基于CES EduPack軟件的課程建設與教學實踐

呂慶功, 許文婧, 秦 子, 牟仁玲,李欣欣

(北京科技大學 高等工程師學院, 北京 100083)

工程材料是人類賴以生存和發展的物質基礎,在產品設計中如何恰當選用工程材料,以滿足產品的市場適應性、技術可行性、經濟合理性和環境友好性的要求,是產品設計教學、產品開發、產品生產和產品使用各部門共同關注的問題[1-4]。然而,工程材料種類繁多,屬性差異很大,在選用過程中需要采用正確的思路和方法,并掌握一定的技能,方可高效準確地開展工作,達到預期的效果[5-8]。英國劍橋大學Ashby教授技術團隊開發的CES EduPack教學軟件具有豐富的材料和工藝的屬性數據,同時配置有便捷實用的輔助選擇功能和插件,適于開展工程材料選擇方面的實踐類課程[9-11]。北京科技大學于2014年引進了該軟件,安裝于鋼鐵生產全流程虛擬仿真實踐教學平臺(國家級虛擬仿真實驗教學中心)的50個教學終端,并基于該軟件開設了公共選修課“工程材料優選”。本文介紹CES EduPack教學軟件的特點以及基于該軟件的課程開設和教學應用情況,旨在及時總結教學經驗,提升認識水平,持續提高工程實踐教學質量。

1 CES EduPack軟件的特點

該軟件提供了豐富且易于理解的材料和工藝的屬性數據庫,配置有瀏覽、搜索、選擇、生態分析等功能模塊,便于引導學生探索和理解材料世界,可支撐材料、工程、設計和可持續發展等方面的教學活動。

1.1 豐富的材料和工藝屬性數據

CES EduPack提供了3個級別的材料數據庫以及相應的工藝數據庫。其中,一級數據庫包含60多種常用材料和70多種常用制造工藝的基本信息和關鍵屬性數據,適于入門級學生初步了解材料世界。二級數據庫包含100多種材料和100多種制造工藝的信息和屬性數據,可以幫助學生理解不同材料和工藝的作用,并學習選擇材料和工藝的基本技能。三級數據庫具有3 900多種材料和200多種制造工藝的詳細信息和屬性數據,旨在幫助高年級學生在產品設計項目中理解材料和工藝的特性,掌握恰當選擇材料和工藝的方法和技能。

材料和工藝數據庫采用了家族樹架構,設有家族、類、子類、成員和屬性記錄單等層次,其中屬性記錄單是數據庫的基本組成單元,記錄了材料和工藝的基礎信息和屬性數據。材料記錄單記錄材料的力學、熱學、電學、光學、化學等性能數據,而工藝記錄單則記錄產品的形狀、尺寸、公差、粗糙度、批量、成本模型等信息。

除了軟件自帶的數據庫信息,學生還可以創建全新的材料和工藝記錄單,以便記錄新材料和新工藝的屬性數據,甚至可以根據研究和學習的需要提出理想材料和工藝的記錄單。同時,對于每種屬性,軟件還提供了詳細的科學原理解釋,鼓勵學生通過類似教科書形式的科學備注信息和前往教材的鏈接來深入了解科學原理和規律。

1.2 便捷的瀏覽、搜索和選擇功能

CES EduPack軟件提供了便捷的瀏覽、搜索和選擇功能。

瀏覽功能是基于樹狀索引結構,分門別類地呈現材料、工藝以及相應的屬性數據,而且學生可以很方便地在各級各類數據庫之間切換。以三級數據庫為例,軟件提供了材料、工藝、生產商、數據來源、形狀類型等多種分類入口,且在每個分類里又設了多個子分類,比如材料分類里又分了全部材料、陶瓷材料、金屬材料、泡沫材料、塊體材料等多個子類別,大大提高了瀏覽效率。

