卓越计划的材料成型数值模拟的课程改革

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摘要：为适应教育部卓越工程师人才培养模式，针对材料成型及控制工程专业的特点，在分析了“材料成型数值模拟”课程特点的基础上，开展了在材料成型数值模拟课程改革中合理运用多媒体教学、增加实际案例教学、采用启发式教学、充分利用虚拟实验平台等教学手段，提高了学生的主动性和创造性，取得了较好的教学效果。

关键词：卓越计划；材料成型数值模拟；课程；教学改革

“卓越工程师培养计划”是教育部2009年推出的一项重大教育改革试点项目，该计划旨在培养造就一大批创新能力强、适应经济社会发展需要的高质量各类型工程技术人才，为国家走新型工业化发展道路、建设创新型国家和人才强国战略服务[1]。西南石油大学材料成型学科为满足四川省经济发展以及石化行业对材料成型及控制工程专业人才的需求，结合学校的专业办学指导思想，依托材料学科的优势，制定了我校材料成型及控制工程专业定位如下：秉承夯实基础、注重创新意识、接触前沿的理念，以材料成型理论为基础，兼顾相近学科之间的交叉和融合，服务于地方经济及石化行业，建设成为培养材料成型及控制工程专业高级工程技术人才的工科专业。从2013—2014级，获得四川省支持，开展“卓越工程师教育培养计划”研究与实践，2013—2014级设置了卓越工程师特色班。

一、课程教学特点

在材料成型专业中利用计算机数值模拟技术可以模拟分析材料成型中很多由实验手段无法解决的关键技术问题，但由于材料成型专业方向的特点决定了该专业方向的数值模拟技术会涉及成型专业知识、力学、模拟软件、数值分析方法等学科知识，并需要具备一定的实践经验，才能对模拟结果进行合理的分析，而这些都是本科阶段学生所欠缺的[2][3][4]。为适应未来社会、企业对应用型人才的需求，基于卓越工程师人才培养模式的改革与探索，在分析卓越计划支持下材料成型数值模拟课程在材料成型专业本科阶段教学特点基础上，我们前期采用了有针对性的灵活多样的课堂教学手段，充分调动了学生的积极性，并利用第二课堂发挥他们的主动性和创造性，实践证明教学效果良好。

