卓越計劃的材料成型數值模擬的課程改革
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摘要：為適應教育部卓越工程師人才培養模式，針對材料成型及控制工程專業的特點，在分析了“材料成型數值模擬”課程特點的基礎上，開展了在材料成型數值模擬課程改革中合理運用多媒體教學、增加實際案例教學、采用啟發式教學、充分利用虛擬實驗平臺等教學手段，提高了學生的主動性和創造性，取得了較好的教學效果。
“卓越工程師培養計劃”是教育部2009年推出的一項重大教育改革試點項目，該計劃旨在培養造就一大批創新能力強、適應經濟社會發展需要的高質量各類型工程技術人才，為國家走新型工業化發展道路、建設創新型國家和人才強國戰略服務[1]。西南石油大學材料成型學科為滿足四川省經濟發展以及石化行業對材料成型及控制工程專業人才的需求，結合學校的專業辦學指導思想，依托材料學科的優勢，制定了我校材料成型及控制工程專業定位如下：秉承夯實基礎、注重創新意識、接觸前沿的理念，以材料成型理論為基礎，兼顧相近學科之間的交叉和融合，服務于地方經濟及石化行業，建設成為培養材料成型及控制工程專業高級工程技術人才的工科專業。從2013—2014級，獲得四川省支持，開展“卓越工程師教育培養計劃”研究與實踐，2013—2014級設置了卓越工程師特色班。
一、課程教學特點
在材料成型專業中利用計算機數值模擬技術可以模擬分析材料成型中很多由實驗手段無法解決的關鍵技術問題，但由于材料成型專業方向的特點決定了該專業方向的數值模擬技術會涉及成型專業知識、力學、模擬軟件、數值分析方法等學科知識，并需要具備一定的實踐經驗，才能對模擬結果進行合理的分析，而這些都是本科階段學生所欠缺的[2][3][4]。為適應未來社會、企業對應用型人才的需求，基于卓越工程師人才培養模式的改革與探索，在分析卓越計劃支持下材料成型數值模擬課程在材料成型專業本科階段教學特點基礎上，我們前期采用了有針對性的靈活多樣的課堂教學手段，充分調動了學生的積極性，并利用第二課堂發揮他們的主動性和創造性，實踐證明教學效果良好。
二、精心組織課堂教學
1.合理運用多媒體教學。材料成型數值模擬課程是在材料成型基本原理工藝的基礎上結合數值模擬技術。該課程內容寬泛、概念性強、實踐操作要求高。傳統的課堂授課模式，即采用“教師—黑板—學生”的教學模式，會讓學生感覺比較單調和枯燥，在對課程案例教學的設計基礎上，完成課程多媒體課件的制作，在課堂教學實踐中充分利用多媒體技術，在課件中將相關音頻和動畫視頻結合，例如演示各種工藝原理動畫和生產視頻，讓學生身臨其境學習，克服了學生生產實踐經驗缺乏的問題，使課堂“教”與“學”得到良好的協調，對于學生理論應用能力奠定了堅實的基礎。在多媒體使用過程中，也盡量避免了簡單的播放PPT來組織課堂教學。由于本課程與設計軟件的應用及操作結合非常緊密，除了運用常規的PPT組織教學外，軟件的實際操作演示也是必不可少的環節。此外，錄像、光盤和網上資源也可以用來豐富課堂教學形式。2.增加實際案例教學。由于該課程與生產實踐結合比較緊密，因此教學過程中將教師完成的相關科研工作經歷結合到課堂教學中，體現了理論和實際的結合，也成了該課程教學的特色之一，例如介紹了目前最新X90、X100等高強鋼的組織性能特點以及冷彎工藝的難點，將數值模擬技術應用到冷彎工藝制定過程中。通過對這些實際案例的分析和討論，學生會發現將書本上所學的理論知識運用到實際問題的解決之中離他們并不遙遠，激發了他們學習興趣，提高了學生分析解決問題的能力和信心。3.采用啟發式教學。