基于“板料成形CAD/CAE4”課程項目式混合教學改革的探索

劉華 劉紅生 尤芳怡

[摘 要] 針對當前板料成形CAD/CAE課程面臨的主要問題及挑戰，對專業課程進行了改革?；贠BE能力培養和工作過程系統化的理念，對原課程教學內容重構，將基礎知識、工具性知識移至線上平臺，以節省教學時間，而專業知識和綜合性知識則主要放在課堂教學完成。重新選擇工程零件制定綜合性項目，以提高學生創新能力和解決復雜工程問題的能力。在課堂教學模式中采用翻轉課堂、對分課堂等多種形式進行混合式教學。通過上述改革措施，學生能力得到提高，教學質量有所提升。

[關鍵詞] 項目式教學;板料成形;混合教學;CAE技術

[基金項目] 2020年度華僑大學創新創業教育改革立項項目“基于‘互聯網+新背景下創新能力培養的creo三維建模課程教材改革”（校就創〔2020〕3號）;2020年度華僑大學新工科示范課程建設立項項目“三維建模及應用”（教〔2020〕74號）;2020年度華僑大學虛擬仿真實驗教學培育項目“多能場輔助高強度鋼板熱沖壓成形技術虛擬仿真實驗”（設備〔2020〕7號） [作者簡介] 劉 華（1977—），男，河南許昌人，碩士，華僑大學機電及自動化學院講師，主要從事金屬塑性成形工藝及有限元優化分析;劉紅生（1975—），男，江西峽江人，博士，華僑大學機電及自動化學院教授，主要從事高強鋼沖壓成形工藝與理論;尤芳怡（1971—），女，福建泉州人，博士，華僑大學機電及自動化學院副教授，主要從事材料與制造工藝、模具設計與制造等方面的教學研究。

[中圖分類號] G642.0? ? [文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2021）20-0061-04? ? [收稿日期] 2021-03-01

一、前言

板料成形CAD/CAE課程是材料成形與控制工程專業的一門重要的專業核心課，在工程中能夠縮短模具設計周期、節省成本，是制造業數字化、智能化的必需技術，也是當前大學生參與后續模具課程設計、畢業設計、各類創新大賽、互聯網+大賽必須掌握的一項關鍵技術。熟練操作CAD/CAE軟件，已經成為工程設計人員不可或缺的基本能力[1]。當前，此類課程的教學內容和方式主要以建模和有限元理論為基礎。結合CAE軟件功能教學，學生依照教學步驟完成示范教學模型的建構和CAE分析。通過多年教學發現，在此教學模式下，學生嚴重缺乏創新思維和創新能力。此外，當前教學還面臨學時有限、生師比高、實踐教學欠缺、學習興趣不高、創新能力不足等長期困擾教學的難題。

當前，世界范圍內，新一輪的科技革命和產業變革以及席卷全球的新經濟的蓬勃發展，對工程教育的改革和發展提出了新的挑戰[2]。國內工程認證和新工科建設又對教學質量和人才培養提出了更高的要求[3]。課程現有教學內容及方法等難以體現成果導向、以學生為中心、持續改進的基本理念。為適應這些需求，培養目標、教學內容和教學方式都需要轉變，要更加注重提高學生的學習興趣、學習參與度、學習效果和創新能力培養[4，5]。

為適應時代變化以及國家對高校教學提出的新挑戰和新要求，本文針對材料成型與控制工程專業的CAD/CAE系列課程進行了教學改革探索。

二、針對項目式教學的內容再組織

（一）基于項目式教學的內容重構

當前，課程教材基本按照成形理論、成形工藝特點、有限元理論、CAE分析技術等內容編寫，沒有按照創新能力培養的特點對課程教學內容進行系統、深入研究。成形理論和成形工藝相關知識大多已在“金屬塑形成形原理”“材料科學基礎”和“沖壓模具設計”等課程內講解;有限元理論部分知識過于枯燥，且需要投入較多的教學時間。這導致CAE分析部分內容只能簡單地作為一門計算機輔助軟件對其操作逐一講解，難以進行細致、深入的分析，更加難以對結果進行優化，而這部分恰恰是本課程的核心。因而，使用此類教材學習時，學生僅能完成軟件基本功能使用與練習，難以激發學習興趣，更加難以獨立、創新地進行有限元建模分析及優化訓練。同時，按照原教材教學，也不能體現作為實踐創新能力培養課程的特色，更不能很好地符合當前專業工程認證對創新能力培養的需求。

課題組提出，要進行以培養學生建模思維、激發創新能力為目標的課程改革。新的課程體系中，要根據培養具備工程應用及研究素質復合型工程人才的培養目標，參照創新能力培養方法，將教學知識點全面、系統地進行梳理，對教學內容進行優化整合;同時，基于OBE（outcomes-based education）能力培養要求，將課程知識劃為基礎知識、專業知識、工具性知識和綜合性知識等。依據這四部分知識的不同學習特點和方式教學，將基礎知識、工具性知識前移至線上平臺，由學生自行完成;課程內側重專業知識和綜合性知識的學習，設置相對應的新型創新能力培養項目。

（二）綜合性項目的制定

基于OBE能力培養和工作過程系統化的理念，教學團隊將教學內容概括在若干綜合項目之內，以典型工作任務為載體，綜合成形理論、成形工藝、CAE軟件操作技能和專業素養為一體的思路進行設計。項目難度從簡單到復雜逐步提高，每一個項目都是一個機械零件的有限元建模到仿真分析的全部過程。其教學內容設置上囊括零件的幾何建模、成形工藝、有限元建模、模擬計算及仿真分析、動畫等環節。教學內容更加注重以任務驅動學習，學生通過領取任務，在完成任務強烈動機的驅動下自我探索學習，從而成為學習過程的主體。學生在完成任務的過程中，不僅獲得了有限元建模所需的基礎知識和工具性技能，還掌握了有限元相關專業知識和綜合分析能力，能及時看到自己的項目成果和優化結果。

綜合項目的選擇應該遵循全工作流程、由易到難、由簡到繁的原則，每個項目逐步增加專業知識和綜合性知識的學習，最終制定10個項目的課程體系（見表1），包括原課程的所有知識點，并結合后續專業課程將產品結構設計、模具結構、工藝知識、工程師素養融入項目任務，以項目驅動創新能力、綜合能力的培養。學生通過這些項目的訓練，對板料成形的CAE分析基本滿足了今后工作中的需要，對模具結構、模面補充、有限元建模、多工序模擬、回彈及回彈補償和模擬結果優化分析等全過程有一個全面的了解。對于難度較大的項目，在課堂教學時，可采用翻轉課堂、對分課堂等形式，由小組協作完成，介紹項目完成及優化過程等，培養學生的團隊協作能力。