基于自主開發(fā)的數(shù)值模擬軟件在材料成形過程教學(xué)中的運(yùn)用

摘"要：材料成形及控制工程專業(yè)開設(shè)的課程中有大量關(guān)于鑄造工藝、注塑成型工藝等內(nèi)容，在相關(guān)課程課堂教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)中遇到的許多問題過于復(fù)雜，很難調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，若能將華鑄CAE及華塑CAE廣泛運(yùn)用到材料學(xué)院的教學(xué)過程中，不僅能夠大大便于工藝分析、三維模擬等模塊，而且能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。該文給出材料學(xué)院教學(xué)過程中運(yùn)用華鑄CAE、華塑CAE軟件的規(guī)劃。

關(guān)鍵詞：華鑄CAE；華塑CAE；課程改革；教學(xué)內(nèi)容；新工科

中圖分類號(hào)：G642"""文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A"""""文章編號(hào)：2096-000X（2025）01-0067-05

Abstract：Therearealotofcontentsaboutcastingtechnologyandinjectionmoldingtechnologyinthecoursesofmaterialformingandcontrolengineeringspecialty.Manyproblemsencounteredintheclassroomteachingandpracticeteachingofrelatedcoursesaretoocomplicated，itisdifficulttoarousetheenthusiasmofstudents.IfInteCASTandHSCAEcanbewidelyusedintheteachingprocessofMaterialInstitute，itcannotonlyfacilitatetheprocessanalysis，three-dimensionalsimulationandothermodules，butalsostimulatestudents'interestinlearning.ThispaperpresentstheprogrammingofinteCASTandHSCAEsoftwareintheteachingprocessofMaterialInstitute.

Keywords：InteCAST;HSCAE;curriculumreform;teachingcontents;emergingengineering

鑄造成型及控制、模具設(shè)計(jì)與制造是工程專業(yè)的重要組成部分，我們國(guó)家的教育特別是高等教育體系是近些年來才建立起來的，很多專業(yè)的課程設(shè)置都是更偏重理論知識(shí)介紹，實(shí)用性相對(duì)有一些欠缺[1]。華中科技大學(xué)材料學(xué)院開設(shè)的各專業(yè)不但需要學(xué)生掌握扎實(shí)的理論知識(shí)，更需要學(xué)生具有優(yōu)秀的動(dòng)手能力[2]。華鑄CAE/InteCAST——我國(guó)鑄造領(lǐng)域十分常見的模擬分析系統(tǒng)，是分析和優(yōu)化鑄件鑄造工藝過程中的有效工具，其能夠完成以鑄件充型過程、凝固過程數(shù)值模擬技術(shù)為重點(diǎn)的工藝分析。現(xiàn)階段華鑄CAE集成化軟件系統(tǒng)在我國(guó)相關(guān)行業(yè)具有百分之八十左右的運(yùn)用率，其中包括知名的首鋼企業(yè)、鞍鋼企業(yè)、一汽集團(tuán)、東風(fēng)汽車公司、浙江大學(xué)和航天三院等二百二十多家企業(yè)與科研院校。華塑CAE6.20能夠在Windows系統(tǒng)下實(shí)現(xiàn)有效的數(shù)值計(jì)算，能夠支持各圖形平臺(tái)操作，屬于集成化仿真系統(tǒng)，華塑CAE軟件當(dāng)前在國(guó)內(nèi)已經(jīng)得到了普遍的使用。

新工科是相較于傳統(tǒng)工科而言的，是基于國(guó)家戰(zhàn)略發(fā)展新需求、國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)新形式、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力新要求而提出的我國(guó)工科教學(xué)改革新方向[3-6]。將華鑄CAE軟件與華塑CAE軟件更好地融入到現(xiàn)有課程教學(xué)中去，有必要在對(duì)現(xiàn)有課程安排與學(xué)時(shí)分布合理了解的基礎(chǔ)上，根據(jù)心理測(cè)量學(xué)的理論和方法，嘗試初步編制《基于材料學(xué)院自主開發(fā)軟件使用情況的調(diào)查》，并合理設(shè)置專門針對(duì)于材料學(xué)院學(xué)生對(duì)現(xiàn)有課程滿意程度和對(duì)相關(guān)軟件了解程度的一系列問題，以此檢查學(xué)生個(gè)體針對(duì)于本問卷設(shè)計(jì)課程改革的意見與建議，力圖從學(xué)生的反饋信息中把握教學(xué)改革對(duì)學(xué)生的影響，為后續(xù)實(shí)際合理進(jìn)行課程改革提供有參考價(jià)值的測(cè)評(píng)工具。