搜索功能模塊支持關鍵詞搜索,軟件會反饋所有出現該關鍵詞的記錄單,而且按照材料庫、工藝庫、生產商、數據來源等類別進行分類呈現,非常便于搜索、瀏覽和數據閱讀。

選擇功能是CES EduPack軟件的核心功能,提供了圖選、限選和樹選3種選擇路徑。采用圖選路徑時,軟件提供了泡泡圖和條形圖(見圖1)2種可視化表達工具,并配置有多種輔助選擇的插件,學生可借以針對不同屬性或屬性組合對不同材料和工藝進行比選。采用限選路徑時,學生可以選擇屬性的類型并輸入相應的限制閾值,從而遴選出符合要求的材料或工藝。采用樹選路徑時,學生可以按照樹狀結構限定選擇的范圍。每種選擇路徑可以建立多個選擇條件,多種選擇路徑的選擇條件可以“或/與”組合,從而快速縮小選擇范圍。

1.3 設計導向(Design-Led)的選擇策略

CES EduPack軟件的應用是基于以產品設計為導向的材料和工藝選擇策略,即選擇的起點是產品的市場需求和設計要求(見圖2)[9]。產品設計的過程是：首先要初步設想關于產品的概念,如果經過初步的調研和評估認為概念可行,即可進入具體化階段,包括選擇工作原理、確定尺寸和布局,以及初步預測性能和成本。如果具體化階段的成果令人滿意,則可繼續進入詳細設計階段,包括：性能優化、關鍵部件分析、詳細圖紙設計等。當然,設計過程并不是線性的,如果某個步驟的設計成果不令人滿意,則可能需要返回上一個步驟。

材料和工藝的選擇是與產品設計過程并行發生的,選擇過程不僅要考慮產品設計的需求,還要考慮材料和工藝屬性的相互匹配。最初二者的選擇范圍都比較寬,需要考慮所有的候選對象。隨著產品設計的細化,對材料和工藝的要求越來越明確具體,則符合要求的材料和工藝也越來越少,經過層層篩選后可形成備選材料和工藝的短名單,最終由設計者綜合比選后確定選擇方案。

圖2 設計導向的材料與工藝選擇路徑

基于CES EduPack軟件的材料和工藝選擇包括4個步驟,即：處理(transaction)、篩選(screening)、排序(ranking)和文檔(documentation)。以材料選擇為例,處理是把設計要求轉化為選擇材料的具體說明,即提出明確的限制條件和優化目標,這是材料選擇篩選和排序的必要前提。然后,通過篩選把不符合限制條件的材料排除掉,排序則是把幸存材料按照對優化目標的符合度進行排列。最后一步是文檔,對有希望的候選材料進行深度分析,檢查其使用情況和失敗案例以及如何用其進行產品的最佳設計和生產制作。工藝選擇的步驟與材料選擇類似,只是關注對象從材料屬性轉換為工藝屬性。

1.4 基于產品生命周期的生態分析

來自地球資源的礦石原料被加工提取而生產出材料,材料又被加工制作成有使用價值的產品,產品被運輸和使用,在其生命終點被丟棄、循環利用、焚燒或填埋處理,這就是產品的生命周期。產品在其生命周期的各個節點會消耗一定的能源和材料,同時會產生廢氣、廢液和廢固等廢棄物,造成了環境損害。

通過CES EduPack軟件的Eco Audit模塊輸入產品的材料、生產、運輸、使用和廢棄處理等生命周期各個節點的相關特征數據,經軟件分析即可得到各個階段的生態壓力水平,進而引導產品設計者針對重點環節優化設計方案,實現產品在整個生命周期對環境影響總體最小化(見圖3)[10]。

圖3 基于產品生命周期的生態分析策略

不同的產品在其生命周期的不同階段,其能源消耗和環境影響的強弱分布也會不同,產品設計者通過生態分析發現能源消耗和環境影響比較嚴重的環節,進而采取相應措施減小相應環節的能源消耗和環境影響,有利于提高設計效率,改善產品的生態屬性。

