圍繞材料成型全流程的CAE課程體系教學探索

崔建中，范潔

（1.鹽城工學院 機械工程學院，江蘇鹽城 224051；2.鹽城工學院 設計藝術學院，江蘇鹽城 224051）

機械工程學科既涉及運用最新的設計理論和制造技術創新研究新裝備和新工藝等，又包括探索針對已有機器幾何結構與物理性能的高可靠性設計與分析，而且包括從復雜制造過程和工況背景等系統運行條件分析其中關鍵零部件的多形式能量傳遞過程。以具有代表性的材料成型及控制工程專業為例，該專業是為了培養在材料成型工藝過程及裝備設計，尤其是模具設計制造領域，掌握材料塑性成型加工的基礎理論，具備利用現代計算技術實現復雜模具的計算機輔助工程分析和優化能力的人才[1]。從企業角度來說，現代企業對該專業人才的需求已逐步轉型，主要圍繞產品的成型工藝方案制定、材料成型性能分析、工藝參數優化以及產品質量預測等具體工程問題，要求人才具備利用現代數字化技術和數值模擬技術解決上述復雜工程問題的能力[2]。

近年來，CAE（Computer Aided Engineering，計算機輔助工程，簡稱CAE）分析技術已經在機械、土木、航空航天等領域獲得廣泛的應用，與傳統的材料成型加工工藝相比，借助CAE技術可實現重大裝備和工業產品的輔助分析、模擬與優化，是科學研究人員和工程師對產品進行升級換代的重要工具[3]。因此，為了配合人才培養和滿足企業用人標準的需要，圍繞CAE技術應用的專業課程學習、課程設計以及畢業設計是材料成型及控制工程專業以及其他工科專業必須要面對的人才培養環節，也是衡量人才培養質量的重要標準。

目前，鹽城工學院應用型人才培養的CAE課程體系建設問題主要表現在以下方面：有關基礎課程如數學、力學、三維參數化建模等設置欠缺或者學分不足；圍繞CAE技術的軟件工具應用僅限于課堂簡單案例的教學，缺乏與企業復雜工程產品的實際對接；仿真結果的工程化思維和應用拓展經驗基本缺失；工程設計知識的更新速度跟不上最新的科研進展，等等。因此，從應用型本科人才的就業角度來說，學生進入工作崗位后，仍然需要較長時間的培養才能獨立承擔某一具體項目的設計任務，這無疑對高校的人才培養和企業的用人需求都提出了挑戰。

課程體系是實現人才培養目標的載體，其構建質量將直接影響人才培養質量。立足于目前的人才培養問題，本文對面向應用型本科人才培養的CAE課程體系進行研究，以提高應用型人才培養的質量。

1 課程內容

從學科交叉的角度來說，材料成型專業包括機械工程學科中成型設備的自動控制以及成型工藝等，也包括材料工程學科領域的材料組織發展與力學性能的演化。因此，該專業在具體課程設置方面，需要綜合考慮這兩個學科的學科特點，并結合本專業的培養目標，從學科基礎、專業基礎、專業方向以及實踐實訓等方面對有關課程進行學時學分以及學習方式方面的調整和完善[4]。

從學科基礎性角度來說，著眼于新工科建設的要求，圍繞基于成果導向理念的工程教育專業認證標準，課程設置應該將新工科的新理念與傳統工科教育相結合，以跟蹤最新的理論與應用模式，并且與產業發展的需求相適應，以滿足產業發展對相應人才的需求[5]。因此，本專業既包括現代信息技術應用、信息檢索與文獻閱讀、程序設計與語言、外語等必修類課程，也包括現代自然科學類、就業指導類等通識教育類的選修課程[6]。

從專業基礎性角度來說，由于高校定位以及學生培養中始終存在學術性和應用性的區別，部分應用型高校在專業基礎類課程設置方面存在誤區，認為應用型人才培養只需開設與就業相關的實用專業課程即可，無須開設專業基礎課。但是，復雜的工程結構都涉及大量的專業基礎理論。以成型工藝缺陷為例，如果沒有深入挖掘背后的深層次原因，不可能徹底解決該缺陷問題[7-8]。因此，本專業應該設置力學類（包括理論力學、材料力學、流體力學、計算力學等）、數學類（包括高等數學、工程數學、計算數學等）、材料類（包括金屬材料、非金屬材料、有機高分子材料等）、計算機圖形學以及有限元分析理論等方面的課程。

