卓越計(jì)劃的材料成型數(shù)值模擬的課程改革

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摘要：為適應(yīng)教育部卓越工程師人才培養(yǎng)模式，針對(duì)材料成型及控制工程專業(yè)的特點(diǎn)，在分析了“材料成型數(shù)值模擬”課程特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，開(kāi)展了在材料成型數(shù)值模擬課程改革中合理運(yùn)用多媒體教學(xué)、增加實(shí)際案例教學(xué)、采用啟發(fā)式教學(xué)、充分利用虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)等教學(xué)手段，提高了學(xué)生的主動(dòng)性和創(chuàng)造性，取得了較好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：卓越計(jì)劃；材料成型數(shù)值模擬；課程；教學(xué)改革

“卓越工程師培養(yǎng)計(jì)劃”是教育部2009年推出的一項(xiàng)重大教育改革試點(diǎn)項(xiàng)目，該計(jì)劃旨在培養(yǎng)造就一大批創(chuàng)新能力強(qiáng)、適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需要的高質(zhì)量各類(lèi)型工程技術(shù)人才，為國(guó)家走新型工業(yè)化發(fā)展道路、建設(shè)創(chuàng)新型國(guó)家和人才強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略服務(wù)[1]。西南石油大學(xué)材料成型學(xué)科為滿足四川省經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及石化行業(yè)對(duì)材料成型及控制工程專業(yè)人才的需求，結(jié)合學(xué)校的專業(yè)辦學(xué)指導(dǎo)思想，依托材料學(xué)科的優(yōu)勢(shì)，制定了我校材料成型及控制工程專業(yè)定位如下：秉承夯實(shí)基礎(chǔ)、注重創(chuàng)新意識(shí)、接觸前沿的理念，以材料成型理論為基礎(chǔ)，兼顧相近學(xué)科之間的交叉和融合，服務(wù)于地方經(jīng)濟(jì)及石化行業(yè)，建設(shè)成為培養(yǎng)材料成型及控制工程專業(yè)高級(jí)工程技術(shù)人才的工科專業(yè)。從2013—2014級(jí)，獲得四川省支持，開(kāi)展“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”研究與實(shí)踐，2013—2014級(jí)設(shè)置了卓越工程師特色班。

一、課程教學(xué)特點(diǎn)

在材料成型專業(yè)中利用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)可以模擬分析材料成型中很多由實(shí)驗(yàn)手段無(wú)法解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，但由于材料成型專業(yè)方向的特點(diǎn)決定了該專業(yè)方向的數(shù)值模擬技術(shù)會(huì)涉及成型專業(yè)知識(shí)、力學(xué)、模擬軟件、數(shù)值分析方法等學(xué)科知識(shí)，并需要具備一定的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，才能對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行合理的分析，而這些都是本科階段學(xué)生所欠缺的[2][3][4]。為適應(yīng)未來(lái)社會(huì)、企業(yè)對(duì)應(yīng)用型人才的需求，基于卓越工程師人才培養(yǎng)模式的改革與探索，在分析卓越計(jì)劃支持下材料成型數(shù)值模擬課程在材料成型專業(yè)本科階段教學(xué)特點(diǎn)基礎(chǔ)上，我們前期采用了有針對(duì)性的靈活多樣的課堂教學(xué)手段，充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生的積極性，并利用第二課堂發(fā)揮他們的主動(dòng)性和創(chuàng)造性，實(shí)踐證明教學(xué)效果良好。

二、精心組織課堂教學(xué)

