圍繞工程設(shè)計的材料成型CAE課程教學(xué)改革探討

崔建中

【摘 要】材料成型的CAE分析在現(xiàn)代材料成型行業(yè)占據(jù)著十分重要的地位，對高校材料成型CAE課程進(jìn)行教學(xué)改革有助于提高材料成型與控制工程專業(yè)學(xué)生的整體工程設(shè)計能力。本文探討從教學(xué)方法、教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)效果評價等角度進(jìn)行改革思考，重點激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新活力，有效提升學(xué)生分析問題和解決復(fù)雜工程問題的能力。

【關(guān)鍵詞】材料成型;CAE技術(shù);工程設(shè)計;教學(xué)改革

中圖分類號： TH126-4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）31-0174-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.31.084

Research on Teaching Reform of Material Forming CAE Course Based on Engineering Design

CUI Jian-zhong

（Building Materials Research Institute，Yancheng Institute of Technology，Yancheng Jiangsu 224051，China）

【Abstract】CAE analysis of material forming is very important in modern material forming industry.Teaching reform of material forming CAE course from the institute should help increase the overall engineering design capacity of students who major in material forming and control engineering.The paper explores the reform strategy from the perspective of teaching methods，teaching contents and teaching effect evaluation，which focuses on stimulating students creativity.Then the ability of analyzing and resolving the compicated problems can be enhanced.

【Key words】Material forming;CAE technology;Engineering design;Teaching reform

0 引言

材料成型及控制工程專業(yè)屬于機(jī)械工程與材料工程的交叉學(xué)科，根據(jù)模具領(lǐng)域培養(yǎng)方向的需要，該專業(yè)主要為了培養(yǎng)從事材料成型工藝過程及設(shè)備控制研究的專業(yè)技術(shù)人才[1]。傳統(tǒng)的材料成型加工一般先后經(jīng)歷產(chǎn)品設(shè)計、模具設(shè)計、開模和試模等環(huán)節(jié)，需要經(jīng)過不斷的工藝條件優(yōu)化過程和模具設(shè)計方案修改，直到成型制品符合預(yù)期要求，導(dǎo)致設(shè)計周期的延長[2]。而CAE（Computer Aided Engineering，簡稱CAE）技術(shù)通過數(shù)值模擬手段預(yù)測并解決成型過程中的問題，極大地提高了新產(chǎn)品的開發(fā)速度。因此，為了適應(yīng)社會發(fā)展的需要，基于CAE技術(shù)的軟件應(yīng)用成為材料成型及控制工程專業(yè)以及其他工科類學(xué)生的必備技能，將占據(jù)愈發(fā)重要的地位。

目前，一大批高校紛紛開設(shè)了相應(yīng)的CAE軟件應(yīng)用類課程，以提升學(xué)生的就業(yè)競爭力。然而，學(xué)生僅僅熟悉了有關(guān)CAE軟件操作的流程，而對工程問題本身缺乏足夠深入的分析和研究，學(xué)生的工程實踐能力和創(chuàng)新設(shè)計能力并未得到有效的提高。因此，在教學(xué)過程中，需要將CAE軟件與具體的工程實踐結(jié)合起來，學(xué)生通過不斷接觸材料成型過程中的各種典型問題，加強(qiáng)主動意義的工程設(shè)計思考，提高借助CAE軟件解決實際工程問題的能力。

1 教學(xué)方法探討

材料成型CAE課程是圍繞軟件操作進(jìn)行的，具有很強(qiáng)的實踐性。學(xué)生在剛開始接觸CAE軟件時，可以按照書本上提供的范例進(jìn)行一步步地操作，將課堂知識轉(zhuǎn)變?yōu)椴僮骷寄?，在一定程度上提高了學(xué)生的軟件應(yīng)用能力，但由于該類課程不僅僅停留在軟件層面的熟悉，更需要學(xué)生具備一定的數(shù)學(xué)和力學(xué)基礎(chǔ)，同時，涉及的材料成型工藝?yán)碚撦^復(fù)雜，學(xué)生對所得到的求解結(jié)果存在一知半解的情況，存在“只知其然”的缺陷。

