“材料成型數(shù)值模擬”課程智能化教學(xué)探索
——以“金屬板料拉深成形”為例

吳 菲，章爭榮，李傳強(qiáng)，董 勇

（廣東工業(yè)大學(xué)材料與能源學(xué)院 廣東 廣州 510006）

“材料成型數(shù)值模擬”是材料成型及控制工程本科專業(yè)的必修課程。本科層面“材料成型過程數(shù)值模擬”教學(xué)主要以應(yīng)用實(shí)例講解為主，側(cè)重于將材料成型過程數(shù)值模擬基礎(chǔ)理論與實(shí)用的專業(yè)知識及專業(yè)技能有機(jī)結(jié)合，使學(xué)生能夠在短時間內(nèi)開闊專業(yè)視野，熟悉借助CAE方法解決實(shí)際問題的基本思路及其過程[1-5]。對于工程實(shí)踐知識薄弱的學(xué)生，將材料成型專業(yè)理論與數(shù)值模擬技術(shù)理論與實(shí)踐有效融合的教學(xué)模式，將有利于培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用模擬技術(shù)分析和解決工程實(shí)際問題的能力。2015年以來，我國陸續(xù)出臺了一系列政策措施以支持教育信息化發(fā)展，從而拓展了教育改革的新路徑[6-8]。充分利用云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、虛擬現(xiàn)實(shí)、人工智能等信息化新技術(shù)，有針對性地設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容，優(yōu)化教學(xué)手段，改革教學(xué)方法，高效利用有限的課堂時間，將有限的學(xué)時與學(xué)生課下的空閑時間有機(jī)結(jié)合，構(gòu)建開放、共享、交互、協(xié)作的新型教學(xué)模式[9-10]。

1 “材料成型數(shù)值模擬”教學(xué)問題分析

本課程依托教材為傅建、肖兵編著，化學(xué)工業(yè)出版社出版，高等教育“十三五”規(guī)劃教材《材料成型過程數(shù)值模擬》第二版。重點(diǎn)介紹數(shù)值模擬技術(shù)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(yīng)用[4]。該課程共安排40學(xué)時，其中理論34學(xué)時，軟件實(shí)踐16學(xué)時。前期集中進(jìn)行理論知識教學(xué)，主要為應(yīng)用案例數(shù)值模擬前處理、后處理及模擬結(jié)果專業(yè)分析，而后再去電腦實(shí)訓(xùn)室進(jìn)行軟件實(shí)踐，實(shí)踐環(huán)節(jié)放在課程后半段，滯后于理論教學(xué)。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(shù)值模擬軟件實(shí)驗(yàn)平臺。理論課程展開以實(shí)際應(yīng)用案例的數(shù)值模擬專業(yè)分析為主。實(shí)踐學(xué)時有限，不能將每類案例都進(jìn)行軟件的數(shù)值模擬實(shí)踐。學(xué)生沒有使用模擬軟件的經(jīng)歷，教師只是在課堂上對數(shù)值分析結(jié)果進(jìn)行單純地分析，學(xué)生不能感受模擬實(shí)踐條件變化對模擬結(jié)果的影響。此外，每類數(shù)值模擬軟件需經(jīng)一段時間學(xué)習(xí)與練習(xí)才能完成綜合實(shí)例模擬分析，在不同軟件間學(xué)習(xí)、實(shí)踐與切換難度大。因此，實(shí)踐與理論分離式的傳統(tǒng)教學(xué)模式不能實(shí)現(xiàn)教師與學(xué)生的有效互動，學(xué)生也不能進(jìn)行課前與課后自主學(xué)習(xí)。有限的實(shí)踐學(xué)習(xí)，并不能達(dá)到多個綜合案例數(shù)值的模擬實(shí)踐，不能同步用于課堂綜合案例的理解與互動，弱化了實(shí)踐課程對理論課程的輔助教學(xué)意義，教-學(xué)-練時空存在滯后性。