1.合理運(yùn)用多媒體教學(xué)。材料成型數(shù)值模擬課程是在材料成型基本原理工藝的基礎(chǔ)上結(jié)合數(shù)值模擬技術(shù)。該課程內(nèi)容寬泛、概念性強(qiáng)、實(shí)踐操作要求高。傳統(tǒng)的課堂授課模式，即采用“教師—黑板—學(xué)生”的教學(xué)模式，會(huì)讓學(xué)生感覺(jué)比較單調(diào)和枯燥，在對(duì)課程案例教學(xué)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，完成課程多媒體課件的制作，在課堂教學(xué)實(shí)踐中充分利用多媒體技術(shù)，在課件中將相關(guān)音頻和動(dòng)畫(huà)視頻結(jié)合，例如演示各種工藝原理動(dòng)畫(huà)和生產(chǎn)視頻，讓學(xué)生身臨其境學(xué)習(xí)，克服了學(xué)生生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)缺乏的問(wèn)題，使課堂“教”與“學(xué)”得到良好的協(xié)調(diào)，對(duì)于學(xué)生理論應(yīng)用能力奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在多媒體使用過(guò)程中，也盡量避免了簡(jiǎn)單的播放PPT來(lái)組織課堂教學(xué)。由于本課程與設(shè)計(jì)軟件的應(yīng)用及操作結(jié)合非常緊密，除了運(yùn)用常規(guī)的PPT組織教學(xué)外，軟件的實(shí)際操作演示也是必不可少的環(huán)節(jié)。此外，錄像、光盤(pán)和網(wǎng)上資源也可以用來(lái)豐富課堂教學(xué)形式。2.增加實(shí)際案例教學(xué)。由于該課程與生產(chǎn)實(shí)踐結(jié)合比較緊密，因此教學(xué)過(guò)程中將教師完成的相關(guān)科研工作經(jīng)歷結(jié)合到課堂教學(xué)中，體現(xiàn)了理論和實(shí)際的結(jié)合，也成了該課程教學(xué)的特色之一，例如介紹了目前最新X90、X100等高強(qiáng)鋼的組織性能特點(diǎn)以及冷彎工藝的難點(diǎn)，將數(shù)值模擬技術(shù)應(yīng)用到冷彎工藝制定過(guò)程中。通過(guò)對(duì)這些實(shí)際案例的分析和討論，學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn)將書(shū)本上所學(xué)的理論知識(shí)運(yùn)用到實(shí)際問(wèn)題的解決之中離他們并不遙遠(yuǎn)，激發(fā)了他們學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)生分析解決問(wèn)題的能力和信心。3.采用啟發(fā)式教學(xué)。教育理論家曾明確指出：“最有效的學(xué)習(xí)方法就是讓學(xué)生在體驗(yàn)和創(chuàng)造的過(guò)程中學(xué)習(xí)”，根據(jù)成型專業(yè)及該課程特點(diǎn)，在指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)的過(guò)程中，注重因材施教，積極實(shí)行啟發(fā)式、討論式、教學(xué)做相結(jié)合等多種教學(xué)方式。在授課過(guò)程中除了引導(dǎo)學(xué)生掌握解決問(wèn)題的方式方法，還鼓勵(lì)學(xué)生直接參與探索教學(xué)，例如對(duì)課程中有些內(nèi)容進(jìn)行分組討論，老師在課堂上對(duì)討論方向進(jìn)行大概的介紹，然后具體的內(nèi)容由分組同學(xué)查相關(guān)的文獻(xiàn)資料收集整理，每組同學(xué)制作相關(guān)課件上臺(tái)介紹，然后在班級(jí)中開(kāi)展集中討論，這樣既培養(yǎng)了學(xué)生在解決問(wèn)題時(shí)確立科學(xué)的態(tài)度和方法，又充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，使學(xué)生成為學(xué)習(xí)的主人，教師則成為學(xué)生的“協(xié)作者”。通過(guò)這種教學(xué)方式，也鍛煉了同學(xué)們的組織能力和口頭表達(dá)能力。4.充分利用虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。傳統(tǒng)的材料成型實(shí)驗(yàn)需要的實(shí)驗(yàn)設(shè)備一般占地面積比較大且耗材比較昂貴，受實(shí)驗(yàn)條件的限制，不能保證每位學(xué)生的操作需求，學(xué)習(xí)效果一直不太理想，材料學(xué)院根據(jù)人才培養(yǎng)目標(biāo)要求，基于“學(xué)生為主體”的教學(xué)理念，整合鑄造仿真JSCAST軟件、塑性成型仿真DEFORM-3D軟件、焊接模擬軟件Simufact.welding和力學(xué)模擬軟件ANSYS、Fluent等，已建成了金屬材料成型虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。在材料成型數(shù)值模擬課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，借助材料成型虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以對(duì)鑄造工藝參數(shù)、選用設(shè)備和生產(chǎn)過(guò)程做出準(zhǔn)確、快速的模擬分析及相應(yīng)控制參數(shù)的調(diào)整，還能對(duì)不同成型方法與工藝參數(shù)進(jìn)一步比較優(yōu)化，通過(guò)對(duì)各個(gè)過(guò)程的精確設(shè)計(jì)與控制完成產(chǎn)品全過(guò)程的模擬加工；將虛擬制造技術(shù)應(yīng)用于塑性加工實(shí)驗(yàn)全過(guò)程，對(duì)塑性成形過(guò)程的虛擬仿真，可以在模具加工之前，檢驗(yàn)?zāi)＞哧P(guān)鍵工作部分形狀和尺寸設(shè)計(jì)的合理性，分析材料在加工過(guò)程的流動(dòng)規(guī)律，預(yù)測(cè)缺陷的產(chǎn)生，此外還可以對(duì)相關(guān)工藝參數(shù)進(jìn)行快速優(yōu)化分析。通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，同時(shí)也克服了材料成型過(guò)程中內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)、性能變化看不見(jiàn)摸不著，抽象而難以認(rèn)知的問(wèn)題。學(xué)生可根據(jù)掌握的理論知識(shí)，設(shè)計(jì)材料成型方法、工藝參數(shù)，通過(guò)實(shí)踐模擬成型加工中材料的組織及性能變化，既激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，又明顯提升了教學(xué)效果。5.合理利用第二課堂。傳統(tǒng)的課堂教學(xué)在很大程度上讓學(xué)生陷于“被動(dòng)”學(xué)習(xí)，不能自主思考，沒(méi)有自己的想法和創(chuàng)意，阻礙了學(xué)生創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。學(xué)校積極倡導(dǎo)開(kāi)展第二特色課堂活動(dòng)，既可以與課堂教學(xué)互補(bǔ)，擴(kuò)展學(xué)生學(xué)習(xí)培養(yǎng)渠道，又充分發(fā)揮教師專業(yè)優(yōu)勢(shì)，滿足不同學(xué)生的學(xué)習(xí)需要。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)不僅成本低，而且不受時(shí)間和空間的限制，可以合理利用教師教學(xué)科研優(yōu)勢(shì)，結(jié)合專業(yè)特點(diǎn)和學(xué)生需要，教師可以在線指導(dǎo)對(duì)接宿舍學(xué)生進(jìn)行文獻(xiàn)查閱、模擬實(shí)驗(yàn)、撰寫(xiě)論文綜述等課外學(xué)術(shù)活動(dòng)，充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源的作用，更好地為學(xué)生能力培養(yǎng)服務(wù)，提高學(xué)生綜合應(yīng)用科學(xué)理論和各種實(shí)驗(yàn)技術(shù)的能力和創(chuàng)新能力。

