與優(yōu)化。目前，世界各國尤其是發(fā)達(dá)國家的高校和企業(yè)都高度重視材料成形的數(shù)值模擬仿真，沒有模擬仿真的支撐，就不允許開始設(shè)計模具[1,2]。在我國，高等院校對數(shù)值模擬仿真應(yīng)用研究較好，并通過產(chǎn)學(xué)研合作方式，幫助企業(yè)解決了大量的工程實踐問題。盡管仿真技術(shù)的重要性已經(jīng)被人們認(rèn)識，但是由于仿真分析軟件昂貴、分析人才缺乏等，目前只有少數(shù)大中型企業(yè)與科研院所購買了相關(guān)的正版軟件，并掌握了部分技術(shù)。國內(nèi)大多數(shù)成形制造類企業(yè)很少應(yīng)用數(shù)值模擬仿真技術(shù)。與國外企業(yè)相比，軟件技術(shù)應(yīng)用水平尚有明顯差距。

國外研究生教育非常注重應(yīng)用基礎(chǔ)知識教育，強調(diào)創(chuàng)新能力、研究潛力和實踐能力的培養(yǎng)，將創(chuàng)新思維、研究能力、實踐能力以及終生學(xué)習(xí)能力培養(yǎng)放在教育的首位，并有穩(wěn)定的實習(xí)基地和良好的實驗條件［3-9］。麻省理工學(xué)院材料類專業(yè)采用“研究生科研計劃活動”教學(xué)方法，即：博士生、碩士生和本科生一起進行科研訓(xùn)練和學(xué)術(shù)研討［3，10-13］。 日本高校注重創(chuàng)造性人才培養(yǎng)，增設(shè)創(chuàng)造性教育科目，并使其與專業(yè)科目相融合，形成完整的體系化課程結(jié)構(gòu)。

我國也正在逐步接受國外先進教育理念，并形成具有中國特色的創(chuàng)新教育體系。目前，我國高等教育的重點是培養(yǎng)高級創(chuàng)新型人才，這對創(chuàng)新教育理論研究、政策扶持與資金投入提出了更高的要求。目前非常需要大批具有堅實教育教學(xué)基礎(chǔ)理論，熟練掌握教育教學(xué)方法與現(xiàn)代教育心理，具備教學(xué)科研素養(yǎng)和富有創(chuàng)新精神的高校教師隊伍［14,15］。

中國和韓國培養(yǎng)研究生之間的差異在于，韓國大學(xué)研究生具有很強的自主學(xué)習(xí)能力，能夠在較短時間內(nèi)通過學(xué)習(xí)軟件來解決具體的工程問題，韓國高校對研究生進行了多樣性教學(xué)教育模式；值得欣慰的是，我國高校正在大力開展研究型學(xué)習(xí)教育方法的研究與實踐，改變傳統(tǒng)教育教學(xué)方式，努力培養(yǎng)創(chuàng)新型人才，如清華大學(xué)、北京大學(xué)、華中科技大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、上海交通大學(xué)等都取得了良好的教研效果［5，8，13］。

2 多樣性訓(xùn)練模式

2.1 工作目標(biāo)

調(diào)整和完善多種成形加工有限元仿真教學(xué)理論知識、軟件操作知識及實踐訓(xùn)練內(nèi)容體系，以培育和提升學(xué)生的高級仿真能力，同時激勵學(xué)生參加各種仿真競賽、學(xué)術(shù)研討與質(zhì)量論文撰寫。動態(tài)耦合高級仿真知識，培養(yǎng)學(xué)生全新的仿真創(chuàng)新能力和科研素質(zhì)，探索多學(xué)科交叉的材料加工領(lǐng)域高層次創(chuàng)新型人才的教育模式和訓(xùn)練方法，形成多層次創(chuàng)新人才培養(yǎng)新體系。