2 應(yīng)用案例智能化同步的新型教學(xué)模式

我國已進(jìn)入教育信息化2.0時代，針對上述“材料成型數(shù)值模擬”傳統(tǒng)教學(xué)模式產(chǎn)生的問題，本文提出“材料成型數(shù)值模擬課程應(yīng)用案例智能化同步教學(xué)”的新型模式，具體為：將數(shù)據(jù)庫、互聯(lián)網(wǎng)與智能化終端技術(shù)相結(jié)合，開發(fā)“材料成型數(shù)值模擬應(yīng)用案例APP”，該APP包括材料成型數(shù)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(shù)值模擬前處理模塊、后處理結(jié)果及結(jié)果專業(yè)分析模塊組成。以“材料成型數(shù)值模擬應(yīng)用案例APP”為載體，可以解決線下學(xué)時少的問題，將有限的學(xué)時與學(xué)生空閑時間有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)課前、課中、課后全過程有重點(diǎn)的同步學(xué)與練。課前，學(xué)生將“材料成型數(shù)值模擬應(yīng)用案例APP”安裝在智能終端（手機(jī)或電腦），選擇將要學(xué)習(xí)的模塊，通過模塊選擇引導(dǎo)，對前處理?xiàng)l件進(jìn)行任意選擇，在后處理模塊匹配相應(yīng)處理結(jié)果及專業(yè)分析，學(xué)生可利用此APP進(jìn)行課前精準(zhǔn)的自主預(yù)習(xí)；理論課堂，學(xué)生無須會某個數(shù)值模擬軟件，只需在相應(yīng)模塊進(jìn)行參數(shù)選擇則可直接生成數(shù)值模擬動態(tài)結(jié)果。學(xué)生可通過手機(jī)APP與教師實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)教學(xué)互動。學(xué)生通過模塊化選擇過程可感知數(shù)值模擬軟件的實(shí)現(xiàn)過程，打破常規(guī)教學(xué)中應(yīng)用案例實(shí)踐滯后于理論分析、理論課堂PPT靜態(tài)化教學(xué)、學(xué)生被動接受的教學(xué)模式。實(shí)踐課堂，將“材料成型數(shù)值模擬APP”應(yīng)用于數(shù)值模擬軟件實(shí)踐課程，將APP前處理、后處理及后處理結(jié)果分別與實(shí)踐課程中真實(shí)數(shù)值模擬軟件相對應(yīng)，對應(yīng)用案例實(shí)踐課程起到理論指引；課后，將“材料成型數(shù)值模擬APP”應(yīng)用于課后練習(xí)，學(xué)生可精準(zhǔn)開展專業(yè)重難點(diǎn)復(fù)習(xí)鞏固與練習(xí)。

3 新型教學(xué)模式實(shí)施

首先，建立教學(xué)案例數(shù)據(jù)庫。以材料成型數(shù)值模擬教學(xué)重難點(diǎn)確定相應(yīng)的包含軟件學(xué)習(xí)和沖壓成形專業(yè)知識的綜合應(yīng)用案例。改變傳統(tǒng)教學(xué)中一個案例對應(yīng)一種前處理?xiàng)l件和一種模擬結(jié)果的學(xué)習(xí)模式，對案例前處理?xiàng)l件進(jìn)行2種或2種以上改變，獲得不同前處理?xiàng)l件下數(shù)值模擬分析結(jié)果，采用1例多變化以闡明模擬工藝條件對沖壓成形結(jié)果產(chǎn)生的影響。選擇3-5個可將數(shù)值模擬軟件與材料成型專業(yè)知識融合的應(yīng)用案例，對每種案例變換3種不同的前處理?xiàng)l件，產(chǎn)生3種不同的數(shù)值模擬結(jié)果。以此為基礎(chǔ)建立材料成型數(shù)值模擬前處理-數(shù)值模擬結(jié)果-結(jié)果專業(yè)理論分析相對應(yīng)的應(yīng)用案例數(shù)據(jù)庫。然后以應(yīng)用案例數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)進(jìn)行APP開發(fā)。將“材料成型數(shù)值模擬APP”分為前處理、后處理結(jié)果、后處理分析三大模塊，從而實(shí)現(xiàn)課堂教學(xué)只需通過選擇一種前處理?xiàng)l件，則會產(chǎn)生對應(yīng)的后處理結(jié)果及后處理結(jié)果分析。

