《材料成形過程數(shù)值模擬》課程的案例型教學(xué)實踐與持續(xù)改進(jìn)

馬 軻， 孫虹燁， 馬 敘

（1.天津理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 天津 300384； 2.航天精工股份有限公司， 天津300300； 3.天津市緊固連接技術(shù)企業(yè)重點實驗室， 天津 300300）

0 引 言

作為國際通行的工程教育質(zhì)量保證制度，工程教育專業(yè)認(rèn)證對確保材料成型及控制工程專業(yè)的教育質(zhì)量、提高學(xué)生競爭力、推進(jìn)學(xué)科發(fā)展具有重要意義[1-2]。尤其是在我國加快建設(shè)制造強國的戰(zhàn)略背景下，需要不斷優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容與方法[3]，使課程內(nèi)容始終與行業(yè)發(fā)展前沿相適應(yīng)，使畢業(yè)生培養(yǎng)始終與行業(yè)需求相匹配。天津理工大學(xué)材料成型及控制工程專業(yè)以培養(yǎng)模具設(shè)計、焊接等領(lǐng)域的技術(shù)開發(fā)、科學(xué)研究人才為目標(biāo)，自2016 年通過工程教育專業(yè)認(rèn)證以來始終堅持以學(xué)生為中心、成果為導(dǎo)向的工程教育認(rèn)證理念[4-5]，在學(xué)科建設(shè)與課程設(shè)置上推陳出新，促進(jìn)課程體系內(nèi)容趨向“工程化”，切實培養(yǎng)學(xué)生解決實際復(fù)雜問題的能力。

《材料成形過程數(shù)值模擬》作為材料成型及控制工程專業(yè)大三下學(xué)期的專業(yè)課，主要介紹有限元仿真在材料成型加工中的應(yīng)用。本課程重點講授焊接、注射成型、沖壓、鍛造、鑄造等加工過程的有限元模擬，分析成型過程中的溫度分布、應(yīng)力應(yīng)變、材料流動變化情況，涉及的研究內(nèi)容范圍廣泛，軟件實踐操作要求高。通過本課程學(xué)習(xí)，學(xué)生不僅了解力學(xué)數(shù)值分析、有限元軟件使用的知識，而且掌握了工藝影響成型質(zhì)量的規(guī)律。

目前，高校材料成型相關(guān)專業(yè)的模擬仿真課程多以講授有限元軟件操作命令與工程案例應(yīng)用為主[6-7]。由于學(xué)時有限，學(xué)生普遍在教師或教程資料的演示下操作CAE 軟件，與實際工程問題的融合仍有欠缺[7]。此外，部分案例與工程應(yīng)用聯(lián)系不夠緊密，導(dǎo)致學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣低、主觀能動性差。另外，有限元方法的公式推導(dǎo)相對枯燥乏味，導(dǎo)致學(xué)生對剛度矩陣、位移和負(fù)荷矩陣列算求解的理解不夠深刻，影響學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的綜合應(yīng)用與創(chuàng)新能力[8]。

為了解決上述問題，對《材料成形過程數(shù)值模擬》課程進(jìn)行了案例型教學(xué)的改革實踐，通過建立材料成型過程仿真案例庫，不斷更新、優(yōu)化課程教學(xué)內(nèi)容和評價方式，不僅達(dá)到了工程教育認(rèn)證關(guān)于持續(xù)改進(jìn)的要求，而且更好地滿足了用人單位對材料成型行業(yè)人才培養(yǎng)需求，也為課程建設(shè)中引入校企協(xié)同育人找到了切實可行的路徑。

1 課程教學(xué)實踐

1.1 案例型教學(xué)實踐方案

《材料成形過程數(shù)值模擬》是面向材料成型及控制工程專業(yè)三年級學(xué)生的專業(yè)課，該課程有2.5學(xué)分，總共40 學(xué)時，其中包括理論與上機實踐兩部分：前期集中進(jìn)行有限元原理和公式推導(dǎo)求解的理論教學(xué)；后期主要通過各類材料成型案例講解有限元模擬的前處理、后處理及模擬結(jié)果分析。針對材料成型模擬課程的特點，引入案例式教學(xué)方案，具體流程如圖1所示。

在學(xué)期初的課堂講授中，有針對性的圍繞鑄鍛焊等成型過程講解彈塑性模型的求解方法，不要求掌握公式推導(dǎo)過程，但要掌握剛度矩陣、位移、載荷矩陣的列算方法。在布置課題時，從教師科研項目、企業(yè)工程案例和學(xué)生自擬3 個來源選定與材料成型工程實際貼近的仿真課題。

