關于材料成型及控制工程專業引入計算機輔助工程分析的課程改革思考

彭 漩* 馬振武

（蘇州科技大學機械工程學院 江蘇·蘇州 215009）

0 引言

材料成型及控制工程（以下簡稱“本專業”）是教育部在1998年新專業調整時設立的專業，其專業方向涵蓋鑄造、焊接、塑性成形以及各類模具設計與制造[1]。本專業綜合材料科學與工程、力學、機械、電子與計算機應用等學科于一體，具有學科交叉滲透性強的特點，同時又注重工程實踐應用。本專業旨在培養寬口徑、厚基礎的高素質機械類人才[2]。

從以上專業特點，我們可以看到本專業畢業學生應該具有良好的發展前景。尤其是伴隨著“中國制造2025”戰略的實施，我國的工業體系逐漸向智能制造方向演變推進，各類企業對本專業高水平人才有很大需求[3，4]。然而本專業發展的現實情況是各個方面的反饋都差強人意，主要體現在：（1）學生畢業后從事本專業的比例低，對于繼續從事本專業的人員，因其工作內容簡單，或是沒有實質性的技術含量，造成其事業發展空間有限；（2）普通高等學校招生時本專業報考率較低，調劑比例逐漸增大，學生因為就業后的工作環境差或者待遇低下，不愿來本專業學習；（3）我國各類企業，尤其是中小型企業，對本專業高端人才需求強烈，人才缺口凸顯。很顯然，本專業的實際發展與最初設定的目標存在差距，與實際生產實踐又存在著脫節。

1 智能制造與本專業的聯系——計算機輔助工程技術

應該意識到造成本專業以上問題的原因是存在于多個方面，較為復雜，既有學生與家長對本專業認識不足，也與企業對本專業人才需求較為苛刻等各種因素。當然，相當一部分原因在于本專業培養方案與課程體系存在著不足，不能夠很好適應當前工業經濟發展的需要[5]。在當前工業強國、智能制造的背景下，本專業本科教學方案的設計，對人才培養與工業與社會發展尤為重要[6]。

智能制造強調了新一代信息技術與制造業的融合，具體體現在物聯網、云計算、大數據、數字孿生設計與等多方面對于制造業的滲透。其中，計算技術體現著智能制造的根本，是加速提升制造技術的源動力。從20市級70年代的CNC機床的初次應用，到現在市場上的廣泛使用；從多軸加工系統高精制造到聯合機器人與3D打印，不難發現，工業體系日新月異的變革背后的深層原因，離不開計算技術的發展與推動。并且其推動的速度遠超人們的理解。盡管科學研究每天都有重要的突破，制造行業每一項新技術的落地卻是一個逐步增長的過程，從資本運作到實際產線打通，是計算技術發揮作用的有效環節。計算密集型的制造體系將是工業4.0的主流。

本專業作為機械專業大類熱加工工藝及裝備設計的代表，其學科特征與智能制造有著天然的、與生俱來的聯系，這一點主要體現在計算技術的內容之一——計算機輔助工程（CAE）的應用上[7，8，9]。例如，本專業焊接方向，焊接熱輸入所造成的瞬態溫度場對結構應力與變形、材料組織變化的影響；鍛造方向，金屬高溫下變形流動與成型質量及模具設計的關系；鑄造方向：金屬冷卻凝固與工藝缺陷的追溯等等問題，在目前的工業生產中，都有相對成熟的CAE軟件進行模擬與設計。應該指出，我國多數高等院校都認識到CAE對于本專業的重要性，并有針對性的結合地方產業特色與學科建設逐漸進行改革，并取得一些成效。

作為計算機在制造業中成功應用的范例，計算機輔助設計（CAD）的在高等院校的發展以及在工業中的應用經驗值得思考與借鑒。當今社會，CAD已經深入到工業設計的核心環節，由CAD驅動的現代設計與制造體系，與過去手工設計的產業鏈相比，產生了翻天覆地的變化。CAD在企業中的廣泛應用離不開高校與職業院校對相應人才的培養。縱觀現在各大高校相關制造專業，發現其對CAD課程的引入及授課模式的探討已經非常成熟。上機實踐成為CAD課程的主要特色，并且學生學習的效果普遍較好。鑒于CAD課程的成功實踐，目前高校對CAE的主流培養方式基本上是參考了CAD的模式，即直接安裝比較成熟的工業軟件，如同CAD一樣，上機手把手操作。然而學生學習的效果卻大打折扣，走到工作崗位上，其利用工業軟件解決實際問題的能力也頗受限制。因此，筆者認為，目前針對本專業關于CAE課程的改革建設力度還不夠。就CAE在具體工程問題上的應用，遠不止于裝一個軟件、學習一下教程這樣簡單。也應該避免將CAE技術的應用等同于軟件學習，避免與專業技能的職業教育概念混淆。

