“材料成型計算機模擬”課程在新工業技術革命人才培養中的

范群波+李樹奎

摘要：伴隨著新工業技術革命時代的到來，相關技術人才的培養問題也呈現在廣大高校教學人員的面前。本文淺析了材料成型及控制工程專業“材料成型計算機模擬”課程在新工業革命技術人才中的潛在作用，并就其教學方法進行了初步的探討，從培養學生興趣、促進學生思考等角度，圍繞教學形式、考核方法等六個方面提出了一些有益的建議。

關鍵詞：新工業技術革命；人才培養；材料成型計算機模擬；教學方法

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的發展，人們正面臨新工業技術變革。為了適應新工業技術革命人才培養的需要，高校教學體系與教學法也同時面臨著巨大挑戰?！安牧铣尚陀嬎銠C模擬”課程作為材料成型及控制工程專業的一門主修課程，對于該專業的建設有重要作用。該課程知識覆蓋面較廣，內容涉及有限元、有限差分等數值模擬基本理論，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。

隨著時代的發展，材料成型工藝與計算機模擬技術的結合將更加緊密，而這方面人才還十分匱乏。作為教師，應認識到“材料成型計算機模擬”課程在新工業技術革命人才培養中的潛在作用。具體體現為：（1）有效促進復合型人才的培養。本課程相關教學內容將材料成型技術與計算機模擬仿真技術有機地結合在了一起，使學生掌握的知識面更廣，并能有效融合。學生在解決技術問題時，能夠將兩種技術相結合，充分利用所學的基礎知識，從多個角度、多個層次進行研究與分析。（2）為新興產業輸送技術人才。隨著社會的發展，涌現出許多新興產業，如3D打印、IC封裝等。這些產業的快速發展離不開新材料及其制備技術，而材料成型及計算機模擬技術在其中發揮了極為重要的作用。對于相關知識的了解與熟悉，必將為這些新興產業輸送大量的技術人才。（3）促進外延學科協同人才培養。本課程所在學科為材料工程，在跨學科協同教學的背景下，本課程的建設將大力促進材料工程學科人才的培養，同時也將在一定程度上促進外延學科的人才培養。

但大多數高等院校在設置該課程時，學時有限，傳統的知識灌輸式學習法在有限的教學時間內很難取得好的效果。如何充分利用各類教學資源來調動學生的積極性是教師面臨的一項重要任務。筆者結合實際教學經驗，認為不妨從以下六個方面開展教學。

一、順應時代，注重前沿

在開課之初，學生對一門全新課程的興趣對于其后期學習的投入程度十分重要。而新工業技術革命中各種新型技術及其發展前沿動向與學生的求知欲之間正好可以找到結合點。

以3D打印技術為例，該技術可使得所設計的CAD模型直接從電腦中的創意到產品的直接生成，完全顛覆了傳統的材料成型概念。也許在不久的將來，人們完全可以打印出與我們日常生活相關的物品。相信學生會對這一新技術充滿興趣。在此基礎上，再將一些該技術的難題展示在他們面前。

二、引經據典，寓教于樂

針對“材料成型計算機模擬”課程教學，若一味地強調概念、算法等，必然導致課堂內容索然無味。為此，可以引入一些相關的故事，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；德國人魯道夫，耗盡了一生的時間，計算到圓的內接正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；一位英國人，用了15年時間，算出了圓周率小數點后的707位，但遺憾的是，后人發現，他從第528位開始就算錯了。這些，必然會激發學生的興趣，使他們開始逐漸認識到化整為零古來有之，且在科學研究上占據著重要的位置。

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——矩陣結構力學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，但內容涵蓋剛度方程、剛度矩陣、坐標轉換等。在講解過程中，建議以最簡單的三節點三桿單元桁架結構為研究對象，闡述各節點所承受的力載荷分量與各節點位移分量之間的線性函數關系。函數形式雖然簡單，但其常規的數學表達式顯得冗長，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，故必須轉移到局域坐標系下的剛度方程上。在此基礎上，進一步由局域坐標系下的剛度方程推導出全局坐標系下的剛度方程等。通過這種由淺入深、循序漸進的教學形式，讓學生逐步領會相關基礎理論的來龍去脈。

四、注重板書，師生互動

隨著多媒體時代的到來，采用Powpoint幻燈片形式的教學模式已取代了板書教學模式。多媒體的演示可迅速吸引學生的眼球，然而在“材料成型計算機模擬”課程的教學中，相關理論公式的推導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，很難讓學生真正掌握其內涵。

面對這種局面，傳統的板書形式卻可以煥發出新的活力，激發出學生潛在的學習動力。課堂上，可以先列出一些基本原理和概念，以問題的形式讓學生參與公式的推導。例如，在推導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■=■■、位移轉換矩陣■=Tu以及力轉換矩陣f=TT■；之后，要求學生相互討論，并根據所學的線性代數知識建立起k與k之間的函數關系。學生通過彼此交流，甚至激烈爭論，最終寫出了關系式：k=TTkT或■=TkTT，當然方程k=TT■T在后續計算中更具有實際意義。為鼓勵學生的學習熱情，建議讓學生走上講臺，在黑板上演算自己的推導過程，之后再由教師和其他學生一起討論該公式推導的正確性及適用范圍，真正地實現師生互動。endprint

五、結合軟件，學以致用

除在課堂上講授相關基礎理論知識外，還不能忽視專業軟件的學習。“材料成型計算機模擬”課程至少應安排10個學時左右的上機時間，學習幾何模型構建、網格剖分、載荷施加、邊界條件定義等知識。在學習過程中，應盡量與之前課堂上講解的一些計算實例相結合，如桁架結構節點位移的計算等。在學生對軟件操作比較熟悉后，再與一些工程實例相結合，如在砂型鑄造過程中，鋼液溫度場的數值模擬，要求學生掌握溫度云圖、等值線等后處理技巧。

除此之外，還應讓學生逐步掌握一些簡單的編程知識，包括Ansys軟件中的APDL參數化設計語言。特別需要說明的時，相關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，學生可以在短期內掌握相關的編程技巧，并意識到與圖形用戶界面GUI相比編程計算可以極大地節省程序的調試時間，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過程的重要環節，但考試并不是目的。針對這一問題，可以考慮設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，是將學生分為若干組，并把與科研相關的一些命題交于學生完成。分組形式可以多樣化，如建模組、計算組以及軟件學習組，其具體內容如圖2所示。

考慮到課程的教學時間相對有限，建議考核分組應在開課之初完成，具體內容可交于學生自行根據興趣選擇，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。學生將會發現，課堂上所學知識其實并不夠，還需要根據相關任務主動去尋找一些學習資料。尤其是軟件學習組，課堂上所講述的內容并不會涉及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，從而充分挖掘其學習潛力。從初步地嘗試來看，這一任務型的教學方式還是頗受學生歡迎的。

七、結語

在新工業技術革命的大背景下，“材料成型計算機模擬”課程的開展與建設將有效促進復合型科研人才的培養，為新型產業輸送技術型人才，促進外延學科的協同人才培養。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氣息，從而達到人才培養的目的。endprint