2.2 教學(xué)模式

2.2.1人才培養(yǎng)方案

我國對研究生培養(yǎng)與社會對高層次才需求之間的內(nèi)在關(guān)系關(guān)注不夠，還要進一步探索適應(yīng)工業(yè)、社會發(fā)展要求的人才培養(yǎng)模式。通過調(diào)研對材料加工高級仿真創(chuàng)新型人才需求量大的大型國有企業(yè)、軍工企業(yè)、研究院所，了解創(chuàng)新型人才的需求，探索材料加工工程、機械制造工程等制造類學(xué)科高級仿真人才的特征，界定工業(yè)材料加工研究生仿真創(chuàng)新能力特性。根據(jù)仿真人才需求特征，完善架構(gòu)沖壓、鍛造、粉體成型、鑄造、焊接和特種成形加工有限元仿真教學(xué)理論知識、軟件操作知識及實踐訓(xùn)練的教學(xué)內(nèi)容體系。

2.2.2多樣性教育模式與方法

培養(yǎng)模式是指在一定的教育思想和教育理論的指導(dǎo)下，為實現(xiàn)培養(yǎng)目標(biāo)而采取的培養(yǎng)過程的某種標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)造樣式和運行方式，它在實踐中形成了一定的風(fēng)格或特征，具有明顯的系統(tǒng)性與范型性。新型多樣性教育涵蓋沖壓、鍛造、粉體成型、鑄造、焊接和特種成形等工藝仿真教學(xué)理論知識、軟件操作知識，注重學(xué)生的有限元基礎(chǔ)知識，注重仿真實踐訓(xùn)練。

2.2.3利用工程課題研究提升學(xué)生的仿真能力

開展多種形式的產(chǎn)學(xué)研合作，在合作研究中發(fā)現(xiàn)企業(yè)需要解決的工程問題，鼓勵學(xué)生對具體工程實踐問題進行仿真分析，以培養(yǎng)學(xué)生主動學(xué)習(xí)、自我管理、不斷創(chuàng)新的能力。

2.2.4建立定量評價體系

評價體系的重要性，在于它既是培養(yǎng)質(zhì)量好壞的評判依據(jù)，又關(guān)系到教學(xué)主體的積極性。高級仿真人才能力培養(yǎng)模式效果不能簡單地用課題組鑒定、教師評分或?qū)W生評價來衡量。學(xué)生的獨立探索和創(chuàng)新能力是否得到提高，雖然很難進行定量評判，但是可以運用高級仿真人才能力培養(yǎng)模式的評價指標(biāo)譜圖，分析材料加工有限元數(shù)值模擬仿真教學(xué)模式的普適性及其相互關(guān)系。

2.3 教學(xué)特色

提升學(xué)生高級仿真能力的多樣性教育模式和訓(xùn)練方法，符合現(xiàn)代加工制造類工業(yè)發(fā)展對高級人才創(chuàng)新能力的培養(yǎng)要求。

強化材料、機械、電氣、計算機等知識交叉，由此凝練具體的仿真需求，以課題為高級仿真實踐培養(yǎng)主要依托，鼓勵研究生在具體工程實際問題的仿真實踐中強化主動學(xué)習(xí)、自我管理、不斷創(chuàng)新，深刻體會多場多尺度動態(tài)耦合高級仿真思想并持續(xù)提升仿真水平。

3 多樣化訓(xùn)練模式實踐

3.1 軟件和硬件建設(shè)

已建立基于研究所的碩博教學(xué)科研基地，形成了基于仿真訓(xùn)練內(nèi)容多樣性和訓(xùn)練形式多樣性的訓(xùn)練模式，培養(yǎng)畢業(yè)具備高級成形仿真能力的碩士80余名、博士10名；12年來研究所團隊獲得四項成形仿真軟件在西南地區(qū)的代理權(quán)，在國內(nèi)塑性成形仿真方面工程案例最多，擁有中國塑性成形仿真領(lǐng)域首席專家（中國鍛壓行業(yè)協(xié)會授予），受邀主編行業(yè)叢書《鍛造工藝模擬》、參編《中國鍛壓行業(yè)研究進展》。