三、結(jié)語(yǔ)

通過(guò)合理運(yùn)用多媒體教學(xué)、增加實(shí)際案例教學(xué)、充分利用虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)等手段，將材料成型數(shù)值模擬抽象的知識(shí)形象化，有助于增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)理論知識(shí)的興趣，打破傳統(tǒng)的理論教學(xué)模式，將材料成型模擬與專業(yè)課教學(xué)；將材料虛擬成型與工程仿真融入成型加工理論教學(xué)，增強(qiáng)教學(xué)的形象性、生動(dòng)性，提升教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]林文松,劉延輝,何亮.“卓越工程師培養(yǎng)計(jì)劃”下的工程材料課程建設(shè)[J].大學(xué)教育,2013,(06):139-140.

[2]賈俐俐,孔凡新,柯旭貴.材料成型及控制工程專業(yè)教學(xué)改革的探索與實(shí)踐[J].南京工程學(xué)院學(xué)報(bào),2007,21(9).

[3]胡紅軍,楊明波.《計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)中應(yīng)用》課程教學(xué)設(shè)計(jì)[J].鑄造技術(shù),2007,28(7):991-993.

[4]王春偉,莫艷芳,韋鶴宇.提高《材料成型計(jì)算機(jī)模擬》課程的實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量研究.裝備制造技術(shù),2014,(2):227-229.

作者:呂東莉 楊眉 王斌 單位:西南石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院