二、精心组织课堂教学

1.合理运用多媒体教学。材料成型数值模拟课程是在材料成型基本原理工艺的基础上结合数值模拟技术。该课程内容宽泛、概念性强、实践操作要求高。传统的课堂授课模式，即采用“教师—黑板—学生”的教学模式，会让学生感觉比较单调和枯燥，在对课程案例教学的设计基础上，完成课程多媒体课件的制作，在课堂教学实践中充分利用多媒体技术，在课件中将相关音频和动画视频结合，例如演示各种工艺原理动画和生产视频，让学生身临其境学习，克服了学生生产实践经验缺乏的问题，使课堂“教”与“学”得到良好的协调，对于学生理论应用能力奠定了坚实的基础。在多媒体使用过程中，也尽量避免了简单的播放PPT来组织课堂教学。由于本课程与设计软件的应用及操作结合非常紧密，除了运用常规的PPT组织教学外，软件的实际操作演示也是必不可少的环节。此外，录像、光盘和网上资源也可以用来丰富课堂教学形式。2.增加实际案例教学。由于该课程与生产实践结合比较紧密，因此教学过程中将教师完成的相关科研工作经历结合到课堂教学中，体现了理论和实际的结合，也成了该课程教学的特色之一，例如介绍了目前最新X90、X100等高强钢的组织性能特点以及冷弯工艺的难点，将数值模拟技术应用到冷弯工艺制定过程中。通过对这些实际案例的分析和讨论，学生会发现将书本上所学的理论知识运用到实际问题的解决之中离他们并不遥远，激发了他们学习兴趣，提高了学生分析解决问题的能力和信心。3.采用启发式教学。教育理论家曾明确指出：“最有效的学习方法就是让学生在体验和创造的过程中学习”，根据成型专业及该课程特点，在指导学生学习的过程中，注重因材施教，积极实行启发式、讨论式、教学做相结合等多种教学方式。在授课过程中除了引导学生掌握解决问题的方式方法，还鼓励学生直接参与探索教学，例如对课程中有些内容进行分组讨论，老师在课堂上对讨论方向进行大概的介绍，然后具体的内容由分组同学查相关的文献资料收集整理，每组同学制作相关课件上台介绍，然后在班级中开展集中讨论，这样既培养了学生在解决问题时确立科学的态度和方法，又充分发挥学生的主观能动性，使学生成为学习的主人，教师则成为学生的“协作者”。通过这种教学方式，也锻炼了同学们的组织能力和口头表达能力。4.充分利用虚拟实验平台。传统的材料成型实验需要的实验设备一般占地面积比较大且耗材比较昂贵，受实验条件的限制，不能保证每位学生的操作需求，学习效果一直不太理想，材料学院根据人才培养目标要求，基于“学生为主体”的教学理念，整合铸造仿真JSCAST软件、塑性成型仿真DEFORM-3D软件、焊接模拟软件Simufact.welding和力学模拟软件ANSYS、Fluent等，已建成了金属材料成型虚拟仿真实验平台。在材料成型数值模拟课程实验教学过程中，借助材料成型虚拟仿真实验平台可以对铸造工艺参数、选用设备和生产过程做出准确、快速的模拟分析及相应控制参数的调整，还能对不同成型方法与工艺参数进一步比较优化，通过对各个过程的精确设计与控制完成产品全过程的模拟加工；将虚拟制造技术应用于塑性加工实验全过程，对塑性成形过程的虚拟仿真，可以在模具加工之前，检验模具关键工作部分形状和尺寸设计的合理性，分析材料在加工过程的流动规律，预测缺陷的产生，此外还可以对相关工艺参数进行快速优化分析。通过虚拟仿真实验，同时也克服了材料成型过程中内部质点运动、性能变化看不见摸不着，抽象而难以认知的问题。学生可根据掌握的理论知识，设计材料成型方法、工艺参数，通过实践模拟成型加工中材料的组织及性能变化，既激发了学生学习兴趣，又明显提升了教学效果。5.合理利用第二课堂。传统的课堂教学在很大程度上让学生陷于“被动”学习，不能自主思考，没有自己的想法和创意，阻碍了学生创新精神和创新能力的培养。学校积极倡导开展第二特色课堂活动，既可以与课堂教学互补，扩展学生学习培养渠道，又充分发挥教师专业优势，满足不同学生的学习需要。虚拟仿真实验平台不仅成本低，而且不受时间和空间的限制，可以合理利用教师教学科研优势，结合专业特点和学生需要，教师可以在线指导对接宿舍学生进行文献查阅、模拟实验、撰写论文综述等课外学术活动，充分发挥实验教学中心优质教学资源的作用，更好地为学生能力培养服务，提高学生综合应用科学理论和各种实验技术的能力和创新能力。

三、结语

通过合理运用多媒体教学、增加实际案例教学、充分利用虚拟实验平台等手段，将材料成型数值模拟抽象的知识形象化，有助于增强学生学习理论知识的兴趣，打破传统的理论教学模式，将材料成型模拟与专业课教学；将材料虚拟成型与工程仿真融入成型加工理论教学，增强教学的形象性、生动性，提升教学效果。

参考文献：

[1]林文松,刘延辉,何亮.“卓越工程师培养计划”下的工程材料课程建设[J].大学教育,2013,(06):139-140.

[2]贾俐俐,孔凡新,柯旭贵.材料成型及控制工程专业教学改革的探索与实践[J].南京工程学院学报,2007,21(9).

[3]胡红军,杨明波.《计算机在材料科学中应用》课程教学设计[J].铸造技术,2007,28(7):991-993.

[4]王春伟,莫艳芳,韦鹤宇.提高《材料成型计算机模拟》课程的实践教学质量研究.装备制造技术,2014,(2):227-229.

作者:吕东莉 杨眉 王斌 单位:西南石油大学材料科学与工程学院