針對該情況，教師可以采取類似于翻轉(zhuǎn)課堂的模式，將基礎(chǔ)知識的傳授布置在課前進(jìn)行，而課堂時間重點放在如何將專業(yè)理論知識通過CAE軟件操作展開，以達(dá)到深入消化所學(xué)的材料成型理論知識。一方面，學(xué)生在課前就應(yīng)該把涉及的有關(guān)理論知識加以熟悉，在軟件操作時就可以有針對性地進(jìn)行發(fā)散式思維學(xué)習(xí)，做到“知其然并知其所以然”;另一方面，教師需要充分利用課堂時間講述CAE軟件操作過程和材料成型過程之間的相互銜接關(guān)系，重點突出影響成型結(jié)果的關(guān)鍵步驟的潛在意義，使學(xué)生理解基于CAE軟件的數(shù)值模擬擁有強(qiáng)大的工程價值[3]。

此外，在課堂教學(xué)過程中，教師還應(yīng)以書本范例為基礎(chǔ)，并有針對性地進(jìn)行概念拓展和任務(wù)延伸。例如，在教材里一個某型號手機(jī)殼模型的范例中，要求對其進(jìn)行流動分析，但書本中提供的步驟忽略了壓力沿厚度方向的變化，只考慮了流動方向壓力和厚度上的溫度變化，這樣的分析結(jié)果顯而易見不符合實際的流動情況。因此，在教學(xué)過程中，教師先提出問題，讓學(xué)生思考實際的流動過程還應(yīng)該考慮哪些細(xì)節(jié)，然后針對該范例進(jìn)行不同類型的分析，得到的分析結(jié)果因人而異，最后學(xué)生可以對自己的求解結(jié)果進(jìn)行理論解釋并加以完善。這樣的教學(xué)方式能讓學(xué)生體會到所學(xué)知識的力量，培養(yǎng)通過不同途徑解決問題的能力。

2 教學(xué)內(nèi)容探索

目前，材料成型CAE軟件課程教材主要圍繞某軟件的具體操作過程進(jìn)行，對于初學(xué)者而言，這樣的教材基本滿足學(xué)習(xí)的要求，但這樣的算例模型往往比較簡單，學(xué)生只需要按部就班地進(jìn)行操作，不需要過多思考模型、參數(shù)及條件的合理性，而實際工程問題比較復(fù)雜，需要分析人員綜合應(yīng)用各方面知識進(jìn)行優(yōu)化。為了滿足新時期培養(yǎng)工程素養(yǎng)的創(chuàng)新性人才的需求，需要對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整，具體可以從以下幾方面進(jìn)行探索。

1）調(diào)整課程設(shè)置。首先，由于材料成型CAE課程涉及的專業(yè)基礎(chǔ)知識較多，如材料科學(xué)基礎(chǔ)、材料力學(xué)性能等基本理論，學(xué)生需要深入理解并掌握該類課程;其次，增加有關(guān)數(shù)值計算、有限元方法等方面的課程，其中，學(xué)習(xí)有限元法課程重點在于理解有限元法的基本方法和基本流程，這有助于使抽象的問題具體化、工程化，有助于理解材料成型CAE課程的基本理論。學(xué)生通過對兩類課程的學(xué)習(xí)，可以將專業(yè)理論知識和現(xiàn)代工程設(shè)計理念相結(jié)合，提高該課程的學(xué)習(xí)效果。

2）以科研促教學(xué)?？蒲惺谴髮W(xué)活力的源泉，以科研促進(jìn)教學(xué)是提高大學(xué)教學(xué)質(zhì)量的重要途徑。在開展科研過程中，教師如果將最新的科研成果及時融入教學(xué)中，既豐富了課堂教學(xué)內(nèi)容，也提高了課程教學(xué)質(zhì)量[4]。以注塑成型為例，本研究團(tuán)隊目前的研究工作主要集中在注塑成型過程中的復(fù)雜、特殊現(xiàn)象及其背后的材料力學(xué)機(jī)理。教師不妨以其中的某個復(fù)雜現(xiàn)象為例，調(diào)動學(xué)生利用基礎(chǔ)理論知識積極思考其中的緣由，并通過某個模型為載體，啟發(fā)學(xué)生借助CAE軟件的分析模塊得到求解結(jié)果。最后學(xué)生可以將理論推導(dǎo)結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行比較，進(jìn)而討論其中的差別，通過這樣的科學(xué)訓(xùn)練，學(xué)生的工程訓(xùn)練能力將會得到極大的提高。