在學(xué)期中每堂課前，教師利用案例庫中的軟件使用教程、教學(xué)視頻、課件、案例模型等資源，引導(dǎo)學(xué)生使用CAD 軟件建模，并結(jié)合線上答疑線下指導(dǎo)等方式督促學(xué)生學(xué)習(xí)、獲得學(xué)生反饋。在課上，針對學(xué)生反饋的仿真報錯（例如網(wǎng)格劃分失敗、運算不收斂等）共性問題加以解答，以中期檢查的形式對仿真前處理實踐操作進(jìn)行隨堂測驗，并分析沖壓、鍛造、焊接、注射成型等過程中的材料流動、變形、應(yīng)力分布等模擬結(jié)果。在課后，各組學(xué)生完成有限元模擬計算與后處理，并結(jié)合加工實際、查閱文獻(xiàn)提出優(yōu)化成型工藝的方法。

在答辯、報告的評價環(huán)節(jié)，各組按照課題背景與意義、研究方法與步驟、研究結(jié)果、工藝分析與結(jié)論4 個環(huán)節(jié)分別由不同成員講解，并且要求每名學(xué)生介紹自己的貢獻(xiàn)。在答辯問答環(huán)節(jié)考查學(xué)生對模擬軟件實踐操作的能力、運用專業(yè)理論知識解決工程問題的能力。在交流討論環(huán)節(jié)，各組互相討論仿真課題的收獲與不足，并交流模型、軟件資源、研究經(jīng)驗。教師引導(dǎo)學(xué)生從材料成型應(yīng)用需求出發(fā)，思考如何利用模擬仿真優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計、減少試錯成本、縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。這樣能幫助學(xué)生實現(xiàn)學(xué)以致用，并可在創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽、學(xué)生科技活動、畢業(yè)設(shè)計等后續(xù)實踐中繼續(xù)研究仿真課題。

1.2 優(yōu)化評價方式與標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)課程目標(biāo)和對應(yīng)的畢業(yè)要求指標(biāo)點（見表1），本課程形成了以項目式匯報答辯和報告為主、以平時表現(xiàn)和階段性測驗為輔的評價方法，并且將考核各環(huán)節(jié)貫穿了整個教學(xué)過程。

從各個環(huán)節(jié)出發(fā)，持續(xù)優(yōu)化課程評價標(biāo)準(zhǔn)：①在由授課教師組織、全體學(xué)生參與的項目式匯報答辯中，注重將分析問題、解決問題與加工工藝實際聯(lián)系的實踐能力作為評價標(biāo)準(zhǔn)（對應(yīng)課程目標(biāo)2）；②在平時表現(xiàn)與中期檢查中，注重將熟練操作仿真軟件、詳細(xì)描述前處理設(shè)置作為評價標(biāo)準(zhǔn)（對應(yīng)課程目標(biāo)1）；③在報告中，注重將文獻(xiàn)資料調(diào)研、列表作圖、寫作格式規(guī)范等運用現(xiàn)代工具的能力作為評價標(biāo)準(zhǔn)（對應(yīng)課程目標(biāo)3）。

對于來自企業(yè)工程案例，請企業(yè)技術(shù)人員介紹課題的背景信息與技術(shù)要求，并在課程期間通過線上答疑等方式持續(xù)為學(xué)生提供指導(dǎo)。圖2所示列舉了來自3 個企業(yè)的工程案例，學(xué)生建立有螺紋的螺釘模型并進(jìn)行應(yīng)力分析，如圖2（a）所示，將螺釘軸向力分布、螺紋齒根處應(yīng)力集中系數(shù)等知識點融入螺紋結(jié)構(gòu)設(shè)計的工程問題中，企業(yè)人員對學(xué)生答辯環(huán)節(jié)進(jìn)行打分評價與指導(dǎo)；學(xué)生仿真鈦合金螺釘熱處理過程中的相轉(zhuǎn)變與α相體積分?jǐn)?shù)分布等結(jié)果如圖2（b）所示，企業(yè)技術(shù)人員在中期檢查、階段性測驗等環(huán)節(jié)對學(xué)生的有限元軟件操作步驟進(jìn)行打分評價與現(xiàn)場演示；學(xué)生仿真螺釘?shù)葻徵叧尚瓦^程與溫度分布變化情況如圖2（c）所示，企業(yè)技術(shù)人員在報告環(huán)節(jié)中指出該課題研究背景與意義分析不充分之處，并從熱鐓成型流程、設(shè)計內(nèi)容、工藝優(yōu)化等方面對報告進(jìn)行評價與補充。

圖2 企業(yè)螺釘緊固件制造相關(guān)的工程案例

1.3 教學(xué)改革效果與持續(xù)改進(jìn)

本課程在2022-2023 年春季學(xué)期中持續(xù)推進(jìn)案例式教學(xué)改革，并根據(jù)課程目標(biāo)達(dá)成情況不斷優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容與方法。2022 年與2023 年課程目標(biāo)客觀達(dá)成度的對比如圖3 所示（基于各課程目標(biāo)的學(xué)生平均成績除以總成績），以學(xué)生各對應(yīng)環(huán)節(jié)平均成績?yōu)橐罁?jù)的3個課程目標(biāo)的客觀達(dá)成度均有不同程度的提高。