從專業方向和實踐實訓角度來說，可根據不同材料成型原理、方法以及成型工藝等，并結合最新的先進材料成型工藝理論進行課程設置。具體課程設置既包括傳統的成型工藝課程（包括沖壓工藝、塑料工藝、壓鑄工藝），也包括現代成型工藝理論方法（比如快速成型技術）等。對于應用型本科人才培養而言，實踐實訓類課程是直接參與并完成整個項目或者案例的學習過程，可有效增強學生理論聯系實際的觀念，培養學生使用所學知識解決工程項目問題的能力，在專業培養中起著重要作用。針對CAE課程體系，該環節可設置圍繞各種成型方法的軟件上機課程，如模流分析仿真軟件Moldflow、金屬成型及熱處理仿真軟件DEFORM等[9-10]。

2 課程時序

時序指課程開設的時間和順序。在應用型本科人才工程能力培養的CAE課程體系中，時序包括基于某一學科知識的學習時序和應用研究能力培養的時序，體現了多維度的知識學習與課程時間的排序問題。如圖1所示，在傳統的課程時序安排中，僅對CAE課程體系進行了歸類，其他課程沒有安排在內。

圖1 傳統的CAE課程體系課程時序安排

從圖1可以看出，針對CAE課程體系的應用能力培養，該課程時序沒有強化數學基礎以及力學基礎理論，也缺乏對最新的工程研究現狀的把控，反映出CAE應用中缺乏有關材料成型的基本理論知識。首先，在第一學年，作為CAE工程分析的數學基礎，計算數學課程的設置對于理解有限元分析的思想起著十分重要的作用。如果對數值逼近、數值積分、線性方程組的數值計算等概念不了解，學生就無法理解其中的算法設置或者計算過程對于計算結果的影響，也無法實現對計算結果的深層次辨析。其次，在第二學年，材料科學基礎知識掌握程度直接決定后續圍繞CAE分析結果的工藝過程優化。以模流分析課程為例，很多學生在學完該課程后仍然對工藝優化概念較陌生，而材料成型過程中的溫度、壓力、速度以及時間等參數對成型過程的重要性不言而喻，材料的組織成分構成及其變換等影響規律對于成型質量好壞至關重要[11]，學生如果缺失上述專業理論知識，那么圍繞注塑成型過程的工藝參數優化就僅僅停留在簡單的定性分析，而基于若干材料科學基礎的定量分析是科學分析的必要環節。第三，在最后的畢業設計環節，很多學生僅僅停留在對具體對象的分析過程，未開展合理解釋分析結果以及對已有結構的優化更新等，缺乏對有關知識點的靈活應用。因此，從課程時序方面，應該針對部分學科的基礎理論知識增加學時，或者結合專業培養方向增設部分選修課時，以提高學生的理論基礎，如圖2所示。

圖2 改進后的CAE課程體系課程時序安排

從圖2可以看出，改進后的CAE課程體系在課程時序安排方面，顯著增加了部分基礎理論學科的學習。首先，在第一學年，數學類課程增設了計算數學課程，如果第一學年課務安排較重，可以將該課程安排到第二學年，該課程主要包括線性方程的數值求解，常微分方程以及偏微分方程的數值求解（包括有限差分法、有限單元法），解的存在性、唯一性、收斂性和誤差分析等理論問題[12]，學生可以通過該課程的學習掌握利用計算機求解有關的數學和邏輯問題；另外，還需要增設信息檢索與文獻閱讀課程，主要目的是啟發學生自主了解材料成型領域內的國內外最新研究動態，熟悉有關研究方法和工具，以便于在學習有關理論課程時有針對性地重點關注涉及的知識點，以及圍繞某研究方法中出現的多學科知識布局。

其次，在第二學年，增設用于注塑件成型分析的流體力學課程，可幫助學生理解熔融液體進入型腔后的流動規律，以及流體自身的液體性質對成型質量的影響；計算機圖形學的學習是幫助學生理解CAE分析中網格劃分的原理和方法，該課程的可視化內容是將科學計算中的中間或者最后結果用測量得到的數據以圖形形式直觀表現[13]，以便于后期分析結果的直觀對比；計算力學是根據力學理論，利用計算機和數值方法解決力學中的實際工程問題，其中的有限元法和有限差分法是代表性的兩種方法，這部分內容的學習與第一學年的計算數學課程形成前后呼應，可以使學生更好地理解數值計算方法在材料成型數值模擬過程中的應用背景。

最后，針對應用型高校的本科生，圍繞CAE課程體系的校企合作產品研發，離不開材料成型的實訓類課程，這類課程在現有的課程體系中還有較大的提升空間。以注塑材料成型過程為例，根據注塑行業、企業發展要求以及“卓越工程師計劃”要求開展的綜合訓練，應該成為人才培養的重要渠道，但由于課時以及課程體系的限制，注塑成型全流程的學習還需要依賴CAE課程體系的繼續完善。

