馬 軻， 孫虹燁， 馬 敘

（1.天津理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 天津 300384； 2.航天精工股份有限公司， 天津300300； 3.天津市緊固連接技術(shù)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 天津 300300）

0 引 言

作為國(guó)際通行的工程教育質(zhì)量保證制度，工程教育專業(yè)認(rèn)證對(duì)確保材料成型及控制工程專業(yè)的教育質(zhì)量、提高學(xué)生競(jìng)爭(zhēng)力、推進(jìn)學(xué)科發(fā)展具有重要意義[1-2]。尤其是在我國(guó)加快建設(shè)制造強(qiáng)國(guó)的戰(zhàn)略背景下，需要不斷優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容與方法[3]，使課程內(nèi)容始終與行業(yè)發(fā)展前沿相適應(yīng)，使畢業(yè)生培養(yǎng)始終與行業(yè)需求相匹配。天津理工大學(xué)材料成型及控制工程專業(yè)以培養(yǎng)模具設(shè)計(jì)、焊接等領(lǐng)域的技術(shù)開(kāi)發(fā)、科學(xué)研究人才為目標(biāo)，自2016 年通過(guò)工程教育專業(yè)認(rèn)證以來(lái)始終堅(jiān)持以學(xué)生為中心、成果為導(dǎo)向的工程教育認(rèn)證理念[4-5]，在學(xué)科建設(shè)與課程設(shè)置上推陳出新，促進(jìn)課程體系內(nèi)容趨向“工程化”，切實(shí)培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際復(fù)雜問(wèn)題的能力。

《材料成形過(guò)程數(shù)值模擬》作為材料成型及控制工程專業(yè)大三下學(xué)期的專業(yè)課，主要介紹有限元仿真在材料成型加工中的應(yīng)用。本課程重點(diǎn)講授焊接、注射成型、沖壓、鍛造、鑄造等加工過(guò)程的有限元模擬，分析成型過(guò)程中的溫度分布、應(yīng)力應(yīng)變、材料流動(dòng)變化情況，涉及的研究?jī)?nèi)容范圍廣泛，軟件實(shí)踐操作要求高。通過(guò)本課程學(xué)習(xí)，學(xué)生不僅了解力學(xué)數(shù)值分析、有限元軟件使用的知識(shí)，而且掌握了工藝影響成型質(zhì)量的規(guī)律。

目前，高校材料成型相關(guān)專業(yè)的模擬仿真課程多以講授有限元軟件操作命令與工程案例應(yīng)用為主[6-7]。由于學(xué)時(shí)有限，學(xué)生普遍在教師或教程資料的演示下操作CAE 軟件，與實(shí)際工程問(wèn)題的融合仍有欠缺[7]。此外，部分案例與工程應(yīng)用聯(lián)系不夠緊密，導(dǎo)致學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣低、主觀能動(dòng)性差。另外，有限元方法的公式推導(dǎo)相對(duì)枯燥乏味，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)剛度矩陣、位移和負(fù)荷矩陣列算求解的理解不夠深刻，影響學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的綜合應(yīng)用與創(chuàng)新能力[8]。

為了解決上述問(wèn)題，對(duì)《材料成形過(guò)程數(shù)值模擬》課程進(jìn)行了案例型教學(xué)的改革實(shí)踐，通過(guò)建立材料成型過(guò)程仿真案例庫(kù)，不斷更新、優(yōu)化課程教學(xué)內(nèi)容和評(píng)價(jià)方式，不僅達(dá)到了工程教育認(rèn)證關(guān)于持續(xù)改進(jìn)的要求，而且更好地滿足了用人單位對(duì)材料成型行業(yè)人才培養(yǎng)需求，也為課程建設(shè)中引入校企協(xié)同育人找到了切實(shí)可行的路徑。

1 課程教學(xué)實(shí)踐

1.1 案例型教學(xué)實(shí)踐方案

《材料成形過(guò)程數(shù)值模擬》是面向材料成型及控制工程專業(yè)三年級(jí)學(xué)生的專業(yè)課，該課程有2.5學(xué)分，總共40 學(xué)時(shí)，其中包括理論與上機(jī)實(shí)踐兩部分：前期集中進(jìn)行有限元原理和公式推導(dǎo)求解的理論教學(xué)；后期主要通過(guò)各類材料成型案例講解有限元模擬的前處理、后處理及模擬結(jié)果分析。針對(duì)材料成型模擬課程的特點(diǎn)，引入案例式教學(xué)方案，具體流程如圖1所示。

