“材料成型計(jì)算機(jī)模擬”課程在新工業(yè)技術(shù)革命人才培養(yǎng)中的

范群波+李樹奎

摘要：伴隨著新工業(yè)技術(shù)革命時(shí)代的到來，相關(guān)技術(shù)人才的培養(yǎng)問題也呈現(xiàn)在廣大高校教學(xué)人員的面前。本文淺析了材料成型及控制工程專業(yè)“材料成型計(jì)算機(jī)模擬”課程在新工業(yè)革命技術(shù)人才中的潛在作用，并就其教學(xué)方法進(jìn)行了初步的探討，從培養(yǎng)學(xué)生興趣、促進(jìn)學(xué)生思考等角度，圍繞教學(xué)形式、考核方法等六個(gè)方面提出了一些有益的建議。

關(guān)鍵詞：新工業(yè)技術(shù)革命；人才培養(yǎng)；材料成型計(jì)算機(jī)模擬；教學(xué)方法

中圖分類號(hào)：G642.41 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2015）16-0168-02

隨著新材料、新能源以及信息技術(shù)的發(fā)展，人們正面臨新工業(yè)技術(shù)變革。為了適應(yīng)新工業(yè)技術(shù)革命人才培養(yǎng)的需要，高校教學(xué)體系與教學(xué)法也同時(shí)面臨著巨大挑戰(zhàn)?！安牧铣尚陀?jì)算機(jī)模擬”課程作為材料成型及控制工程專業(yè)的一門主修課程，對(duì)于該專業(yè)的建設(shè)有重要作用。該課程知識(shí)覆蓋面較廣，內(nèi)容涉及有限元、有限差分等數(shù)值模擬基本理論，同時(shí)還涉及鑄造、鍛造、焊接等多種成型工藝的具體模擬方法。

隨著時(shí)代的發(fā)展，材料成型工藝與計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的結(jié)合將更加緊密，而這方面人才還十分匱乏。作為教師，應(yīng)認(rèn)識(shí)到“材料成型計(jì)算機(jī)模擬”課程在新工業(yè)技術(shù)革命人才培養(yǎng)中的潛在作用。具體體現(xiàn)為：（1）有效促進(jìn)復(fù)合型人才的培養(yǎng)。本課程相關(guān)教學(xué)內(nèi)容將材料成型技術(shù)與計(jì)算機(jī)模擬仿真技術(shù)有機(jī)地結(jié)合在了一起，使學(xué)生掌握的知識(shí)面更廣，并能有效融合。學(xué)生在解決技術(shù)問題時(shí)，能夠?qū)煞N技術(shù)相結(jié)合，充分利用所學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)，從多個(gè)角度、多個(gè)層次進(jìn)行研究與分析。（2）為新興產(chǎn)業(yè)輸送技術(shù)人才。隨著社會(huì)的發(fā)展，涌現(xiàn)出許多新興產(chǎn)業(yè)，如3D打印、IC封裝等。這些產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展離不開新材料及其制備技術(shù)，而材料成型及計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)在其中發(fā)揮了極為重要的作用。對(duì)于相關(guān)知識(shí)的了解與熟悉，必將為這些新興產(chǎn)業(yè)輸送大量的技術(shù)人才。（3）促進(jìn)外延學(xué)科協(xié)同人才培養(yǎng)。本課程所在學(xué)科為材料工程，在跨學(xué)科協(xié)同教學(xué)的背景下，本課程的建設(shè)將大力促進(jìn)材料工程學(xué)科人才的培養(yǎng)，同時(shí)也將在一定程度上促進(jìn)外延學(xué)科的人才培養(yǎng)。

但大多數(shù)高等院校在設(shè)置該課程時(shí)，學(xué)時(shí)有限，傳統(tǒng)的知識(shí)灌輸式學(xué)習(xí)法在有限的教學(xué)時(shí)間內(nèi)很難取得好的效果。如何充分利用各類教學(xué)資源來調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性是教師面臨的一項(xiàng)重要任務(wù)。筆者結(jié)合實(shí)際教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為不妨從以下六個(gè)方面開展教學(xué)。

一、順應(yīng)時(shí)代，注重前沿

在開課之初，學(xué)生對(duì)一門全新課程的興趣對(duì)于其后期學(xué)習(xí)的投入程度十分重要。而新工業(yè)技術(shù)革命中各種新型技術(shù)及其發(fā)展前沿動(dòng)向與學(xué)生的求知欲之間正好可以找到結(jié)合點(diǎn)。