3 課程結構

應用型本科的教學是以提升就業能力為目標來構建課程體系，但是也不能簡單地把該類人才培養歸類為生產一線的技術人才，如何厘清應用型本科人才和生產一線技術人才之間的區別和聯系，則主要體現在課程結構的設置方面。現有的課程體系主要包括兩類：（1）樹杈形結構——基于“學科”的知識體系；（2）網狀結構——基于“目標”的知識體系；（3）“樹杈形+網狀”結構。以學術型人才培養方案為例，培養目標重點圍繞學生基礎研究能力或者應用研究能力，主要以理論知識和邏輯推演為核心，培養學生通過已有知識自主發現自然規律的能力，該類培養方案的系統性較強。因此，一般而言，學術型人才培養的課程體系可歸類為樹杈形結構[14]。

生產一線的技術人才需要快速、徹底地解決生產現場出現的各類復雜工程技術問題，因此，應用型本科人才培養應該以應用技術開發和實際難題的解決為主，側重培養學生的實際技術應用能力，而強調基礎研究能力的樹杈形課程結構并不能有效指導應用能力的培養。因此，課程體系結構應該兼顧學科知識的學習和局部應用能力的培養兩方面，所以，基于“目標”的網狀課程結構，與有限元法的網格單元相似，在網狀結構中，學科知識的學習可以看成網格單元中的“節點”，而應用能力的培養則類似網格單元的“單元邊界”，如圖3所示。從圖中看出，整體應用能力的培養需要綜合多個知識點以及多個局部應用能力的培養，顯示出零碎知識點的巧妙融合，體現了多知識點的交叉應用。

圖3 有限元法網格

該體系以復雜問題的解決為導向，以實際的科研項目為線索，以應用能力的培養為核心，將學科知識的學習融于應用能力的培養。需要注意的是，學科知識的學習與應用能力的培養之間的融合既可以發生在課程內，也可以發生在課程之間。因此，一門課程不再是相對獨立的知識節點，兩門課程之間存在有機聯系，這樣的網狀課程體系使得任意兩門課程之間存在一條最短路徑，然后課程類型或性質的區分不再重要，整個課程體系成為一個有機的整體。所以，課程體系的結構是關于如何培養高質量應用型人才的深層次課程關系問題，無論是制定人才培養方案的教師，還是任課教師，都應該有意識地強化知識點的融會貫通，啟發學生開展針對某個問題的技術研討。

以CAE課程體系中的注塑成型模流分析為例，注塑件存在熔接痕缺陷，這是由于熔融的流體流程較長，或者流體的溫度和壓力不足，當充模不滿時就會導致顯著的凹槽。在課程體系設置時，以解決充模過程中的熔接痕問題為導向，借助模流分析軟件Moldflow對該注塑件進行建模分析。首先，需要學生之前修過計算數學、材料力學、流體力學、有機高分子材料、有限元分析理論、計算機圖形學、三維建模及幾何工程圖、注塑成型工藝等課程，涉及的知識點較多，并且知識點之間的融合度較大。因此，課程教學不能僅停留在傳統的課程體系中，比如在教授計算數學時，應該把有關數值求解的精度和效率等問題融入課堂教學，以該典型案例為代表，通過不同數值計算過程對計算結果的影響，啟發學生主動探索有關知識點的學習，甚至挖掘更好的數值計算方法；又比如在有機高分子材料課程的學習時，以該典型案例為代表，讓學生對引起熔接痕不同表現方式的幾種材料進行對比分析，強化學生對材料在注塑成型中重要作用的認識。

這種開放性的網絡課程結構不僅有效提高了學生解決復雜工程問題的能力，而且為最終的畢業設計課題提供了更多的主動案例選擇。以科研促進教學是提高大學教學質量的重要途徑，如注塑成型過程背后的多層面復雜機理推導，學生通過多課程知識點的發散性思維訓練，則可以變被動為主動，逐步掌握基于課程體系的多角度知識點解決實際問題的方法。

4 結語

目前，隨著企業產品開發技術的不斷升級，CAE工程應用與CAD/CAM/CAPP/PDM/ERP一起，已經成為支持工程領域多項多態介質耦合、多物理場耦合以及多尺度耦合分析的重要技術手段，促使技術人員以基于數字化模型，對分析對象的物理行為進行工程分析，并對零部件的強度、剛度、穩定性和疲勞壽命等性能進行預測，對產品創新能力的提升具有重要意義。本文以材料成型及控制工程專業為例，從培養應用型本科人才的工程應用能力角度出發，旨在最大限度挖掘應用型本科高校CAE課程體系的教學潛力，對其他理工科專業的CAE工程應用課程教學也有參考價值，形成了“厚基礎、重體系、寬能力”的人才培養格局，為地方應用型本科人才培養與畢業生就業提供了有效的評價方式，對于機械工程專業或者材料工程專業的建設與人才培養具有積極意義。