3）拓展開放實驗。CAE軟件學(xué)習(xí)需要時間的保證，離不開充足的訓(xùn)練和實踐練習(xí)。當(dāng)前由于教學(xué)改革層出不窮，有限的課堂教學(xué)時間只能保證扎實的理論基礎(chǔ)，而體現(xiàn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的開放性試驗則能夠激發(fā)學(xué)生探索科學(xué)問題的興趣。在具體實施時，可以編寫具有操作性強(qiáng)且目的明確等特點的實驗指導(dǎo)書，根據(jù)實驗對象要求差異，設(shè)置重難點內(nèi)容和一般內(nèi)容，突出實驗條件的設(shè)置和實驗結(jié)果的分析。需要注意的是，開放性實驗可以為最終的畢業(yè)設(shè)計課題提供源泉，CAE軟件應(yīng)用可在其中發(fā)揮重要的作用。以注塑模具為例，塑件制品結(jié)構(gòu)的好壞及注塑模具的設(shè)計優(yōu)劣都可以借助模流分析手段體現(xiàn)出來。學(xué)生如經(jīng)歷開放性實驗的鍛煉，則可以變被動為主動，初步具備一定的創(chuàng)新能力和實踐能力。

3 教學(xué)效果評價

對于材料成型CAE這種實踐操作性很強(qiáng)的軟件應(yīng)用類課程，學(xué)生在掌握該課程基本概念、基本原理和基本規(guī)律的同時，更多地應(yīng)該體現(xiàn)在能力訓(xùn)練和知識學(xué)習(xí)的有機(jī)結(jié)合，掌握如何應(yīng)用CAE軟件對某工程問題進(jìn)行全面深入的分析。

首先，對于材料成型CAE課程而言，最終的教學(xué)效果評價不能僅僅取決于最后的期末考試，應(yīng)該將平時的隨堂測試和最終的綜合測試兩方面結(jié)合起來，全面考查學(xué)生對軟件技能的掌握程度[5]。筆者通常的做法是將總成績認(rèn)定為平時的出勤及隨堂測驗、實驗報告以及期末綜合考核等環(huán)節(jié)，每個環(huán)節(jié)均設(shè)定相應(yīng)的權(quán)重值。

其次，CAE軟件應(yīng)用課程不同于其他課堂教學(xué)課程，測試的案例往往沒有標(biāo)準(zhǔn)答案，同一個案例達(dá)成目標(biāo)可以有多個實現(xiàn)途徑。為了精準(zhǔn)地反映每個學(xué)生的知識應(yīng)用能力和軟件掌握水平，老師應(yīng)該設(shè)計開放性的題目和差別化的考核方式，鼓勵學(xué)生針對具體的工程問題采用多個軟件應(yīng)用模塊及其組合進(jìn)行綜合分析，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣[6]。

再者，教師可以從相關(guān)企業(yè)的實際工程案例中設(shè)計考核題目，通過改變有關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)、設(shè)置不同的環(huán)境條件，讓學(xué)生按照指定任務(wù)進(jìn)行求解分析。在考核打分環(huán)節(jié)，企業(yè)的CAE工程師被邀請到答辯現(xiàn)場進(jìn)行綜合測評，這樣的考核方式為學(xué)生積累了大量的工藝參數(shù)，為學(xué)生踏入工作崗位夯實了專業(yè)基礎(chǔ)。

4 總結(jié)

目前，CAE技術(shù)已成為材料成型領(lǐng)域工程設(shè)計與研發(fā)領(lǐng)域必不可少的重要手段，愈來愈多的企業(yè)在產(chǎn)品量化投產(chǎn)前都要準(zhǔn)備CAE分析報告。因此，在實際教學(xué)過程中，教師應(yīng)該以工程設(shè)計為中心，在材料成型CAE課程的教學(xué)方法、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)效果等方面進(jìn)行教學(xué)思考和改革探索，重點培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用CAE技術(shù)手段獨立分析問題和解決問題的能力，使人才培養(yǎng)緊跟時代發(fā)展的步伐。本文研究的主旨對其他理工科專業(yè)的CAE軟件應(yīng)用課程教學(xué)均有一定的借鑒價值，為地方高校工科類專業(yè)學(xué)生的人才培養(yǎng)與就業(yè)提供了有效的解決途徑。

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