一"研究對(duì)象和調(diào)查方法

（一）"問卷內(nèi)容

基于新工科改革的一般要求，同時(shí)考慮本院學(xué)生職業(yè)發(fā)展需求、本專業(yè)現(xiàn)階段培育模式的情況下，研究人員獨(dú)立編制了《基于材料學(xué)院自主開發(fā)軟件使用情況的調(diào)查》問卷。每份問卷均包括：①人口統(tǒng)計(jì)題，統(tǒng)計(jì)參與問卷調(diào)查材料學(xué)院學(xué)生的性別、年級(jí)、專業(yè)，以便了解以上各個(gè)因素對(duì)調(diào)查結(jié)果差異的影響程度；②現(xiàn)有對(duì)軟件使用情況調(diào)查5題，內(nèi)容分別為是否會(huì)使用該軟件、出于什么原因使用該軟件、對(duì)該軟件實(shí)用性的認(rèn)可度、通過何途徑學(xué)會(huì)使用該軟件和在何情況下會(huì)使用該軟件，掌握華鑄CAE、華塑CAE現(xiàn)階段在本院學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的普及度；③對(duì)軟件應(yīng)用前景的期望度調(diào)查4題，具體有對(duì)該軟件廣泛運(yùn)用的信心程度、是否希望本院開設(shè)與該軟件相關(guān)課程、使用該軟件過程的難易程度以及認(rèn)為通過何種方式可提升大學(xué)生使用各類軟件的綜合能力；④開放式問題，用于收集學(xué)生在現(xiàn)有使用該軟件過程中遇到的具體問題、在學(xué)習(xí)過程中用到的其他軟件名稱，以及對(duì)學(xué)生個(gè)體熟練掌握該軟件使用的具體方法提供建設(shè)性建議。

（二）"抽取實(shí)測(cè)樣本

選取華中科技大學(xué)材料學(xué)院在讀學(xué)生（本、碩、博）共105名進(jìn)行問卷調(diào)查，除去未填明相應(yīng)信息的樣本，本研究樣本的人口統(tǒng)計(jì)具體信息見下文。

（三）"調(diào)查方法

1"問卷調(diào)查法

本研究設(shè)計(jì)了基于材料學(xué)院自主開發(fā)軟件使用情況的調(diào)查，以華中科技大學(xué)材料學(xué)院學(xué)生為研究樣本發(fā)放問卷105份，回收104份，回收率99.05%，有效問卷103份，有效率98.10%。

2"文獻(xiàn)資料法

研究人員通過查閱大量的期刊、論文及網(wǎng)絡(luò)搜索，收集了解與華鑄CAE軟件、華塑CAE軟件現(xiàn)行發(fā)展?fàn)顩r，以及在新工科背景下的教學(xué)改革資料進(jìn)行查閱和學(xué)習(xí)，為本論文提供理論依據(jù)。

3"數(shù)理統(tǒng)計(jì)法

在對(duì)《基于材料學(xué)院自主開發(fā)軟件使用情況的調(diào)查》進(jìn)行問卷調(diào)查后，面對(duì)具有一定隨機(jī)性的調(diào)查結(jié)果，如何進(jìn)行對(duì)材料成型及控制工程專業(yè)課程改革所需數(shù)據(jù)的處理，以何種結(jié)果得出材料成型及控制工程專業(yè)課程改革方式，需運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的相關(guān)方法。

二"調(diào)查結(jié)果分析

（一）"調(diào)查對(duì)象的分布

問卷調(diào)查通過網(wǎng)絡(luò)調(diào)查的方式，使學(xué)生通過不記名、自愿參加的方式自主填寫問卷，共收集華中科技大學(xué)材料學(xué)院本碩博學(xué)生的103份有效問卷，樣本有效率為98.10%。

有效樣本中本科生（其中包括大一、大二、大三、大四）占比最高為85.43%，碩士研究生、博士研究生占比依次降低，分別為12.62%、1.95%；最后一項(xiàng)身份調(diào)查劃分是使用相關(guān)軟件同學(xué)所在專業(yè)名稱，專業(yè)分別為材料成型與控制工程專業(yè)、材料科學(xué)與工程專業(yè)、電子封裝專業(yè)、功能材料專業(yè)及其他專業(yè)，各項(xiàng)占比分別是34.95%、18.45%、5.83%、11.65%及29.12%。如圖1、圖2所示。