2 課程設計方案

2.1 課程目標

本課程為公共選修課,主要目的是讓學生了解工程材料的分類和屬性,熟悉工程材料選擇的思路和方法,掌握工程材料選擇的技能,理解基于產品生命周期的生態分析方法,進而樹立節能環保、可持續發展的理念和意識。通過本課程的學習,學生可以根據產品設計要求選擇產品的材料,選出與產品和材料匹配的工藝,初步核算和比較生產成本,并基于產品生命周期進行生態影響分析,最終完成材料優選方案。

2.2 課程內容

課程的教學內容主要包括材料與屬性、材料選擇、工藝選擇和生態分析4個部分。

2.2.1 材料與屬性

該部分的教學目的是讓學生建立對材料典型屬性的感性認識,認知材料家族樹。在教學內容方面,主要以范例形式介紹材料屬性,使學生建立對不同材料屬性的感性認識。通過介紹和分析材料家族樹和材料記錄單,讓學生了解材料的分類和屬性特點。

該部分的要點是：

(1) 材料屬性的指標個數不宜太多,重點是建立學生對典型屬性(密度、強度、剛性、韌性、塑性、導電性、導熱性、耐熱性、耐蝕性、耐磨性、抗疲勞性)的感性認識,要結合圖文資料進行介紹,并安排課堂作業讓學生在CES EduPack軟件中查詢材料屬性；

(2) 對材料家族樹要重點介紹,結合軟件中的泡泡圖和條形圖說明各類材料在屬性上的典型差異,該部分可安排課堂作業。

2.2.2 材料選擇

該部分的教學目的是讓學生了解材料選擇與產品設計的基本關系,熟悉材料選擇的基本步驟。教學內容主要包括：材料選擇與產品設計的關系；材料選擇的4個基本步驟：處理、篩選、排序和文檔。

該部分的教學要點是：

(1) 關于材料選擇與產品設計的關系,要結合產品設計步驟進行對應說明,讓學生理解材料選擇的意義和目的；

(2) 在材料選擇的步驟方面,重點學習第一步“處理”,要結合案例做充分的介紹和練習。

2.2.3 工藝選擇

該部分的教學目的是讓學生了解材料與工藝的相互關系,理解工藝的屬性以及工藝對材料屬性的影響,掌握工藝選擇的步驟,熟悉產品成本的組成要素和分析方法。教學內容主要包括：工藝選擇的基本步驟：處理、篩選、排序和文檔；產品的成本模型。

該部分的教學要點是：

(1) 簡要說明工藝對材料性能的影響機理,建立“成分+工藝=組織+性能”的基本概念；

(2) 工藝選擇的步驟,應重點介紹第一步“處理”,要有課堂練習；

(3) 重點講解和練習產品的成本模型。

2.2.4 生態分析

該部分的教學目的是讓學生理解基于產品生命周期的生態分析方法,進而建立節能環保、可持續發展的理念和意識。教學內容包括：地球上材料資源的消耗趨勢；產品生命周期的概念；基于產品生命周期的能源消耗分析方法。

該部分的教學要點是：

(1) 基于圖示介紹產品生命周期過程,讓學生了解產品的材料、生產、運輸、使用、廢棄和回收利用等過程；

(2) 熟悉基于CES EduPack的Eco Audit模塊,以案例方式學習生態分析的過程和方法；

(3) 強調什么是負責任的產品設計,以及節能環保和可持續發展的理念。

2.3 教學方式與考核方法

本課程設16學時1學分,面向全校本科生開放,不限專業,不限年級。課程基于CES EduPack軟件(英文),全部在虛擬仿真實驗室上課,講授與上機實驗緊密結合。前8個學時4大節課(每大節課2學時)的講授和上機實踐時間各占50%,教師要提前準備上機實驗的題目,學生在教師指導下上機實驗。另外8學時用于學生自選產品，并在教師指導下完成產品選材報告,報告內容包括產品描述、材料選擇、工藝選擇、成本分析和生態分析。

