“材料成型數值模擬”課程智能化教學探索
——以“金屬板料拉深成形”為例

吳 菲，章爭榮，李傳強，董 勇

（廣東工業大學材料與能源學院 廣東 廣州 510006）

“材料成型數值模擬”是材料成型及控制工程本科專業的必修課程。本科層面“材料成型過程數值模擬”教學主要以應用實例講解為主，側重于將材料成型過程數值模擬基礎理論與實用的專業知識及專業技能有機結合，使學生能夠在短時間內開闊專業視野，熟悉借助CAE方法解決實際問題的基本思路及其過程[1-5]。對于工程實踐知識薄弱的學生，將材料成型專業理論與數值模擬技術理論與實踐有效融合的教學模式，將有利于培養學生應用模擬技術分析和解決工程實際問題的能力。2015年以來，我國陸續出臺了一系列政策措施以支持教育信息化發展，從而拓展了教育改革的新路徑[6-8]。充分利用云計算、大數據、虛擬現實、人工智能等信息化新技術，有針對性地設計教學內容，優化教學手段，改革教學方法，高效利用有限的課堂時間，將有限的學時與學生課下的空閑時間有機結合，構建開放、共享、交互、協作的新型教學模式[9-10]。

1 “材料成型數值模擬”教學問題分析

本課程依托教材為傅建、肖兵編著，化學工業出版社出版，高等教育“十三五”規劃教材《材料成型過程數值模擬》第二版。重點介紹數值模擬技術在金屬鑄造成形、沖壓成形、鍛壓成形、焊接成形以及塑料注射成形中的應用[4]。該課程共安排40學時，其中理論34學時，軟件實踐16學時。前期集中進行理論知識教學，主要為應用案例數值模擬前處理、后處理及模擬結果專業分析，而后再去電腦實訓室進行軟件實踐，實踐環節放在課程后半段，滯后于理論教學。本課程共涉及金屬、塑料和焊接三大類，七小類成形方法，采用6種不同數值模擬軟件實驗平臺。理論課程展開以實際應用案例的數值模擬專業分析為主。實踐學時有限，不能將每類案例都進行軟件的數值模擬實踐。學生沒有使用模擬軟件的經歷，教師只是在課堂上對數值分析結果進行單純地分析，學生不能感受模擬實踐條件變化對模擬結果的影響。此外，每類數值模擬軟件需經一段時間學習與練習才能完成綜合實例模擬分析，在不同軟件間學習、實踐與切換難度大。因此，實踐與理論分離式的傳統教學模式不能實現教師與學生的有效互動，學生也不能進行課前與課后自主學習。有限的實踐學習，并不能達到多個綜合案例數值的模擬實踐，不能同步用于課堂綜合案例的理解與互動，弱化了實踐課程對理論課程的輔助教學意義，教-學-練時空存在滯后性。

2 應用案例智能化同步的新型教學模式

我國已進入教育信息化2.0時代，針對上述“材料成型數值模擬”傳統教學模式產生的問題，本文提出“材料成型數值模擬課程應用案例智能化同步教學”的新型模式，具體為：將數據庫、互聯網與智能化終端技術相結合，開發“材料成型數值模擬應用案例APP”，該APP包括材料成型數值模擬課程中金屬鑄造成形、金屬沖壓成形、金屬鍛壓成形、金屬焊接成形、塑料注射成形五個模塊，每個模塊分別由數值模擬前處理模塊、后處理結果及結果專業分析模塊組成。以“材料成型數值模擬應用案例APP”為載體，可以解決線下學時少的問題，將有限的學時與學生空閑時間有機結合，實現課前、課中、課后全過程有重點的同步學與練。課前，學生將“材料成型數值模擬應用案例APP”安裝在智能終端（手機或電腦），選擇將要學習的模塊，通過模塊選擇引導，對前處理條件進行任意選擇，在后處理模塊匹配相應處理結果及專業分析，學生可利用此APP進行課前精準的自主預習；理論課堂，學生無須會某個數值模擬軟件，只需在相應模塊進行參數選擇則可直接生成數值模擬動態結果。學生可通過手機APP與教師實現精準教學互動。學生通過模塊化選擇過程可感知數值模擬軟件的實現過程，打破常規教學中應用案例實踐滯后于理論分析、理論課堂PPT靜態化教學、學生被動接受的教學模式。實踐課堂，將“材料成型數值模擬APP”應用于數值模擬軟件實踐課程，將APP前處理、后處理及后處理結果分別與實踐課程中真實數值模擬軟件相對應，對應用案例實踐課程起到理論指引；課后，將“材料成型數值模擬APP”應用于課后練習，學生可精準開展專業重難點復習鞏固與練習。