在學(xué)期初的課堂講授中，有針對(duì)性的圍繞鑄鍛焊等成型過(guò)程講解彈塑性模型的求解方法，不要求掌握公式推導(dǎo)過(guò)程，但要掌握剛度矩陣、位移、載荷矩陣的列算方法。在布置課題時(shí)，從教師科研項(xiàng)目、企業(yè)工程案例和學(xué)生自擬3 個(gè)來(lái)源選定與材料成型工程實(shí)際貼近的仿真課題。

在學(xué)期中每堂課前，教師利用案例庫(kù)中的軟件使用教程、教學(xué)視頻、課件、案例模型等資源，引導(dǎo)學(xué)生使用CAD 軟件建模，并結(jié)合線上答疑線下指導(dǎo)等方式督促學(xué)生學(xué)習(xí)、獲得學(xué)生反饋。在課上，針對(duì)學(xué)生反饋的仿真報(bào)錯(cuò)（例如網(wǎng)格劃分失敗、運(yùn)算不收斂等）共性問(wèn)題加以解答，以中期檢查的形式對(duì)仿真前處理實(shí)踐操作進(jìn)行隨堂測(cè)驗(yàn)，并分析沖壓、鍛造、焊接、注射成型等過(guò)程中的材料流動(dòng)、變形、應(yīng)力分布等模擬結(jié)果。在課后，各組學(xué)生完成有限元模擬計(jì)算與后處理，并結(jié)合加工實(shí)際、查閱文獻(xiàn)提出優(yōu)化成型工藝的方法。

在答辯、報(bào)告的評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)，各組按照課題背景與意義、研究方法與步驟、研究結(jié)果、工藝分析與結(jié)論4 個(gè)環(huán)節(jié)分別由不同成員講解，并且要求每名學(xué)生介紹自己的貢獻(xiàn)。在答辯問(wèn)答環(huán)節(jié)考查學(xué)生對(duì)模擬軟件實(shí)踐操作的能力、運(yùn)用專業(yè)理論知識(shí)解決工程問(wèn)題的能力。在交流討論環(huán)節(jié)，各組互相討論仿真課題的收獲與不足，并交流模型、軟件資源、研究經(jīng)驗(yàn)。教師引導(dǎo)學(xué)生從材料成型應(yīng)用需求出發(fā)，思考如何利用模擬仿真優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)、減少試錯(cuò)成本、縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期。這樣能幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)學(xué)以致用，并可在創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽、學(xué)生科技活動(dòng)、畢業(yè)設(shè)計(jì)等后續(xù)實(shí)踐中繼續(xù)研究仿真課題。

1.2 優(yōu)化評(píng)價(jià)方式與標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)課程目標(biāo)和對(duì)應(yīng)的畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)（見(jiàn)表1），本課程形成了以項(xiàng)目式匯報(bào)答辯和報(bào)告為主、以平時(shí)表現(xiàn)和階段性測(cè)驗(yàn)為輔的評(píng)價(jià)方法，并且將考核各環(huán)節(jié)貫穿了整個(gè)教學(xué)過(guò)程。

從各個(gè)環(huán)節(jié)出發(fā)，持續(xù)優(yōu)化課程評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：①在由授課教師組織、全體學(xué)生參與的項(xiàng)目式匯報(bào)答辯中，注重將分析問(wèn)題、解決問(wèn)題與加工工藝實(shí)際聯(lián)系的實(shí)踐能力作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)（對(duì)應(yīng)課程目標(biāo)2）；②在平時(shí)表現(xiàn)與中期檢查中，注重將熟練操作仿真軟件、詳細(xì)描述前處理設(shè)置作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)（對(duì)應(yīng)課程目標(biāo)1）；③在報(bào)告中，注重將文獻(xiàn)資料調(diào)研、列表作圖、寫(xiě)作格式規(guī)范等運(yùn)用現(xiàn)代工具的能力作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)（對(duì)應(yīng)課程目標(biāo)3）。