學生在前4大節課上課時,每學完一大節課即寫1篇學習日記,共計寫4篇。后8學時的產品選材實踐按自愿分組進行(每組不超過5人),以便鍛煉學生的團隊合作意識。教師要提前準備教學案例供學生參考,在第5節課之前組織學生分組,最后一節課提交報告并組織答辯和答疑。

課程成績按平時成績50%和選材報告成績50%。平時成績依據4篇學習日記和平時考勤情況進行打分,選材報告成績由教師根據報告編寫和答辯情況進行打分。

3 教學應用情況

3.1 選課情況

2015—2017年,全校有4個年級43個專業共116名本科生選修了“工程材料優選”課程。其中,大一學生52人,大二學生28人,大三學生24人,大四學生12人。選修學生的專業按選修人數多少排序包括機械工程(15人)、材料科學與工程(11人)、土木工程(9人)等。另外,選課的男生有87人,女生有29人,男女生比例為3∶1。

3.2 學習日記

學生的學習日記記錄了學生在課程學習中對教學內容的理解和疑問,同時也記錄了學生的學習感悟和對課程的評價。下面是節選的部分學習日記的內容：

(1) 結合軟件操作的學習,富有實踐性和探索性,全英文界面具有挑戰性。

(2) CES EduPack軟件功能強大,在眾多材料中可方便快捷地找到符合要求的材料,著實很智慧。

(3) 工藝成本模型是我在專業課中未學過的內容,基于CES軟件的案例學習加深了對工藝成本的理解,收獲頗豐。

(4) 第一次接觸產品的生態設計理念。通過學習認識到,產品與生態息息相關,作為未來的工程師,建立起產品的生態意識很有必要,大開眼界。

(5) 這個軟件展示了海洋般的資料儲備、條理分明的程序設定以及高效的處理方法。

3.3 選材報告

截至2017年底,本課程共收到選材報告16份,涉及的產品包括花瓶、不銹鋼碗、軟猬甲背心、二級齒輪減速器、雨傘等14種。每份報告均按照課程講授的選材步驟完成了大綱要求的產品描述、材料選擇、工藝選擇、成本分析和生態分析等內容。選材報告的平均成績為85分,其中90分以上12人,80分以上90分以下55人,70分以上80分以下1人,低于70分的2人,沒有不及格情況。

3.4 教學交流

在基于CES EduPack軟件開展課程建設和教學實踐的同時,還積極開展相關的教學交流。2014—2018年,先后有8人次赴英國劍橋大學參加了國際材料教育研討會(International Materials Education Symposium)及CES EduPack培訓學習。2016年,在北京科技大學主辦的“可持續性工程教育教學與實踐”國際研討會上報告交流了基于CES EduPack軟件的課程建設與教學應用情況。同年,在鋼鐵生產全流程虛擬仿真實踐教學平臺舉辦了“工程材料優選軟件(CES EduPack)工作坊”活動,校內外100多位師生前來學習和交流了基于CES EduPack軟件進行工程材料優選的方法和技能。

4 結語

本文所述的課程建設和教學實踐是在我校引進劍橋大學CES EduPack教學軟件的基礎上開展的。CES EduPack的豐富的材料和工藝屬性數據、便捷的使用功能、設計導向(Design-Led)的選擇策略，以及基于產品生命周期的生態分析(Eco Audit)模塊,為開展基于軟件、豐富數據和案例、分組實踐學習和編寫報告等教學方式的應用提供了很好的支撐。基于該軟件開設的實踐類公共選修課“工程材料優選”可以使學生了解工程材料的分類和屬性，熟悉工程材料選擇的思路和方法，掌握工程材料選擇的技能，理解基于產品生命周期的生態分析方法,進而樹立節能環保、可持續發展的理念和意識,達到了教學目的。從世界頂級高校引進成熟軟件并基于軟件開設課程的做法，以及在此基礎上開展相關的國際交流活動,有助于促進工程實踐教學的國際化,開闊教師和學生的學術視野。