2000年，依托“材料加工工程”碩士及博士點、“材料學(xué)”國家重點學(xué)科、“材料加工工程”重慶市重點學(xué)科，創(chuàng)辦重慶大學(xué)先進成形技術(shù)及裝備研究所，開展成形工藝與裝備方面的科研與教學(xué)工作，長期致力于應(yīng)用信息化、數(shù)字化、綠色化技術(shù)改造和提升汽車、摩托車、航空航天、船舶等制造業(yè)。同美國SFC、美國ETA、韓國ANYCAST、德國Simufact展開戰(zhàn)略合作，先后取得了體積成形仿真軟件Deform、板料成形仿真軟件Dynaform、鑄造成形仿真軟件Anycasting、軋制成形仿真軟件Simufact在西南地區(qū)的代理權(quán)，承擔(dān)對這些軟件最新版本的率先應(yīng)用體驗，承擔(dān)對這些軟件的大范圍推廣及各種技術(shù)支撐。

3.2 仿真類課程體系建設(shè)

以最先進的成形仿真分析軟件為教學(xué)科研資源，重慶大學(xué)成為繼上海交大國家模具工程技術(shù)中心、華中科技大學(xué)塑性成形模擬國家重點實驗室之后，在國內(nèi)較早開辦材料成形數(shù)值模擬仿真類研究生教育的高校之一。在國內(nèi)較早開設(shè)了碩士專業(yè)學(xué)位課程 《塑性成形模擬技術(shù)》、《液態(tài)與連接成形模擬技術(shù)》、《計算機在材料科學(xué)工程中的應(yīng)用》、《計算機輔助設(shè)計》以及博士學(xué)位課程《有限元法》，并且在本科生中開設(shè)了《塑性成形數(shù)值模擬》、《鑄造成形模擬技術(shù)》、《材料成形CAD/CAM/CAE》選修課。近12年來，研究所針對“當(dāng)前形勢下工科研究生需面向現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展需要”的培養(yǎng)新要求，完善架構(gòu)了沖壓、鍛造、粉體成型、鑄造、焊接和特種塑性加工有限元仿真教學(xué)理論知識、軟件操作知識及實踐訓(xùn)練內(nèi)容體系，對碩博創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式、培養(yǎng)方案進行改革與實踐，開展形式多樣的產(chǎn)學(xué)研合作，如實習(xí)制、科研項目制、聯(lián)合研發(fā)中心制、聯(lián)合碩士/博士/博士后工作站制、企業(yè)掛職制等，以合作研究項目為主要培養(yǎng)依托，在項目研究過程中從事大量具體工程實際問題的仿真分析，學(xué)生運用軟件分析解決具體成形質(zhì)量問題的能力迅速提高，由此不斷推動成形工藝的創(chuàng)新及優(yōu)化。由此，構(gòu)建出高層次仿真創(chuàng)新人才培養(yǎng)鏈條。

3.3 教研改革創(chuàng)新的部分成果

經(jīng)過2011年重慶市高等教育教學(xué)改革項目《體驗式教學(xué)模式下的工科素質(zhì)拓展研究》、2006年重慶市高等教育教學(xué)改革項目《材料成形及控制工程專業(yè)與校外實踐教育基地改革創(chuàng)新的研究與實踐》、2005年重慶大學(xué)實驗教學(xué)改革項目《模具 CAD/CAE實驗教學(xué)體系》、2010年重慶大學(xué)重點教學(xué)改革項目《研究型大學(xué)材料-機械學(xué)科交叉專業(yè)設(shè)計中多維聯(lián)動、并行把握的指導(dǎo)模式及實踐》、2010年度“重慶大學(xué)精品課程”《材料成形CAD/CAE/CAM》的開展，取得了一系列的教研成果，也積累了寶貴的實踐經(jīng)驗。