以3D打印技術(shù)為例，該技術(shù)可使得所設(shè)計(jì)的CAD模型直接從電腦中的創(chuàng)意到產(chǎn)品的直接生成，完全顛覆了傳統(tǒng)的材料成型概念。也許在不久的將來，人們完全可以打印出與我們?nèi)粘Ｉ钕嚓P(guān)的物品。相信學(xué)生會(huì)對(duì)這一新技術(shù)充滿興趣。在此基礎(chǔ)上，再將一些該技術(shù)的難題展示在他們面前。

二、引經(jīng)據(jù)典，寓教于樂

針對(duì)“材料成型計(jì)算機(jī)模擬”課程教學(xué)，若一味地強(qiáng)調(diào)概念、算法等，必然導(dǎo)致課堂內(nèi)容索然無味。為此，可以引入一些相關(guān)的故事，活躍課堂氣氛。

例如，在講解有限元法時(shí)，通常會(huì)提及化整為零的概念。于是，可以引入圓周率計(jì)算的一些歷史故事。“圓徑一而周三有余”，事實(shí)上中國古代的張衡、劉徽等人都曾用“割圓法”開展了圓周率的研究；德國人魯?shù)婪?，耗盡了一生的時(shí)間，計(jì)算到圓的內(nèi)接正262邊形，于1609年得到了圓周率的35位精度值，以至于圓周率在德國被稱為Ludolph數(shù)；一位英國人，用了15年時(shí)間，算出了圓周率小數(shù)點(diǎn)后的707位，但遺憾的是，后人發(fā)現(xiàn)，他從第528位開始就算錯(cuò)了。這些，必然會(huì)激發(fā)學(xué)生的興趣，使他們開始逐漸認(rèn)識(shí)到化整為零古來有之，且在科學(xué)研究上占據(jù)著重要的位置。

三、深入淺出，先易后難

“材料成型計(jì)算機(jī)模擬”課程所涉及到的有限元等方法，理論性較強(qiáng)，而且國內(nèi)的教材難度較大。例如，一些教材開篇第一章就開始講述虛功原理、變分法的求解等概念，顯然這對(duì)于剛剛接觸相關(guān)概念的本科生而言是不合適的。為此，可以從有限元的前身——矩陣結(jié)構(gòu)力學(xué)中的直接剛度法開始講解。

直接剛度法雖然尚未涉及到變分法等概念，但內(nèi)容涵蓋剛度方程、剛度矩陣、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等。在講解過程中，建議以最簡單的三節(jié)點(diǎn)三桿單元桁架結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，闡述各節(jié)點(diǎn)所承受的力載荷分量與各節(jié)點(diǎn)位移分量之間的線性函數(shù)關(guān)系。函數(shù)形式雖然簡單，但其常規(guī)的數(shù)學(xué)表達(dá)式顯得冗長，故而引入矩陣的形式，由此寫出其主剛度方程；之后說明主剛度矩陣涉及36個(gè)待定元素，不能直接寫出，故必須轉(zhuǎn)移到局域坐標(biāo)系下的剛度方程上。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步由局域坐標(biāo)系下的剛度方程推導(dǎo)出全局坐標(biāo)系下的剛度方程等。通過這種由淺入深、循序漸進(jìn)的教學(xué)形式，讓學(xué)生逐步領(lǐng)會(huì)相關(guān)基礎(chǔ)理論的來龍去脈。

四、注重板書，師生互動(dòng)

隨著多媒體時(shí)代的到來，采用Powpoint幻燈片形式的教學(xué)模式已取代了板書教學(xué)模式。多媒體的演示可迅速吸引學(xué)生的眼球，然而在“材料成型計(jì)算機(jī)模擬”課程的教學(xué)中，相關(guān)理論公式的推導(dǎo)卻不能完全依靠多媒體演示的形式，這種被動(dòng)接收信息的形式，很難讓學(xué)生真正掌握其內(nèi)涵。

面對(duì)這種局面，傳統(tǒng)的板書形式卻可以煥發(fā)出新的活力，激發(fā)出學(xué)生潛在的學(xué)習(xí)動(dòng)力。課堂上，可以先列出一些基本原理和概念，以問題的形式讓學(xué)生參與公式的推導(dǎo)。例如，在推導(dǎo)全局剛度方程如何由局域剛度方程變換的過程中，可以先列出全局剛度方程f=ku、局域剛度方程■=■■、位移轉(zhuǎn)換矩陣■=Tu以及力轉(zhuǎn)換矩陣f=TT■；之后，要求學(xué)生相互討論，并根據(jù)所學(xué)的線性代數(shù)知識(shí)建立起k與k之間的函數(shù)關(guān)系。學(xué)生通過彼此交流，甚至激烈爭論，最終寫出了關(guān)系式：k=TTkT或■=TkTT，當(dāng)然方程k=TT■T在后續(xù)計(jì)算中更具有實(shí)際意義。為鼓勵(lì)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，建議讓學(xué)生走上講臺(tái)，在黑板上演算自己的推導(dǎo)過程，之后再由教師和其他學(xué)生一起討論該公式推導(dǎo)的正確性及適用范圍，真正地實(shí)現(xiàn)師生互動(dòng)。endprint

