面向工程应用的“材料成形数值模拟”课程改革

【摘要】为满足工程应用的需求，针对材料成形数值模拟课程教学过程中面临的问题和困难，从教学目标、教学内容、教学方法、上机实验、考核标准等多方面进行探讨。减少了理论教学、大幅增加上机操作，引导学生面向工程应用，考虑实际问题的复杂因素，为解决实际工程问题积累经验。推进了教学改革，完善了人才培养模式，在新版培养计划中实施证明了推进课程改革的有效性。

【关键词】材料成形；数值模拟；教学改革；有限元；工程应用

【分类号】G642.3

材料成形数值模拟课程是材料成形与控制专业的一门综合课程，与工程实际有着紧密的联系。在教学实践中，基础于模拟理论的传统教学方法已经不能适应工程实际问题分析的需要。高等教育改革归根结底在教学与研究，工程教育及工程师的培养，应积极面向产业界。因此，在课程的体系构建、课堂教学方法、工程实践和课程考核等整个教学过程中，应面向工程应用，采取有效的措施加强解决工程实际问题的能力，培养具有创新意识的应用型人才。本文以面向工程应用为出发点，以培养学生的创新意识和分析解决工程实际问题的能力为目的，对课程进行了改进和教学实践。

1.传统课程教学存在的问题

1.1 教学目标不明确

材料成形数值模拟课程脱胎于有限单元理论在材料成形领域内的应用，教学内容主要是数值模拟基础理论的介绍、有限单元方法和程序设计等理论教学。相应的教学环节也多以课堂教学为主，包括大量的公式推导和抽象的理论，基础理论不够扎实的学生学习起来困难重重。很多学生了解到数值模拟的广泛应用后，兴致勃勃地选修此课，最后却兴味索然。而有限元商业软件界面友好、方便实用，能满足广大工程技术人员分析工程实际问题，同时不要求很深的理论知识。因此，材料成形数值模拟课程应以培养利用数值模拟软件分析工程实际问题的能力为主要目标。

1.2 教学内容落后

有限单元法作为一种有效的数值模拟分析方法近年获得快速发展，有限元分析软件除应用于结构问题，现已经能求解材料成形、热传导、电磁场、流体力学等连续性问题，甚至于切削加工等非连续问题。材料成形数值模拟课在教学中，没有利用好数值模拟软件的强大功能，而局限于理论知识的讲授。学生除了感觉到困难吃力之外，对数值模拟方法能够解决哪些问题不甚了了。课程未能及时追踪最新的发展，导致教材内容与现实实践脱节，使学生觉得学习用处不大。

1.3 实践缺乏不够深入

材料成形数值模拟是理论与工程实践密切相关的课程，只有结合工程实践进行模拟，才能充分地预测材料成形规律、判断成形过程可能发生的缺陷，为工艺设计和优化提供理论依据。然而由于计算机资源的欠缺和课程设计不合理，学生只能利用软件中极少的几个案例，按照软件提供的操作步骤按部就班地完成实验。没有足够的实践机时来学习软件，更没有时间对工程实际问题进行深入地讨论和模拟。对于软件使用过程中遇到的各种技术问题，比如摩擦模型的选择、摩擦因子的设置、接触对的创建等，始终无法深入地了解。在毕业设计以及以后的工作中，面对多样的工程实际问题，往往束手无措，无法利用强大的软件解决工作中遇到的复杂问题。

1.4 学习没有针对性

工程实际问题复杂多变：有变化的接触边界，即边界非线性；有复杂的材料，即材料非线性；在材料成形过程中，几何形状在每一个瞬时都会发生变化，即几何非线性。另外，随着激光加工、电磁搅拌等更多辅助手段的使用，材料成形过程往往表现为多种物理场的非线性耦合分析。在材料成形过程数值模拟中，如何抽丝剥茧地找到问题的实质，排除干扰次要因素，对计算系统进行简化才是工程实际问题分析的重要步骤。但在课程的学习中，学生对工程实际问题的总体认识存在知识盲点。如何综合团队智慧，对一个问题深入讨论，获得清晰准确的认识，还需要协作精神、工程认知、企业需求和环境认知等方面的培养。

2.材料成形数值模拟教学体系改革实践

2.1 确立以实践能力和创新意识为培养目标

面向工程应用的实践教学改变了传统的验证理论知识和掌握实验实训技能为主的教学目标，在新形势下强调面对工程实际应用，加强对责任感、表达能力、创新能力和协作精神的培养。在课程的设计上，以提高学生的动手实践创新能力为主要目标，安排了与工程实际紧密贴合的实践教学。让学生在实际问题的分析中，加强对工程实践的认识，对数值模拟方法分析工程实际问题的优势和劣势也更明确。不少人在数值模拟软件的使用中，被快捷的求解速度、友好的操作界面和漂亮的分析结果所迷惑，盲目地认为软件能够解决所有工程事情。然而用有限元分析分析工程实际问题，往往要做大量的简化，所以难免有所误差。对误差多少的判断直接影响计算结果对工程实践的指导是否可行。要想解决工程实际问题，还需要对工程实践有清晰的认识。教学实践对每个具体工程案例的分析，强化了学生的创新性思维，培养了独立找到具体可行的解决办法的能力。