對(duì)于來(lái)自企業(yè)工程案例，請(qǐng)企業(yè)技術(shù)人員介紹課題的背景信息與技術(shù)要求，并在課程期間通過(guò)線上答疑等方式持續(xù)為學(xué)生提供指導(dǎo)。圖2所示列舉了來(lái)自3 個(gè)企業(yè)的工程案例，學(xué)生建立有螺紋的螺釘模型并進(jìn)行應(yīng)力分析，如圖2（a）所示，將螺釘軸向力分布、螺紋齒根處應(yīng)力集中系數(shù)等知識(shí)點(diǎn)融入螺紋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的工程問(wèn)題中，企業(yè)人員對(duì)學(xué)生答辯環(huán)節(jié)進(jìn)行打分評(píng)價(jià)與指導(dǎo)；學(xué)生仿真鈦合金螺釘熱處理過(guò)程中的相轉(zhuǎn)變與α相體積分?jǐn)?shù)分布等結(jié)果如圖2（b）所示，企業(yè)技術(shù)人員在中期檢查、階段性測(cè)驗(yàn)等環(huán)節(jié)對(duì)學(xué)生的有限元軟件操作步驟進(jìn)行打分評(píng)價(jià)與現(xiàn)場(chǎng)演示；學(xué)生仿真螺釘?shù)葻徵叧尚瓦^(guò)程與溫度分布變化情況如圖2（c）所示，企業(yè)技術(shù)人員在報(bào)告環(huán)節(jié)中指出該課題研究背景與意義分析不充分之處，并從熱鐓成型流程、設(shè)計(jì)內(nèi)容、工藝優(yōu)化等方面對(duì)報(bào)告進(jìn)行評(píng)價(jià)與補(bǔ)充。

圖2 企業(yè)螺釘緊固件制造相關(guān)的工程案例

1.3 教學(xué)改革效果與持續(xù)改進(jìn)

本課程在2022-2023 年春季學(xué)期中持續(xù)推進(jìn)案例式教學(xué)改革，并根據(jù)課程目標(biāo)達(dá)成情況不斷優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容與方法。2022 年與2023 年課程目標(biāo)客觀達(dá)成度的對(duì)比如圖3 所示（基于各課程目標(biāo)的學(xué)生平均成績(jī)除以總成績(jī)），以學(xué)生各對(duì)應(yīng)環(huán)節(jié)平均成績(jī)?yōu)橐罁?jù)的3個(gè)課程目標(biāo)的客觀達(dá)成度均有不同程度的提高。

圖3 2022年與2023年課程目標(biāo)客觀達(dá)成度對(duì)比

在3 個(gè)課程目標(biāo)中，課程目標(biāo)1 在2023 年的改進(jìn)效果最好，原因在于在2023年春季學(xué)期中充分發(fā)揮課堂教學(xué)的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)面對(duì)面的實(shí)時(shí)互動(dòng)加強(qiáng)軟件操作提問(wèn)與指導(dǎo)，督促軟件學(xué)習(xí)不到位的學(xué)生加強(qiáng)訓(xùn)練。同時(shí)在教學(xué)策略上，強(qiáng)調(diào)對(duì)模擬方法、步驟的理解與記憶，確保模擬研究思路清晰。絕大多數(shù)同學(xué)都已熟練掌握有限元模擬的方法與操作步驟，同時(shí)建立正確的有限元模型。

