“材料成型計(jì)算機(jī)模擬”課程在新工業(yè)技術(shù)革命人才培養(yǎng)中的 

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1、“材料成型計(jì)算機(jī)模擬”課程在新工業(yè)技術(shù)革命人才培養(yǎng)中的    摘要:伴隨著新工業(yè)技術(shù)革命時(shí)代的到來(lái),相關(guān)技術(shù)人才的培養(yǎng)問(wèn)題也呈現(xiàn)在廣大高校教學(xué)人員的面前。本文淺析了材料成型及控制工程專業(yè)“材料成型計(jì)算機(jī)模擬”課程在新工業(yè)革命技術(shù)人才中的潛在作用,并就其教學(xué)方法進(jìn)行了初步的探討,從培養(yǎng)學(xué)生興趣、促進(jìn)學(xué)生思考等角度,圍繞教學(xué)形式、考核方法等六個(gè)方面提出了一些有益的建議。   關(guān)鍵詞:新工業(yè)技術(shù)革命;人才培養(yǎng);材料成型計(jì)算機(jī)模擬;教學(xué)方法   中圖分類號(hào):G642.41文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A文章編號(hào):1674-9324(2015)16-0168-02   隨著新材料、新能源以及

2、信息技術(shù)的發(fā)展,人們正面臨新工業(yè)技術(shù)變革。為了適應(yīng)新工業(yè)技術(shù)革命人才培養(yǎng)的需要,高校教學(xué)體系與教學(xué)法也同時(shí)面臨著巨大挑戰(zhàn)?!安牧铣尚陀?jì)算機(jī)模擬”課程作為材料成型及控制工程專業(yè)的一門(mén)主修課程,對(duì)于該專業(yè)的建設(shè)有重要作用。該課程知識(shí)覆蓋面較廣,內(nèi)容涉及有限元、有限差分等數(shù)值模擬基本理論,同時(shí)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(shí)代的發(fā)展,材料成型工藝與計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的結(jié)合將更加緊密,而這方面人才還十分匱乏。作為教師,應(yīng)認(rèn)識(shí)到“材料成型計(jì)算機(jī)模擬”課程在新工業(yè)技術(shù)革命人才培養(yǎng)中的潛在作用。具體體現(xiàn)為:(1)有效促進(jìn)復(fù)合型人才的培養(yǎng)。本課程相關(guān)教學(xué)內(nèi)容將材料成型技術(shù)與計(jì)

3、算機(jī)模擬仿真技術(shù)有機(jī)地結(jié)合在了一起,使學(xué)生掌握的知識(shí)面更廣,并能有效融合。學(xué)生在解決技術(shù)問(wèn)題時(shí),能夠?qū)煞N技術(shù)相結(jié)合,充分利用所學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí),從多個(gè)角度、多個(gè)層次進(jìn)行研究與分析。(2)為新興產(chǎn)業(yè)輸送技術(shù)人才。隨著社會(huì)的發(fā)展,涌現(xiàn)出許多新興產(chǎn)業(yè),如3D打印、IC封裝等。這些產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展離不開(kāi)新材料及其制備技術(shù),而材料成型及計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)在其中發(fā)揮了極為重要的作用。對(duì)于相關(guān)知識(shí)的了解與熟悉,必將為這些新興產(chǎn)業(yè)輸送大量的技術(shù)人才。(3)促進(jìn)外延學(xué)科協(xié)同人才培養(yǎng)。本課程所在學(xué)科為材料工程,在跨學(xué)科協(xié)同教學(xué)的背景下,本課程的建設(shè)將大力促進(jìn)材料工程學(xué)科人才的培養(yǎng),同時(shí)也將在一定程度上促進(jìn)外延學(xué)科的人才培

4、養(yǎng)。   但大多數(shù)高等院校在設(shè)置該課程時(shí),學(xué)時(shí)有限,傳統(tǒng)的知識(shí)灌輸式學(xué)習(xí)法在有限的教學(xué)時(shí)間內(nèi)很難取得好的效果。如何充分利用各類教學(xué)資源來(lái)調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性是教師面臨的一項(xiàng)重要任務(wù)。筆者結(jié)合實(shí)際教學(xué)經(jīng)驗(yàn),認(rèn)為不妨從以下六個(gè)方面開(kāi)展教學(xué)。   一、順應(yīng)時(shí)代,注重前沿   在開(kāi)課之初,學(xué)生對(duì)一門(mén)全新課程的興趣對(duì)于其后期學(xué)習(xí)的投入程度十分重要。而新工業(yè)技術(shù)革命中各種新型技術(shù)及其發(fā)展前沿動(dòng)向與學(xué)生的求知欲之間正好可以找到結(jié)合點(diǎn)。   以3D打印技術(shù)為例,該技術(shù)可使得所設(shè)計(jì)的CAD模型直接從電腦中的創(chuàng)意到產(chǎn)品的直接生成,完全顛覆了傳統(tǒng)的材料成型概念。也許在不久的將來(lái),人們完全可以打印