2 課程體系規劃建議

筆者就CAE在本專業工程技術上的應用，提出如下規劃：

（1）在本科一年級完成高等數學、線性代數等數學基礎課程的學習，以及計算機程序設計語言的學習。數學是解決工程與自然科學問題的有力工具，有必要盡早夯實基礎；

（2）在本科二年級完成（計算）固體力學，（計算）流體力學，數值計算方法（如有限差分法，有限元法）的理論學習，并具備掌握利用計算機程序設計語言（如C/C#/python）對相關課程內容進行編碼的能力。

應該意識到，深入的CAE應用離不開對基礎算法的理解，而（計算）固體力學（如彈塑性力學）是塑性成形（鍛造成形、板料沖裁/沖壓）數值模擬的基礎；（計算）流體力學是液態成形（如鑄造，注塑工藝）數值模擬的基礎。而這些課程的學習始終貫穿著數值方法如有限元法的基本概念。本階段內容的學習，為之后工業CAE軟件與程序的應用，奠定了堅實基礎。

（3）在本科三年級，結合專業主干課程，如材料成型原理、機械設計原理、成料成型工藝、材料加工傳輸原理、金屬與冶金學等，利用相關工業軟件與程序對基本知識理論進行復現與講解。

實施本階段課程的學習，重點在于軟件計算結果與成型理論的深度結合。不難發現，現有的這些原理與工藝類課程存在大量文字描述，是一種半經驗、半理論的表達傳授，內容看似簡單，然而學生學習效果不好。主要是直接講解這些理論與經驗這種“填鴨式”教學，難以給學生留下深刻的印象，也難以激發學生的學習興趣[10]。所以，在總學時不變的基礎上，大幅壓縮課堂理論講解部分，而增加軟件上機操作，結合軟件計算結果講解，讓學生在親自動手之后去體會知識點，印象會更加深刻。

（4）在本科四年級，結合課程設計與畢業設計，利用先進工業軟件與程序分析與解決相對復雜的工程問題。

課程設計與畢業設計是對二、三年級所學知識的綜合，既要有利用軟件解決復雜工程問題的能力，又能夠利用基礎數學知識對計算結果的合理性進行評價，以及解決問題舉一反三的能力。工業CAE軟件利用的難點在于軟件使用者了解界面相關操作，卻難以理解軟件背后所涉及的數學模型以及程序模塊的組織架構。從這里看出，學生利用數學對工程問題進行抽象與建模的能力，離不開二年級數學基礎課程的學習與訓練。這一點既能夠體現本科教育綜合性，厚基礎，講素質的特點，明顯區別于職業教育。也體現了專業工程認證的需求，即體現了本專業的培養目標在于培養具有工程創新能力，具備分析、決策、解決專業領域復雜問題的能力的先進成型制造與工程管理經驗的高級人才。能夠運用數學，自然科學和工程基礎與專業知識解決復雜工程問題的能力。

3 其他問題

需要指出的是，以上規劃與論述只是側重于本專業與CAE相結合這一塊。然而本專業涉及其他課程，如電工電子技術、材料分析與測試技術及數控技術等依然需要受到重視。并且與實驗、實踐相結合必不可少。

此外工業成本管理，造價評估，產品數據管理等技術對于推動產業數字化，提升生產效益與產品競爭力有著極為顯著的效果。現在數字化企業的實現依賴以上各個元素，僅僅要求學生掌握CAE理論與應用并以此為培養目標顯然也不能夠培養出綜合性的技術與管理人才。并且CAE技術在本專業相關的產業領域的應用在我國還處于起步階段，如何真正能夠使企業認識到CAE對于降本增效，提升產品品質的作用；如何打通CAE在產業中困難阻礙的各個環節，使得CAE如同CAD技術一樣，成為工業設計不可缺少的步驟，是每一個本專業高等教育工作者亟待思考的問題。

4 結語

本文主要探討了深度培養材料成型及控制工程專業的CAE人才的課程建設問題。利用CAE以及相應的數字孿生技術進行設計與管理，是智能制造在本專業發展的趨勢。CAE技術的使用，是推動企業數字化的難點。突破這一難點的關鍵在人才的培養。如何在本專業培養寬口徑、厚基礎人才的初始目標下，提出一套適應當下生產智能化、數字化的產業體系所需人才的培養方案，任重而道遠。