3 新型教學模式實施

首先，建立教學案例數據庫。以材料成型數值模擬教學重難點確定相應的包含軟件學習和沖壓成形專業知識的綜合應用案例。改變傳統教學中一個案例對應一種前處理條件和一種模擬結果的學習模式，對案例前處理條件進行2種或2種以上改變，獲得不同前處理條件下數值模擬分析結果，采用1例多變化以闡明模擬工藝條件對沖壓成形結果產生的影響。選擇3-5個可將數值模擬軟件與材料成型專業知識融合的應用案例，對每種案例變換3種不同的前處理條件，產生3種不同的數值模擬結果。以此為基礎建立材料成型數值模擬前處理-數值模擬結果-結果專業理論分析相對應的應用案例數據庫。然后以應用案例數據庫為基礎進行APP開發。將“材料成型數值模擬APP”分為前處理、后處理結果、后處理分析三大模塊，從而實現課堂教學只需通過選擇一種前處理條件，則會產生對應的后處理結果及后處理結果分析。

4 以“金屬沖壓拉深成形數值模擬”為例的實施方案

以“金屬拉深成形”應用案例智能化APP開發為例具體闡明本改革實施思路，實施方案如圖1（p125）所示。

圖1 實施方案流程圖

①依托教材及人才培養目標，教學大綱、目標、重點、難點，選擇3個綜合應用案例，且每個案例前處理條件進行3種變換。

②采用Dynaform軟件對上述3個教學案例進行軟件數值模擬分析，并且每個案例改變材料屬性、模具間隙、摩擦系數等關鍵沖壓成形參數形成3組不同的對比數據，對數值模擬結果從成形極限、減薄壁率、主應變、邊界運動等關鍵后處理結果衡量參數進行成形結果分析，并將前處理條件與后處理結果及后處理結果的專業分析形成對應，并將此對應數據建立數據庫資源。

③依據所建立數據庫開發材料成型數值模擬應用案例APP中的金屬沖壓拉深成形數值模擬模塊，主要為前處理模擬、后處理模塊，結果分析模塊。前處理模塊主要包括所需要改變的前處理條件，后處理模塊主要包括模擬結果所對應的成形現象分析參數，結果分析模塊主要包括每一種成形現象所對應的專業理論分析。

④將材料成型數值模擬APP分享給學生進行自主預習，學生無須花時間學某個軟件，可直接在APP里進行前處理組合而直接獲得不同的后處理結果及相應的后處理專業分析。

⑤將材料成型數值模擬APP應用于課堂，可實現教師、學生與應用案例資源的無障礙有效溝通，無須進行具體軟件實踐，可實現教-學-練的同步教學模式，激發學生興趣，更直觀感受成形工藝數值模擬條件對結果的影響。

⑥將材料成型數值模擬APP應用于機房實踐，可對實踐課程進行指引。

⑦將材料成型數值模擬APP應用于課后練習，學生可精準開展專業重難點復習鞏固與練習，感知自己感興趣或需要重點學習的成形工藝數值模擬軟件，然后確定各自需重點學習的軟件類別。

5 結語

本文將“材料成型數值模擬”課程與現代數據庫、互聯網、智能化終端技術相結合，提出“材料成型數值模擬課程”應用案例智能化同步教-學-練新型教學模式。通過“材料成型數值模擬應用案例APP”，學生無須掌握數值模擬軟件，通過智能終端同步體驗數值模擬過程中不同條件帶來的結果變化，即可實現教-學-練智能化同步，課堂與課下精準教學與練習，實現老師-學生-學習資源同步互動，實現數值模擬應用案例理論與實踐的同步融合，抽象變為形象，被動變主動，大大增強了學生的學習興趣，提高了學習效率，改善了教學質量。