（二）"樣本對(duì)華鑄CAE、華塑CAE的使用情況分析

該問卷對(duì)于樣本現(xiàn)階段對(duì)華鑄CAE、華塑CAE的使用情況可直觀量化的題目包括問卷中的第四題及第六題，具體題項(xiàng)及計(jì)分方法見表1。

根據(jù)以上計(jì)分標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)103份有效樣本進(jìn)行計(jì)分，最終得出：6分6人，5分7人，4分14人，3分10人，2分20人，1分19人，0分20人，-1分7人，共計(jì)103人。

根據(jù)結(jié)果可以得出以下結(jié)論：樣本對(duì)軟件的認(rèn)可程度基本呈現(xiàn)正態(tài)分布，其中得2分、1分、0分的樣本數(shù)量最多，占比為57.28%，說明大部分人只是偶爾使用軟件，認(rèn)為軟件的重要程度為一般。得到3分及3分以上的樣本數(shù)量也較多，占比35.92%，這部分的樣本使用軟件頻率較高，對(duì)于軟件的認(rèn)可程度也較高。占比最少的-1分樣本數(shù)量最少，占比6.8%，這部分用戶對(duì)軟件認(rèn)可程度較差，平時(shí)不用相關(guān)軟件并且不認(rèn)可軟件的重要性。

（三）"樣本使用華鑄CAE、華塑CAE的其他情況

為了解華鑄CAE、華塑CAE軟件現(xiàn)階段在材料學(xué)院學(xué)生中的使用情況，還設(shè)置了出于何原因使用相關(guān)軟件、通過何途徑使用相關(guān)軟件、通常在何情況下使用相關(guān)軟件及使用軟件難度四個(gè)問題，以下分別列出統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

如圖3所示，34.95%的學(xué)生使用相關(guān)軟件是出于學(xué)習(xí)工作要求，占比最高；另有22.33%的學(xué)生因?yàn)榭荚囋蚴褂密浖?2.62%的學(xué)生對(duì)相關(guān)軟件抱有興趣使用；其余樣本使用軟件是除以上三種原因之外。

根據(jù)圖4所示情況，學(xué)生接觸到相關(guān)軟件主要有以下幾個(gè)方面：占比最大的通過學(xué)校課程接觸，有44.66%的學(xué)生屬于此行列；其次，依次為通過朋友介紹、其他原因及個(gè)人自學(xué)或文獻(xiàn)閱讀，分別占總?cè)藬?shù)的22.33%、18.45%、14.56%。

如圖5所示，學(xué)生使用軟件主要用于以下幾個(gè)方面：最多的學(xué)生將軟件運(yùn)用于課程設(shè)計(jì)，占總?cè)藬?shù)的51.46%；繪圖課程與科研工作占比接近，分別占49.51%和43.69%；用于個(gè)人愛好與其他方面的學(xué)生較少，分別占33.01%與22.33%。

如圖6所示，在參與調(diào)查的可用樣本中能熟練解決使用軟件過程中的問題的占比最少，只占總?cè)藬?shù)的7.77%，認(rèn)為使用困難程度大的樣本占比與認(rèn)為可以基本熟練操作的樣本占比相同，均為32.04%，其余28.15%的樣本沒有使用過相關(guān)軟件。

（四）"樣本對(duì)軟件發(fā)展預(yù)估情況分析

除了對(duì)樣本進(jìn)行現(xiàn)行使用軟件情況的調(diào)查，為了能夠更加綜合、全面地了解樣本對(duì)相關(guān)軟件的使用體驗(yàn)，現(xiàn)設(shè)計(jì)三個(gè)關(guān)于相關(guān)軟件發(fā)展前景預(yù)估的問題：是否認(rèn)為相關(guān)軟件在今后會(huì)被廣泛運(yùn)用、是否希望學(xué)校開設(shè)與軟件相關(guān)的課程，以及認(rèn)為通過何方式可更好地提高大學(xué)生使用軟件能力三個(gè)問題，現(xiàn)逐一分析。