4 以“金屬沖壓拉深成形數(shù)值模擬”為例的實(shí)施方案

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

圖1 實(shí)施方案流程圖

①依托教材及人才培養(yǎng)目標(biāo)，教學(xué)大綱、目標(biāo)、重點(diǎn)、難點(diǎn)，選擇3個綜合應(yīng)用案例，且每個案例前處理?xiàng)l件進(jìn)行3種變換。

②采用Dynaform軟件對上述3個教學(xué)案例進(jìn)行軟件數(shù)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(shù)等關(guān)鍵沖壓成形參數(shù)形成3組不同的對比數(shù)據(jù)，對數(shù)值模擬結(jié)果從成形極限、減薄壁率、主應(yīng)變、邊界運(yùn)動等關(guān)鍵后處理結(jié)果衡量參數(shù)進(jìn)行成形結(jié)果分析，并將前處理?xiàng)l件與后處理結(jié)果及后處理結(jié)果的專業(yè)分析形成對應(yīng)，并將此對應(yīng)數(shù)據(jù)建立數(shù)據(jù)庫資源。

③依據(jù)所建立數(shù)據(jù)庫開發(fā)材料成型數(shù)值模擬應(yīng)用案例APP中的金屬沖壓拉深成形數(shù)值模擬模塊，主要為前處理模擬、后處理模塊，結(jié)果分析模塊。前處理模塊主要包括所需要改變的前處理?xiàng)l件，后處理模塊主要包括模擬結(jié)果所對應(yīng)的成形現(xiàn)象分析參數(shù)，結(jié)果分析模塊主要包括每一種成形現(xiàn)象所對應(yīng)的專業(yè)理論分析。

④將材料成型數(shù)值模擬APP分享給學(xué)生進(jìn)行自主預(yù)習(xí)，學(xué)生無須花時間學(xué)某個軟件，可直接在APP里進(jìn)行前處理組合而直接獲得不同的后處理結(jié)果及相應(yīng)的后處理專業(yè)分析。

⑤將材料成型數(shù)值模擬APP應(yīng)用于課堂，可實(shí)現(xiàn)教師、學(xué)生與應(yīng)用案例資源的無障礙有效溝通，無須進(jìn)行具體軟件實(shí)踐，可實(shí)現(xiàn)教-學(xué)-練的同步教學(xué)模式，激發(fā)學(xué)生興趣，更直觀感受成形工藝數(shù)值模擬條件對結(jié)果的影響。

⑥將材料成型數(shù)值模擬APP應(yīng)用于機(jī)房實(shí)踐，可對實(shí)踐課程進(jìn)行指引。

⑦將材料成型數(shù)值模擬APP應(yīng)用于課后練習(xí)，學(xué)生可精準(zhǔn)開展專業(yè)重難點(diǎn)復(fù)習(xí)鞏固與練習(xí)，感知自己感興趣或需要重點(diǎn)學(xué)習(xí)的成形工藝數(shù)值模擬軟件，然后確定各自需重點(diǎn)學(xué)習(xí)的軟件類別。

5 結(jié)語

本文將“材料成型數(shù)值模擬”課程與現(xiàn)代數(shù)據(jù)庫、互聯(lián)網(wǎng)、智能化終端技術(shù)相結(jié)合，提出“材料成型數(shù)值模擬課程”應(yīng)用案例智能化同步教-學(xué)-練新型教學(xué)模式。通過“材料成型數(shù)值模擬應(yīng)用案例APP”，學(xué)生無須掌握數(shù)值模擬軟件，通過智能終端同步體驗(yàn)數(shù)值模擬過程中不同條件帶來的結(jié)果變化，即可實(shí)現(xiàn)教-學(xué)-練智能化同步，課堂與課下精準(zhǔn)教學(xué)與練習(xí)，實(shí)現(xiàn)老師-學(xué)生-學(xué)習(xí)資源同步互動，實(shí)現(xiàn)數(shù)值模擬應(yīng)用案例理論與實(shí)踐的同步融合，抽象變?yōu)樾蜗螅粍幼冎鲃樱蟠笤鰪?qiáng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)習(xí)效率，改善了教學(xué)質(zhì)量。