2.2 重新构建和设计教学资源

基于面向工程应用的思想，重新设计了材料成形数值模拟课程的教学内容。在课堂教学内容的设计上，简单介绍数值模拟和有限单元法的基本理论，更多针对工程实际案例，比如锻造、挤压、轧制等多种成形方式，讲解如何进行案例的简化、模型的建立、数值模拟的参数设置、模拟步骤以及对计算结果的数据处理。针对数值模拟中遇到的各种技术难题，如工具的简化描述、摩擦边界条件的处理、动态接触边界条件的处理、有限单元的局部细化和重划分、弹塑性成形过程以及体积成形的体积损失等，分别设计了具体案例，让学生在具体的案例中了解这些技术的应用方法，而不是泛泛地了解。

在实验内容的安排上，为了让每一个学生都能掌握材料成形数值模拟的技术，设计了涵盖几种主要金属材料成形方式的模拟实验，包括挤压、锻压、冲压、轧制和环轧等。为更接近工程实际，设计了热-机械耦合模拟案例，并把材料的计算数据应用于工具的应力分析。

2.3教学方法的改革

课堂教学以案例为主的教学内容，使得教学更有针对性，更直接具体，不再枯燥。完全取代传统的理论灌输。在具体案例的分析上，适时地引导学生思考并发现问题，培养了学生独立分析的能力。

为培养学生的独立决策和协作工作的能力，设计了小组学习制。每个小组成员有3至5人，分别负责工程实际调查、题目的简化、CAD模型的创建、数值模拟分析和实验报告的撰写等工作。在课程初始，每个小组分配一项跟工程实际紧密相结合的题目。在课程进行中间，小组成员一边完成课堂上的模拟任务，同时针对小组题目进行讨论、制定工作方案、分配具体的实施工作。在这样的小组题目实施过程中，小组成员之间的协作关系得到加强，对实际工程问题的认识在讨论中得到提高。在教学中采用分组解决实际问题的方法，培养学生的合作精神，引导学生参与实际问题的分析。引导学生查阅文献，了解在解决实际问题时需要考虑哪些问题，如何进行建模。

在实验中积极引导学生把任何一个问题都从工程实际出发，探讨问题的实际意义。应用软件处理材料成形问题中，要求学生对每一种处理的方法给出理由，要求学生思考模型的简化、参数的设置是否基于工程实际，对数值模拟的结果的误差产生多大的影响，模拟结果对工程实际还有多大的指导意义等问题。这些措施都引导学生在数值模拟的工作中，避免闭门造车，更有工程意识，学生也能尽早进入工程实践的状态。

2.4 改变考核办法

材料成形数值模拟课程多年来采用闭卷考试为主，上机实验和作业为辅，执行的是“闭卷+实验+作业+课堂提问+考勤”的考核方法，学生背诵了大量概念但实际分析问题不能得到训练。所以，在增加上机实验课时的基础上，强化了实践能力在考核成绩中的比重。小组题目的完成质量能够反映出小组成员之间协作能力，为此增加了小组题目的考核内容。在改进的课程考核办法中，执行的是“实验+小组汇报+考勤”的考核办法。实践证明，改进的考核方法强化了对工程实际问题的认识，促进了学生对数值模拟软件的应用，同时促进了计算机辅助设计类、办公类软件的掌握；软件小组题目的完成让学生在课程学习阶段就养成了相互配合、共同讨论、团结友爱和相互促进的工作方法，增强了学生的合作精神，这在学生毕业后进入工作岗位是非常有用的。

3.结束语

为工程教育服务，改进了材料成形数值模拟课程教学的方案。面向工程的教学实践证明：数值模拟理论内容的减少让学生脱离了枯燥抽象的理论教学，工程实际问题的分析和模拟操作增强了学生的兴趣；采用小组协作的方法针对实际问题分工完成任务加强了学生的合作精神，小组讨论强化了学生对工程实际的全面认识；为克服模拟中遇到的各种问题而查阅文献、跟踪技术前沿启发了学生的创造精神；学生从繁琐抽象的有限元理论中解脱出来，精力更多地集中在解决实际问题能力的培养上。只要把教学改革的成果深入到数值模拟教学就能提高教学效率，培养合格的人才，提高解决工程实际问题的能力。

参考文献

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[2]李培根，许晓东，陈国松.我国本科工程教育实践教学问题与原因探析.湖北：高等工程教育研究[J]，2012（3）：1-6

作者信息：

河南科技大学，河南洛阳，471023

张学宾，男（1973.3--），汉，河南洛阳人，河南科技大学，博士，副教授

研究方向：材料成形数值模拟 有色金属加工

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