5、出與我們?nèi)粘I钕嚓P(guān)的物品。相信學(xué)生會(huì)對(duì)這一新技術(shù)充滿興趣。在此基礎(chǔ)上,再將一些該技術(shù)的難題展示在他們面前。   二、引經(jīng)據(jù)典,寓教于樂(lè)   針對(duì)“材料成型計(jì)算機(jī)模擬”課程教學(xué),若一味地強(qiáng)調(diào)概念、算法等,必然導(dǎo)致課堂內(nèi)容索然無(wú)味。為此,可以引入一些相關(guān)的故事,活躍課堂氣氛。   例如,在講解有限元法時(shí),通常會(huì)提及化整為零的概念。于是,可以引入圓周率計(jì)算的一些歷史故事。“圓徑一而周三有余”,事實(shí)上中國(guó)古代的張衡、劉徽等人都曾用“割圓法”開(kāi)展了圓周率的研究;德國(guó)人魯?shù)婪?,耗盡了一生的時(shí)間,計(jì)算到圓的內(nèi)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(guó)被稱為

6、Ludolph數(shù);一位英國(guó)人,用了15年時(shí)間,算出了圓周率小數(shù)點(diǎn)后的707位,但遺憾的是,后人發(fā)現(xiàn),他從第528位開(kāi)始就算錯(cuò)了。這些,必然會(huì)激發(fā)學(xué)生的興趣,使他們開(kāi)始逐漸認(rèn)識(shí)到化整為零古來(lái)有之,且在科學(xué)研究上占據(jù)著重要的位置。   三、深入淺出,先易后難   “材料成型計(jì)算機(jī)模擬”課程所涉及到的有限元等方法,理論性較強(qiáng),而且國(guó)內(nèi)的教材難度較大。例如,一些教材開(kāi)篇第一章就開(kāi)始講述虛功原理、變分法的求解等概念,顯然這對(duì)于剛剛接觸相關(guān)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(jié)構(gòu)力學(xué)中的直接剛度法開(kāi)始講解。   直接剛度法雖然尚未涉及到變分法等概念,但內(nèi)容涵蓋剛度

7、方程、剛度矩陣、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等。在講解過(guò)程中,建議以最簡(jiǎn)單的三節(jié)點(diǎn)三桿單元桁架結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象,闡述各節(jié)點(diǎn)所承受的力載荷分量與各節(jié)點(diǎn)位移分量之間的線性函數(shù)關(guān)系。函數(shù)形式雖然簡(jiǎn)單,但其常規(guī)的數(shù)學(xué)表達(dá)式顯得冗長(zhǎng),故而引入矩陣的形式,由此寫(xiě)出其主剛度方程;之后說(shuō)明主剛度矩陣涉及36個(gè)待定元素,不能直接寫(xiě)出,故必須轉(zhuǎn)移到局域坐標(biāo)系下的剛度方程上。在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步由局域坐標(biāo)系下的剛度方程推導(dǎo)出全局坐標(biāo)系下的剛度方程等。通過(guò)這種由淺入深、循序漸進(jìn)的教學(xué)形式,讓學(xué)生逐步領(lǐng)會(huì)相關(guān)基礎(chǔ)理論的來(lái)龍去脈。   四、注重板書(shū),師生互動(dòng)   隨著多媒體時(shí)代的到來(lái),采用Powpoint幻燈片形式的教學(xué)模式已取代了

8、板書(shū)教學(xué)模式。多媒體的演示可迅速吸引學(xué)生的眼球,然而在“材料成型計(jì)算機(jī)模擬”課程的教學(xué)中,相關(guān)理論公式的推導(dǎo)卻不能完全依靠多媒體演示的形式,這種被動(dòng)接收信息的形式,很難讓學(xué)生真正掌握其內(nèi)涵。   面對(duì)這種局面,傳統(tǒng)的板書(shū)形式卻可以煥發(fā)出新的活力,激發(fā)出學(xué)生潛在的學(xué)習(xí)動(dòng)力。課堂上,可以先列出一些基本原理和概念,以問(wèn)題的形式讓學(xué)生參與公式的推導(dǎo)。例如,在推導(dǎo)全局剛度方程如何由局域剛度方程變換的過(guò)程中,可以先列出全局剛度方程f=ku、局域剛度方程=、位移轉(zhuǎn)換矩陣=Tu以及力轉(zhuǎn)換矩陣f=TT;之后,要求學(xué)生相互討論,并根據(jù)所學(xué)的線性代數(shù)知識(shí)建立起k與k之間的函數(shù)關(guān)系。學(xué)生通過(guò)彼此交流,甚至激烈爭(zhēng)