教育理論家曾明確指出：“最有效的學習方法就是讓學生在體驗和創造的過程中學習”，根據成型專業及該課程特點，在指導學生學習的過程中，注重因材施教，積極實行啟發式、討論式、教學做相結合等多種教學方式。在授課過程中除了引導學生掌握解決問題的方式方法，還鼓勵學生直接參與探索教學，例如對課程中有些內容進行分組討論，老師在課堂上對討論方向進行大概的介紹，然后具體的內容由分組同學查相關的文獻資料收集整理，每組同學制作相關課件上臺介紹，然后在班級中開展集中討論，這樣既培養了學生在解決問題時確立科學的態度和方法，又充分發揮學生的主觀能動性，使學生成為學習的主人，教師則成為學生的“協作者”。通過這種教學方式，也鍛煉了同學們的組織能力和口頭表達能力。4.充分利用虛擬實驗平臺。傳統的材料成型實驗需要的實驗設備一般占地面積比較大且耗材比較昂貴，受實驗條件的限制，不能保證每位學生的操作需求，學習效果一直不太理想，材料學院根據人才培養目標要求，基于“學生為主體”的教學理念，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和力學模擬軟件ANSYS、Fluent等，已建成了金屬材料成型虛擬仿真實驗平臺。在材料成型數值模擬課程實驗教學過程中，借助材料成型虛擬仿真實驗平臺可以對鑄造工藝參數、選用設備和生產過程做出準確、快速的模擬分析及相應控制參數的調整，還能對不同成型方法與工藝參數進一步比較優化，通過對各個過程的精確設計與控制完成產品全過程的模擬加工；將虛擬制造技術應用于塑性加工實驗全過程，對塑性成形過程的虛擬仿真，可以在模具加工之前，檢驗模具關鍵工作部分形狀和尺寸設計的合理性，分析材料在加工過程的流動規律，預測缺陷的產生，此外還可以對相關工藝參數進行快速優化分析。通過虛擬仿真實驗，同時也克服了材料成型過程中內部質點運動、性能變化看不見摸不著，抽象而難以認知的問題。學生可根據掌握的理論知識，設計材料成型方法、工藝參數，通過實踐模擬成型加工中材料的組織及性能變化，既激發了學生學習興趣，又明顯提升了教學效果。5.合理利用第二課堂。傳統的課堂教學在很大程度上讓學生陷于“被動”學習，不能自主思考，沒有自己的想法和創意，阻礙了學生創新精神和創新能力的培養。學校積極倡導開展第二特色課堂活動，既可以與課堂教學互補，擴展學生學習培養渠道，又充分發揮教師專業優勢，滿足不同學生的學習需要。虛擬仿真實驗平臺不僅成本低，而且不受時間和空間的限制，可以合理利用教師教學科研優勢，結合專業特點和學生需要，教師可以在線指導對接宿舍學生進行文獻查閱、模擬實驗、撰寫論文綜述等課外學術活動，充分發揮實驗教學中心優質教學資源的作用，更好地為學生能力培養服務，提高學生綜合應用科學理論和各種實驗技術的能力和創新能力。
三、結語
通過合理運用多媒體教學、增加實際案例教學、充分利用虛擬實驗平臺等手段，將材料成型數值模擬抽象的知識形象化，有助于增強學生學習理論知識的興趣，打破傳統的理論教學模式，將材料成型模擬與專業課教學；將材料虛擬成型與工程仿真融入成型加工理論教學，增強教學的形象性、生動性，提升教學效果。
參考文獻：
[1]林文松,劉延輝,何亮.“卓越工程師培養計劃”下的工程材料課程建設[J].大學教育,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教學改革的探索與實踐[J].南京工程學院學報,2007,21(9).
[3]胡紅軍,楊明波.《計算機在材料科學中應用》課程教學設計[J].鑄造技術,2007,28(7):991-993.
[4]王春偉,莫艷芳,韋鶴宇.提高《材料成型計算機模擬》課程的實踐教學質量研究.裝備制造技術,2014,(2):227-229.
作者:呂東莉 楊眉 王斌 單位:西南石油大學材料科學與工程學院