由圖7可知，超過半數(shù)的樣本認(rèn)為相關(guān)軟件將來會(huì)被廣泛運(yùn)用，這54.37%的同學(xué)使用體驗(yàn)較好，說明只要能夠熟練掌握使用軟件的方法，不論對(duì)學(xué)習(xí)、科研或者工作都會(huì)取得良好的效果；剩余25.24%和20.39%的樣本分別認(rèn)為軟件今后被廣泛運(yùn)用的情況為一般和不會(huì)，除去一部分沒有使用過軟件的樣本，其余樣本是有過使用經(jīng)驗(yàn)后得出的結(jié)論，說明在該部分用戶心中軟件功效還有待提高，可收集這部分樣本的意見從而進(jìn)一步完善軟件綜合性能。

就學(xué)生對(duì)于將華鑄CAE、華塑CAE軟件運(yùn)用于實(shí)際教學(xué)過程的意見，得到結(jié)論如圖8所示，可知大部分人對(duì)此問題均保持著肯定的態(tài)度，僅有6.8%的樣本明確不希望進(jìn)行改革，剩下的一部分人保持中立的態(tài)度，故將相關(guān)軟件運(yùn)用到實(shí)際課程這個(gè)方案是可行的。

為了能進(jìn)一步了解學(xué)生對(duì)待課程改革的意見，設(shè)置關(guān)于樣本認(rèn)為通過何途徑對(duì)提高使用軟件能力此問題，從而從改革者和被改革者兩個(gè)角度客觀進(jìn)行。

如圖9所示，在已設(shè)置的選項(xiàng)當(dāng)中，30.1%的樣本認(rèn)為學(xué)院應(yīng)增設(shè)對(duì)相關(guān)軟件的培訓(xùn)課程，占比最高；另有26.21%的樣本支持改善相關(guān)軟件在教材中的內(nèi)容占比；8.74%的樣本認(rèn)為可以舉辦知識(shí)競(jìng)賽以提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣；剩余34.95%的樣本未選擇上述三個(gè)選項(xiàng)，關(guān)于這部分樣本所認(rèn)可的途徑可在開放式回答中總結(jié)整理。

三"結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于《基于材料學(xué)院自主開發(fā)軟件使用情況的調(diào)查》問卷的分析，在收集到的103份有效問卷之中，本科生占比最高占比85.43%，專業(yè)分布中材料成型及控制工程專業(yè)略高于其他專業(yè)。有效樣本中對(duì)于華鑄CAE軟件、華塑CAE軟件的認(rèn)可程度基本呈現(xiàn)正態(tài)分布，過半數(shù)樣本對(duì)于軟件的態(tài)度比較折中，但絕大部分樣本不排斥將軟件運(yùn)用至材料成型及控制工程專業(yè)的學(xué)習(xí)中。

此外，大部分樣本使用華鑄CAE軟件、華塑CAE軟件都是出于學(xué)習(xí)工作要求、考試要求等，其中繪圖課程、課程設(shè)計(jì)、科研工作占比最高。在使用軟件的熟練程度的調(diào)查中，僅有7.77%的樣本表示可以熟練使用。

基于上述調(diào)查結(jié)果，可以得知使用華鑄CAE軟件、華塑CAE軟件的難度及其重要程度都較高，故將其運(yùn)用至材料成型及控制工程專業(yè)具有合理性與可行性，故提出以下改革構(gòu)思：在大三、大四將軟件單獨(dú)列為專業(yè)選修課；將軟件培訓(xùn)計(jì)劃安排至大二的金工實(shí)習(xí)；為軟件設(shè)置單獨(dú)的課程設(shè)計(jì)培訓(xùn)；將軟件學(xué)習(xí)靈活運(yùn)用至專業(yè)必修課的實(shí)踐課時(shí)中。

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基金項(xiàng)目：華中科技大學(xué)研究生教改項(xiàng)目“基于科技自立自強(qiáng)的《材料成形原理及數(shù)值模擬》多元協(xié)同課程資源建設(shè)”（MS003）；華中科技大學(xué)教學(xué)研究項(xiàng)目“多維度互動(dòng)分布式液態(tài)金屬成形虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究”（2020056）

第一作者簡(jiǎn)介：殷亞軍（1985-），男，漢族，湖北咸寧人，博士，副教授，博士研究生導(dǎo)師。研究方向?yàn)殍T造數(shù)字化及智能化。