9、論,最終寫(xiě)出了關(guān)系式:k=TTkT或=TkTT,當(dāng)然方程k=TTT在后續(xù)計(jì)算中更具有實(shí)際意義。為鼓勵(lì)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情,建議讓學(xué)生走上講臺(tái),在黑板上演算自己的推導(dǎo)過(guò)程,之后再由教師和其他學(xué)生一起討論該公式推導(dǎo)的正確性及適用范圍,真正地實(shí)現(xiàn)師生互動(dòng)。   五、結(jié)合軟件,學(xué)以致用   除在課堂上講授相關(guān)基礎(chǔ)理論知識(shí)外,還不能忽視專業(yè)軟件的學(xué)習(xí)。“材料成型計(jì)算機(jī)模擬”課程至少應(yīng)安排10個(gè)學(xué)時(shí)左右的上機(jī)時(shí)間,學(xué)習(xí)幾何模型構(gòu)建、網(wǎng)格剖分、載荷施加、邊界條件定義等知識(shí)。在學(xué)習(xí)過(guò)程中,應(yīng)盡量與之前課堂上講解的一些計(jì)算實(shí)例相結(jié)合,如桁架結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)位移的計(jì)算等。在學(xué)生對(duì)軟件操作比較熟悉后,再與一些工程實(shí)例

10、相結(jié)合,如在砂型鑄造過(guò)程中,鋼液溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬,要求學(xué)生掌握溫度云圖、等值線等后處理技巧。   除此之外,還應(yīng)讓學(xué)生逐步掌握一些簡(jiǎn)單的編程知識(shí),包括Ansys軟件中的APDL參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言。特別需要說(shuō)明的時(shí),相關(guān)編程語(yǔ)言不必去死記,只要知道在需要的時(shí)候如何獲得并利用相關(guān)語(yǔ)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(xué)生可以在短期內(nèi)掌握相關(guān)的編程技巧,并意識(shí)到與圖形用戶界面GUI相比編程計(jì)算可以極大地節(jié)省程序的調(diào)試時(shí)間,且更靈活。   六、考核方式,靈活多樣   “材料成型計(jì)算機(jī)模擬”課程的考試也是整個(gè)教學(xué)過(guò)程的重要環(huán)節(jié),但考試

11、并不是目的。針對(duì)這一問(wèn)題,可以考慮設(shè)置形式多樣的考核方式,比如平時(shí)成績(jī)、期末卷面成績(jī)以及軟件考核。所謂軟件考核,是將學(xué)生分為若干組,并把與科研相關(guān)的一些命題交于學(xué)生完成。分組形式可以多樣化,如建模組、計(jì)算組以及軟件學(xué)習(xí)組,其具體內(nèi)容如圖2所示。   考慮到課程的教學(xué)時(shí)間相對(duì)有限,建議考核分組應(yīng)在開(kāi)課之初完成,具體內(nèi)容可交于學(xué)生自行根據(jù)興趣選擇,且同時(shí)鼓勵(lì)組與組之間、組員與組員之間進(jìn)行廣泛地交流和討論。學(xué)生將會(huì)發(fā)現(xiàn),課堂上所學(xué)知識(shí)其實(shí)并不夠,還需要根據(jù)相關(guān)任務(wù)主動(dòng)去尋找一些學(xué)習(xí)資料。尤其是軟件學(xué)習(xí)組,課堂上所講述的內(nèi)容并不會(huì)涉及Procast、LS-Dyna這些軟件,但在考核時(shí)需要針對(duì)一些

12、典型實(shí)例當(dāng)眾演示并進(jìn)行簡(jiǎn)單地講解。為此,學(xué)生必然會(huì)主動(dòng)地投入一定的精力和時(shí)間,從而充分挖掘其學(xué)習(xí)潛力。從初步地嘗試來(lái)看,這一任務(wù)型的教學(xué)方式還是頗受學(xué)生歡迎的。   七、結(jié)語(yǔ)   在新工業(yè)技術(shù)革命的大背景下,“材料成型計(jì)算機(jī)模擬”課程的開(kāi)展與建設(shè)將有效促進(jìn)復(fù)合型科研人才的培養(yǎng),為新型產(chǎn)業(yè)輸送技術(shù)型人才,促進(jìn)外延學(xué)科的協(xié)同人才培養(yǎng)。而將前沿研究帶進(jìn)課堂、注重寓教于樂(lè)、采取先易后難的講解模式、充分地開(kāi)展師生互動(dòng)、有效地掌握軟件操作及啟動(dòng)靈活多樣的考核方式必將帶來(lái)全新的教學(xué)氣息,從而達(dá)到人才培養(yǎng)的目的。

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