卓越計劃的材料成型數(shù)值模擬的課程改革
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摘要：為適應(yīng)教育部卓越工程師人才培養(yǎng)模式，針對材料成型及控制工程專業(yè)的特點，在分析了“材料成型數(shù)值模擬”課程特點的基礎(chǔ)上，開展了在材料成型數(shù)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(fā)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(chuàng)造性，取得了較好的教學效果。
關(guān)鍵詞：卓越計劃；材料成型數(shù)值模擬；課程；教學改革
“卓越工程師培養(yǎng)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(yǎng)造就一大批創(chuàng)新能力強、適應(yīng)經(jīng)濟社會發(fā)展需要的高質(zhì)量各類型工程技術(shù)人才，為國家走新型工業(yè)化發(fā)展道路、建設(shè)創(chuàng)新型國家和人才強國戰(zhàn)略服務(wù)[1]。西南石油大學材料成型學科為滿足四川省經(jīng)濟發(fā)展以及石化行業(yè)對材料成型及控制工程專業(yè)人才的需求，結(jié)合學校的專業(yè)辦學指導思想，依托材料學科的優(yōu)勢，制定了我校材料成型及控制工程專業(yè)定位如下：秉承夯實基礎(chǔ)、注重創(chuàng)新意識、接觸前沿的理念，以材料成型理論為基礎(chǔ)，兼顧相近學科之間的交叉和融合，服務(wù)于地方經(jīng)濟及石化行業(yè)，建設(shè)成為培養(yǎng)材料成型及控制工程專業(yè)高級工程技術(shù)人才的工科專業(yè)。從2013—2014級，獲得四川省支持，開展“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”研究與實踐，2013—2014級設(shè)置了卓越工程師特色班。
一、課程教學特點
在材料成型專業(yè)中利用計算機數(shù)值模擬技術(shù)可以模擬分析材料成型中很多由實驗手段無法解決的關(guān)鍵技術(shù)問題，但由于材料成型專業(yè)方向的特點決定了該專業(yè)方向的數(shù)值模擬技術(shù)會涉及成型專業(yè)知識、力學、模擬軟件、數(shù)值分析方法等學科知識，并需要具備一定的實踐經(jīng)驗，才能對模擬結(jié)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(yīng)未來社會、企業(yè)對應(yīng)用型人才的需求，基于卓越工程師人才培養(yǎng)模式的改革與探索，在分析卓越計劃支持下材料成型數(shù)值模擬課程在材料成型專業(yè)本科階段教學特點基礎(chǔ)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(diào)動了學生的積極性，并利用第二課堂發(fā)揮他們的主動性和創(chuàng)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(shù)值模擬課程是在材料成型基本原理工藝的基礎(chǔ)上結(jié)合數(shù)值模擬技術(shù)。該課程內(nèi)容寬泛、概念性強、實踐操作要求高。傳統(tǒng)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(diào)和枯燥，在對課程案例教學的設(shè)計基礎(chǔ)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(shù)，在課件中將相關(guān)音頻和動畫視頻結(jié)合，例如演示各種工藝原理動畫和生產(chǎn)視頻，讓學生身臨其境學習，克服了學生生產(chǎn)實踐經(jīng)驗缺乏的問題，使課堂“教”與“學”得到良好的協(xié)調(diào)，對于學生理論應(yīng)用能力奠定了堅實的基礎(chǔ)。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(shè)計軟件的應(yīng)用及操作結(jié)合非常緊密，除了運用常規(guī)的PPT組織教學外，軟件的實際操作演示也是必不可少的環(huán)節(jié)。此外，錄像、光盤和網(wǎng)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(chǎn)實踐結(jié)合比較緊密，因此教學過程中將教師完成的相關(guān)科研工作經(jīng)歷結(jié)合到課堂教學中，體現(xiàn)了理論和實際的結(jié)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(shù)值模擬技術(shù)應(yīng)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(fā)現(xiàn)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(fā)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(fā)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(chuàng)造的過程中學習”，根據(jù)成型專業(yè)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(fā)式、討論式、教學做相結(jié)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(nèi)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(nèi)容由分組同學查相關(guān)的文獻資料收集整理，每組同學制作相關(guān)課件上臺介紹，然后在班級中開展集中討論，這樣既培養(yǎng)了學生在解決問題時確立科學的態(tài)度和方法，又充分發(fā)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(xié)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(tǒng)的材料成型實驗需要的實驗設(shè)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(jù)人才培養(yǎng)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(shù)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(shù)、選用設(shè)備和生產(chǎn)過程做出準確、快速的模擬分析及相應(yīng)控制參數(shù)的調(diào)整，還能對不同成型方法與工藝參數(shù)進一步比較優(yōu)化，通過對各個過程的精確設(shè)計與控制完成產(chǎn)品全過程的模擬加工；將虛擬制造技術(shù)應(yīng)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?zāi)＞哧P(guān)鍵工作部分形狀和尺寸設(shè)計的合理性，分析材料在加工過程的流動規(guī)律，預測缺陷的產(chǎn)生，此外還可以對相關(guān)工藝參數(shù)進行快速優(yōu)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(nèi)部質(zhì)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(jù)掌握的理論知識，設(shè)計材料成型方法、工藝參數(shù)，通過實踐模擬成型加工中材料的組織及性能變化，既激發(fā)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(tǒng)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(chuàng)意，阻礙了學生創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。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(yǎng)渠道，又充分發(fā)揮教師專業(yè)優(yōu)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(yōu)勢，結(jié)合專業(yè)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(shù)活動，充分發(fā)揮實驗教學中心優(yōu)質(zhì)教學資源的作用，更好地為學生能力培養(yǎng)服務(wù)，提高學生綜合應(yīng)用科學理論和各種實驗技術(shù)的能力和創(chuàng)新能力。
三、結(jié)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(shù)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(tǒng)的理論教學模式，將材料成型模擬與專業(yè)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(yǎng)計劃”下的工程材料課程建設(shè)[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(yè)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(yīng)用》課程教學設(shè)計[J].鑄造技術(shù),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(zhì)量研究.裝備制造技術(shù),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