課程目標(biāo)2 在2022 年的基礎(chǔ)上也有較大提升，由于2022 年暴露了課程缺少與加工工藝聯(lián)系的問(wèn)題，2023 年著重引導(dǎo)學(xué)生選擇了材料成型的工程實(shí)例設(shè)計(jì)模擬方案，并在報(bào)告中對(duì)仿真結(jié)果與結(jié)論在工程實(shí)踐中的應(yīng)用設(shè)立專門(mén)的章節(jié)進(jìn)行分析討論。課程目標(biāo)達(dá)成情況三維散點(diǎn)圖如圖4 所示，每一個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)一位同學(xué)的達(dá)成情況。由圖4 可知，在2023年仍有4 位同學(xué)的課程目標(biāo)2 達(dá)成度在0.7 以下（圖4 中最左端）。通過(guò)進(jìn)一步分析，發(fā)現(xiàn)這4 位同學(xué)只是簡(jiǎn)單地給出了模型變形或應(yīng)力分布結(jié)果的軟件截圖，沒(méi)有對(duì)模擬結(jié)果、工藝參數(shù)影響等進(jìn)行分析與說(shuō)明，也沒(méi)有聯(lián)系材料成型的實(shí)際工程問(wèn)題。為此，在今后將重點(diǎn)引導(dǎo)學(xué)習(xí)困難的學(xué)生圍繞材料成型提出值得仿真的工程問(wèn)題，協(xié)助學(xué)生完成研究背景、研究結(jié)果的分析，通過(guò)改變工藝方案比較不同因素的影響，對(duì)材料成形工藝提出改進(jìn)措施，提高對(duì)課程目標(biāo)2的達(dá)成。

圖4 2023年各個(gè)課程目標(biāo)達(dá)成情況的三維散點(diǎn)圖

相比之下，課程目標(biāo)3的達(dá)成情況變化不大，對(duì)近兩屆學(xué)生進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，部分學(xué)生的數(shù)據(jù)后處理能力一般，研究結(jié)果僅通過(guò)軟件界面截圖呈現(xiàn)，較少通過(guò)導(dǎo)出數(shù)據(jù)后再進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并列表、作圖分析。此外，使用軟件、期刊、網(wǎng)絡(luò)資源等現(xiàn)代工具調(diào)查研究背景的能力不強(qiáng)，參考文獻(xiàn)引用不夠合理、格式不夠規(guī)范。在今后的教學(xué)中，將引導(dǎo)學(xué)生從學(xué)術(shù)期刊、學(xué)位論文、網(wǎng)絡(luò)資源中查找資料，強(qiáng)調(diào)報(bào)告中使用科學(xué)語(yǔ)言寫(xiě)作的重要性，本著“授人以魚(yú)”更要“授人以漁”的思路培養(yǎng)學(xué)生自主研究能力，調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性。

面向?qū)W生開(kāi)展細(xì)化到課程目標(biāo)的主觀達(dá)成評(píng)價(jià)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果發(fā)現(xiàn)學(xué)生對(duì)課程目標(biāo)1、2、3 的主觀達(dá)成度均在0.85 以上，反映學(xué)生對(duì)案例型教學(xué)方案較為認(rèn)可。校企協(xié)同育人也為本課程從企業(yè)的角度出發(fā)，提供工程案例資源、用人單位反饋、國(guó)家產(chǎn)業(yè)實(shí)際需求等情況。因此，本課程的案例型教學(xué)改革實(shí)現(xiàn)了課程建設(shè)的科學(xué)化與體系化，扎實(shí)推進(jìn)了工程教育認(rèn)證要求的持續(xù)改進(jìn)，保障了專業(yè)人才的高質(zhì)量培養(yǎng)。

2 結(jié)束語(yǔ)

《材料成形過(guò)程數(shù)值模擬》課程探索了適應(yīng)課程特點(diǎn)的案例型教學(xué)，通過(guò)建設(shè)案例庫(kù)、優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容與評(píng)價(jià)方式、引入企業(yè)工程案例，將材料成型理論知識(shí)與實(shí)踐操作有機(jī)結(jié)合，提高了學(xué)生解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力。近2年的教學(xué)實(shí)踐構(gòu)建了公平合理、科學(xué)客觀的評(píng)價(jià)方法與標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了與工程實(shí)際需求的緊密結(jié)合，讓學(xué)生能學(xué)以致用，運(yùn)用所掌握的理論知識(shí)解決復(fù)雜的工程問(wèn)題。本課程將繼續(xù)推進(jìn)校企協(xié)同育人，從企業(yè)渠道導(dǎo)入更多貼近“高精尖”制造業(yè)發(fā)展前沿的教學(xué)內(nèi)容，同時(shí)也依據(jù)企業(yè)反饋?zhàn)鰧?shí)做細(xì)課程建設(shè)的持續(xù)改進(jìn)措施，更好地培養(yǎng)具備創(chuàng)新能力的專業(yè)人才。