已經(jīng)在材料加工工程學(xué)科的研究生教育教學(xué)實踐中開展了形式多樣的教學(xué)改革、課題研究與實踐探索的教研活動。發(fā)表了研究生教育教學(xué)研究論文7篇，主編出版了研究生課程《塑性成形模擬》的教材《鍛造工藝模擬》，獨著出版專著（研究生課程教輔）《鎂合金熱塑性變形行為數(shù)值表征》，獲得2005年和2010年重慶大學(xué)教學(xué)改革項目、2006和2011年重慶市高等教育教學(xué)改革項目、第四屆中國教育教學(xué)創(chuàng)新成果獎一等獎、全國創(chuàng)新教育教學(xué)科研成果獎大賽一等獎的支持。指導(dǎo)2008年研究生科技創(chuàng)新基金《可控拉深筋對高強度板盒形件拉深性能的影響》、2011年研究生科技創(chuàng)新基金《與800MN水壓機工作特性匹配的TA15鈦合金DRX-流變動態(tài)耦合模型》、2012年重慶大學(xué)研究生科技創(chuàng)新基金自主研究項目《基于DMM-FEM的耐熱/難變形合金熱塑性穩(wěn)健變形參數(shù)與組織演化的協(xié)調(diào)控制機理研究》。并已經(jīng)將多樣性訓(xùn)練的培養(yǎng)方法貫穿于課堂教學(xué)、工程應(yīng)用實踐、學(xué)位論文指導(dǎo)等各個環(huán)節(jié)和部分，教學(xué)效果良好，由此受到校、學(xué)院、系等各級領(lǐng)導(dǎo)、教師和學(xué)生的良好評價。

4 結(jié)論

通過實踐與研究認(rèn)為，對于具有典型的材料-機械學(xué)科交叉特色的材料加工工程學(xué)科研究生，要提升仿真分析能力，一方面要大力推行研究型學(xué)習(xí)的教學(xué)訓(xùn)練方法，還要針對本專業(yè)的特色與市場需求，結(jié)合學(xué)生特點，著力進行多樣性教學(xué)訓(xùn)練模式實踐研究，以完善材料加工學(xué)科專業(yè)現(xiàn)代創(chuàng)新人才培養(yǎng)體系，促進材料加工工程領(lǐng)域多層次、多種類人才的成長。

[1]權(quán)國政，周杰，李軍超，羅鍵.模具研究生創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式[J].科教文匯，2009（6）：47-48.

[2]權(quán)國政，周杰，艾百勝.推廣數(shù)值模擬教學(xué)培養(yǎng)高層次材料成形類人才[J].中國科教創(chuàng)新導(dǎo)刊，2009（11）：45-46.

[3]陳學(xué)飛.西方怎樣培養(yǎng)博士——法、英、德、美的模式與經(jīng)驗[M].北京：教育科學(xué)出版社,2002：43-71.

[4]于富增.國際高等教育發(fā)展與改革比較[M].北京:北京師范大學(xué)出版社,1999：127-149.

[5]顧秉林.秉承實踐教育傳統(tǒng)加強創(chuàng)新能力培養(yǎng)提高學(xué)生全面素質(zhì)[J].清華大學(xué)教育研究，2006，27（1）：1-7.

[6]姜澄宇.創(chuàng)新極.研究型大學(xué)的使命與追求[J].中國高等教育，2006（1）：40-42.

[7]李嘉曾.美國推廣創(chuàng)造教育的特點與經(jīng)驗，外國教育研究，2002，29（2）：12-15.

[8]丁妍.日本高校創(chuàng)造性人才培養(yǎng)研究[J].清華大學(xué)教育研究，2005，26（6）：66-72.

[9]陳超，趙可.國外大學(xué)實踐教育的理念與實踐[J].外國教育研究，2005，32（11）：33-384.

[10]洪冠新.法國大學(xué)的研究生教育模式[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報：社會科學(xué)版,2007(S1)：76-80.

[11]高有華.美國研究型大學(xué)新課程教學(xué)方法的改革[J].遼寧教育研究,2007（11）：101-104.

[12]Presentation of Centrale Graduate School and International Strategy of Ecoles Centrale[R].Report from France，2006（6）.

[13]田蔚風(fēng)，馮暉，孫躍東.羅堯成.上海高校研究生教育優(yōu)質(zhì)資源共享的實踐與探索[J].學(xué)位與研究生教育，2010（8）：22-26.

[14]李元元.實施創(chuàng)新戰(zhàn)略構(gòu)建創(chuàng)新型大學(xué)[J].中國高等教育，2006（3／4）：16-186.

[15]陳至立.在教育部直屬高校工作咨詢委員會第十六次全體會議上的講話 (2006年1月19日)[J].中國高等教育，2006（3／4）：4-88.