五、結(jié)合軟件，學(xué)以致用

除在課堂上講授相關(guān)基礎(chǔ)理論知識(shí)外，還不能忽視專業(yè)軟件的學(xué)習(xí)?！安牧铣尚陀?jì)算機(jī)模擬”課程至少應(yīng)安排10個(gè)學(xué)時(shí)左右的上機(jī)時(shí)間，學(xué)習(xí)幾何模型構(gòu)建、網(wǎng)格剖分、載荷施加、邊界條件定義等知識(shí)。在學(xué)習(xí)過程中，應(yīng)盡量與之前課堂上講解的一些計(jì)算實(shí)例相結(jié)合，如桁架結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)位移的計(jì)算等。在學(xué)生對(duì)軟件操作比較熟悉后，再與一些工程實(shí)例相結(jié)合，如在砂型鑄造過程中，鋼液溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬，要求學(xué)生掌握溫度云圖、等值線等后處理技巧。

除此之外，還應(yīng)讓學(xué)生逐步掌握一些簡單的編程知識(shí)，包括Ansys軟件中的APDL參數(shù)化設(shè)計(jì)語言。特別需要說明的時(shí)，相關(guān)編程語言不必去死記，只要知道在需要的時(shí)候如何獲得并利用相關(guān)語句即可。如圖1所示，Ansys軟件操作中提供了多種快捷而友好的命令流獲取方法。按照這些方法，學(xué)生可以在短期內(nèi)掌握相關(guān)的編程技巧，并意識(shí)到與圖形用戶界面GUI相比編程計(jì)算可以極大地節(jié)省程序的調(diào)試時(shí)間，且更靈活。

六、考核方式，靈活多樣

“材料成型計(jì)算機(jī)模擬”課程的考試也是整個(gè)教學(xué)過程的重要環(huán)節(jié)，但考試并不是目的。針對(duì)這一問題，可以考慮設(shè)置形式多樣的考核方式，比如平時(shí)成績、期末卷面成績以及軟件考核。所謂軟件考核，是將學(xué)生分為若干組，并把與科研相關(guān)的一些命題交于學(xué)生完成。分組形式可以多樣化，如建模組、計(jì)算組以及軟件學(xué)習(xí)組，其具體內(nèi)容如圖2所示。

考慮到課程的教學(xué)時(shí)間相對(duì)有限，建議考核分組應(yīng)在開課之初完成，具體內(nèi)容可交于學(xué)生自行根據(jù)興趣選擇，且同時(shí)鼓勵(lì)組與組之間、組員與組員之間進(jìn)行廣泛地交流和討論。學(xué)生將會(huì)發(fā)現(xiàn)，課堂上所學(xué)知識(shí)其實(shí)并不夠，還需要根據(jù)相關(guān)任務(wù)主動(dòng)去尋找一些學(xué)習(xí)資料。尤其是軟件學(xué)習(xí)組，課堂上所講述的內(nèi)容并不會(huì)涉及Procast、LS-Dyna這些軟件，但在考核時(shí)需要針對(duì)一些典型實(shí)例當(dāng)眾演示并進(jìn)行簡單地講解。為此，學(xué)生必然會(huì)主動(dòng)地投入一定的精力和時(shí)間，從而充分挖掘其學(xué)習(xí)潛力。從初步地嘗試來看，這一任務(wù)型的教學(xué)方式還是頗受學(xué)生歡迎的。

七、結(jié)語

在新工業(yè)技術(shù)革命的大背景下，“材料成型計(jì)算機(jī)模擬”課程的開展與建設(shè)將有效促進(jìn)復(fù)合型科研人才的培養(yǎng)，為新型產(chǎn)業(yè)輸送技術(shù)型人才，促進(jìn)外延學(xué)科的協(xié)同人才培養(yǎng)。而將前沿研究帶進(jìn)課堂、注重寓教于樂、采取先易后難的講解模式、充分地開展師生互動(dòng)、有效地掌握軟件操作及啟動(dòng)靈活多樣的考核方式必將帶來全新的教學(xué)氣息，從而達(dá)到人才培養(yǎng)的目的。endprint