圖3 2022年與2023年課程目標(biāo)客觀達(dá)成度對比

在3 個課程目標(biāo)中，課程目標(biāo)1 在2023 年的改進(jìn)效果最好，原因在于在2023年春季學(xué)期中充分發(fā)揮課堂教學(xué)的優(yōu)勢，通過面對面的實時互動加強軟件操作提問與指導(dǎo)，督促軟件學(xué)習(xí)不到位的學(xué)生加強訓(xùn)練。同時在教學(xué)策略上，強調(diào)對模擬方法、步驟的理解與記憶，確保模擬研究思路清晰。絕大多數(shù)同學(xué)都已熟練掌握有限元模擬的方法與操作步驟，同時建立正確的有限元模型。

課程目標(biāo)2 在2022 年的基礎(chǔ)上也有較大提升，由于2022 年暴露了課程缺少與加工工藝聯(lián)系的問題，2023 年著重引導(dǎo)學(xué)生選擇了材料成型的工程實例設(shè)計模擬方案，并在報告中對仿真結(jié)果與結(jié)論在工程實踐中的應(yīng)用設(shè)立專門的章節(jié)進(jìn)行分析討論。課程目標(biāo)達(dá)成情況三維散點圖如圖4 所示，每一個點對應(yīng)一位同學(xué)的達(dá)成情況。由圖4 可知，在2023年仍有4 位同學(xué)的課程目標(biāo)2 達(dá)成度在0.7 以下（圖4 中最左端）。通過進(jìn)一步分析，發(fā)現(xiàn)這4 位同學(xué)只是簡單地給出了模型變形或應(yīng)力分布結(jié)果的軟件截圖，沒有對模擬結(jié)果、工藝參數(shù)影響等進(jìn)行分析與說明，也沒有聯(lián)系材料成型的實際工程問題。為此，在今后將重點引導(dǎo)學(xué)習(xí)困難的學(xué)生圍繞材料成型提出值得仿真的工程問題，協(xié)助學(xué)生完成研究背景、研究結(jié)果的分析，通過改變工藝方案比較不同因素的影響，對材料成形工藝提出改進(jìn)措施，提高對課程目標(biāo)2的達(dá)成。

圖4 2023年各個課程目標(biāo)達(dá)成情況的三維散點圖

相比之下，課程目標(biāo)3的達(dá)成情況變化不大，對近兩屆學(xué)生進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，部分學(xué)生的數(shù)據(jù)后處理能力一般，研究結(jié)果僅通過軟件界面截圖呈現(xiàn)，較少通過導(dǎo)出數(shù)據(jù)后再進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并列表、作圖分析。此外，使用軟件、期刊、網(wǎng)絡(luò)資源等現(xiàn)代工具調(diào)查研究背景的能力不強，參考文獻(xiàn)引用不夠合理、格式不夠規(guī)范。在今后的教學(xué)中，將引導(dǎo)學(xué)生從學(xué)術(shù)期刊、學(xué)位論文、網(wǎng)絡(luò)資源中查找資料，強調(diào)報告中使用科學(xué)語言寫作的重要性，本著“授人以魚”更要“授人以漁”的思路培養(yǎng)學(xué)生自主研究能力，調(diào)動學(xué)生的積極性。

面向?qū)W生開展細(xì)化到課程目標(biāo)的主觀達(dá)成評價，統(tǒng)計結(jié)果發(fā)現(xiàn)學(xué)生對課程目標(biāo)1、2、3 的主觀達(dá)成度均在0.85 以上，反映學(xué)生對案例型教學(xué)方案較為認(rèn)可。校企協(xié)同育人也為本課程從企業(yè)的角度出發(fā)，提供工程案例資源、用人單位反饋、國家產(chǎn)業(yè)實際需求等情況。因此，本課程的案例型教學(xué)改革實現(xiàn)了課程建設(shè)的科學(xué)化與體系化，扎實推進(jìn)了工程教育認(rèn)證要求的持續(xù)改進(jìn)，保障了專業(yè)人才的高質(zhì)量培養(yǎng)。

2 結(jié)束語

《材料成形過程數(shù)值模擬》課程探索了適應(yīng)課程特點的案例型教學(xué)，通過建設(shè)案例庫、優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容與評價方式、引入企業(yè)工程案例，將材料成型理論知識與實踐操作有機結(jié)合，提高了學(xué)生解決實際工程問題的能力。近2年的教學(xué)實踐構(gòu)建了公平合理、科學(xué)客觀的評價方法與標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)了與工程實際需求的緊密結(jié)合，讓學(xué)生能學(xué)以致用，運用所掌握的理論知識解決復(fù)雜的工程問題。本課程將繼續(xù)推進(jìn)校企協(xié)同育人，從企業(yè)渠道導(dǎo)入更多貼近“高精尖”制造業(yè)發(fā)展前沿的教學(xué)內(nèi)容，同時也依據(jù)企業(yè)反饋做實做細(xì)課程建設(shè)的持續(xù)改進(jìn)措施，更好地培養(yǎng)具備創(chuàng)新能力的專業(yè)人才。