“材料成型計算機模擬”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)“材料成型計算機模擬”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)方法進行了初步的探討，從培養(yǎng)學(xué)生興趣、促進學(xué)生思考等角度，圍繞教學(xué)形式、考核方法等六個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)；材料成型計算機模擬；教學(xué)方法

中圖分類號：G642.41 文獻標志碼：A 文章編號：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)法也同時面臨著巨大挑戰(zhàn)。“材料成型計算機模擬”課程作為材料成型及控制工程專業(yè)的一門主修課程，對于該專業(yè)的建設(shè)有重要作用。該課程知識覆蓋面較廣，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。

隨著時代的發(fā)展，材料成型工藝與計算機模擬技術(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)認識到“材料成型計算機模擬”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)與計算機模擬仿真技術(shù)有機地結(jié)合在了一起，使學(xué)生掌握的知識面更廣，并能有效融合。學(xué)生在解決技術(shù)問題時，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，從多個角度、多個層次進行研究與分析。（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)，而材料成型及計算機模擬技術(shù)在其中發(fā)揮了極為重要的作用。對于相關(guān)知識的了解與熟悉，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)將大力促進材料工程學(xué)科人才的培養(yǎng)，同時也將在一定程度上促進外延學(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，學(xué)時有限，傳統(tǒng)的知識灌輸式學(xué)習(xí)法在有限的教學(xué)時間內(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)動學(xué)生的積極性是教師面臨的一項重要任務(wù)。筆者結(jié)合實際教學(xué)經(jīng)驗，認為不妨從以下六個方面開展教學(xué)。

一、順應(yīng)時代，注重前沿

在開課之初，學(xué)生對一門全新課程的興趣對于其后期學(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)展前沿動向與學(xué)生的求知欲之間正好可以找到結(jié)合點。

以3D打印技術(shù)為例，該技術(shù)可使得所設(shè)計的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)生會對這一新技術(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“材料成型計算機模擬”課程教學(xué)，若一味地強調(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，通常會提及化整為零的概念。于是，可以引入圓周率計算的一些歷史故事。“圓徑一而周三有余”，事實上中國古代的張衡、劉徽等人都曾用“割圓法”開展了圓周率的研究；德國人魯?shù)婪颍谋M了一生的時間，計算到圓的內(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年時間，算出了圓周率小數(shù)點后的707位，但遺憾的是，后人發(fā)現(xiàn)，他從第528位開始就算錯了。這些，必然會激發(fā)學(xué)生的興趣，使他們開始逐漸認識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

“材料成型計算機模擬”課程所涉及到的有限元等方法，理論性較強，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、坐標轉(zhuǎn)換等。在講解過程中，建議以最簡單的三節(jié)點三桿單元桁架結(jié)構(gòu)為研究對象，闡述各節(jié)點所承受的力載荷分量與各節(jié)點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個待定元素，不能直接寫出，故必須轉(zhuǎn)移到局域坐標系下的剛度方程上。在此基礎(chǔ)上，進一步由局域坐標系下的剛度方程推導(dǎo)出全局坐標系下的剛度方程等。通過這種由淺入深、循序漸進的教學(xué)形式，讓學(xué)生逐步領(lǐng)會相關(guān)基礎(chǔ)理論的來龍去脈。

四、注重板書，師生互動

隨著多媒體時代的到來，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“材料成型計算機模擬”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，這種被動接收信息的形式，很難讓學(xué)生真正掌握其內(nèi)涵。

面對這種局面，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，當然方程k=TT■T在后續(xù)計算中更具有實際意義。為鼓勵學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，建議讓學(xué)生走上講臺，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，真正地實現(xiàn)師生互動。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)理論知識外，還不能忽視專業(yè)軟件的學(xué)習(xí)。“材料成型計算機模擬”課程至少應(yīng)安排10個學(xué)時左右的上機時間，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。在學(xué)習(xí)過程中，應(yīng)盡量與之前課堂上講解的一些計算實例相結(jié)合，如桁架結(jié)構(gòu)節(jié)點位移的計算等。在學(xué)生對軟件操作比較熟悉后，再與一些工程實例相結(jié)合，如在砂型鑄造過程中，鋼液溫度場的數(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，包括Ansys軟件中的APDL參數(shù)化設(shè)計語言。特別需要說明的時，相關(guān)編程語言不必去死記，只要知道在需要的時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，并意識到與圖形用戶界面GUI相比編程計算可以極大地節(jié)省程序的調(diào)試時間，且更靈活。

六、考核方式，靈活多樣

“材料成型計算機模擬”課程的考試也是整個教學(xué)過程的重要環(huán)節(jié)，但考試并不是目的。針對這一問題，可以考慮設(shè)置形式多樣的考核方式，比如平時成績、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)時間相對有限，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，且同時鼓勵組與組之間、組員與組員之間進行廣泛地交流和討論。學(xué)生將會發(fā)現(xiàn)，課堂上所學(xué)知識其實并不夠，還需要根據(jù)相關(guān)任務(wù)主動去尋找一些學(xué)習(xí)資料。尤其是軟件學(xué)習(xí)組，課堂上所講述的內(nèi)容并不會涉及Procast、LS-Dyna這些軟件，但在考核時需要針對一些典型實例當眾演示并進行簡單地講解。為此，學(xué)生必然會主動地投入一定的精力和時間，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，“材料成型計算機模擬”課程的開展與建設(shè)將有效促進復(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，促進外延學(xué)科的協(xié)同人才培養(yǎng)。而將前沿研究帶進課堂、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、有效地掌握軟件操作及啟動靈活多樣的考核方式必將帶來全新的教學(xué)氣息，從而達到人才培養(yǎng)的目的。endprint