“材料成型计算机模拟”课程在新工业技术革命人才培养中的

范群波+李树奎

摘要：伴随着新工业技术革命时代的到来，相关技术人才的培养问题也呈现在广大高校教学人员的面前。本文浅析了材料成型及控制工程专业“材料成型计算机模拟”课程在新工业革命技术人才中的潜在作用，并就其教学方法进行了初步的探讨，从培养学生兴趣、促进学生思考等角度，围绕教学形式、考核方法等六个方面提出了一些有益的建议。

关键词：新工业技术革命；人才培养；材料成型计算机模拟；教学方法

中图分类号：G642.41 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）16-0168-02

随着新材料、新能源以及信息技术的发展，人们正面临新工业技术变革。为了适应新工业技术革命人才培养的需要，高校教学体系与教学法也同时面临着巨大挑战。“材料成型计算机模拟”课程作为材料成型及控制工程专业的一门主修课程，对于该专业的建设有重要作用。该课程知识覆盖面较广，内容涉及有限元、有限差分等数值模拟基本理论，同时还涉及铸造、锻造、焊接等多种成型工艺的具体模拟方法。

随着时代的发展，材料成型工艺与计算机模拟技术的结合将更加紧密，而这方面人才还十分匮乏。作为教师，应认识到“材料成型计算机模拟”课程在新工业技术革命人才培养中的潜在作用。具体体现为：（1）有效促进复合型人才的培养。本课程相关教学内容将材料成型技术与计算机模拟仿真技术有机地结合在了一起，使学生掌握的知识面更广，并能有效融合。学生在解决技术问题时，能够将两种技术相结合，充分利用所学的基础知识，从多个角度、多个层次进行研究与分析。（2）为新兴产业输送技术人才。随着社会的发展，涌现出许多新兴产业，如3D打印、IC封装等。这些产业的快速发展离不开新材料及其制备技术，而材料成型及计算机模拟技术在其中发挥了极为重要的作用。对于相关知识的了解与熟悉，必将为这些新兴产业输送大量的技术人才。（3）促进外延学科协同人才培养。本课程所在学科为材料工程，在跨学科协同教学的背景下，本课程的建设将大力促进材料工程学科人才的培养，同时也将在一定程度上促进外延学科的人才培养。

但大多数高等院校在设置该课程时，学时有限，传统的知识灌输式学习法在有限的教学时间内很难取得好的效果。如何充分利用各类教学资源来调动学生的积极性是教师面临的一项重要任务。笔者结合实际教学经验，认为不妨从以下六个方面开展教学。

一、顺应时代，注重前沿

在开课之初，学生对一门全新课程的兴趣对于其后期学习的投入程度十分重要。而新工业技术革命中各种新型技术及其发展前沿动向与学生的求知欲之间正好可以找到结合点。

以3D打印技术为例，该技术可使得所设计的CAD模型直接从电脑中的创意到产品的直接生成，完全颠覆了传统的材料成型概念。也许在不久的将来，人们完全可以打印出与我们日常生活相关的物品。相信学生会对这一新技术充满兴趣。在此基础上，再将一些该技术的难题展示在他们面前。

二、引经据典，寓教于乐

针对“材料成型计算机模拟”课程教学，若一味地强调概念、算法等，必然导致课堂内容索然无味。为此，可以引入一些相关的故事，活跃课堂气氛。

例如，在讲解有限元法时，通常会提及化整为零的概念。于是，可以引入圆周率计算的一些历史故事。“圆径一而周三有余”，事实上中国古代的张衡、刘徽等人都曾用“割圆法”开展了圆周率的研究；德国人鲁道夫，耗尽了一生的时间，计算到圆的内接正262边形，于1609年得到了圆周率的35位精度值，以至于圆周率在德国被称为Ludolph数；一位英国人，用了15年时间，算出了圆周率小数点后的707位，但遗憾的是，后人发现，他从第528位开始就算错了。这些，必然会激发学生的兴趣，使他们开始逐渐认识到化整为零古来有之，且在科学研究上占据着重要的位置。

三、深入浅出，先易后难

“材料成型计算机模拟”课程所涉及到的有限元等方法，理论性较强，而且国内的教材难度较大。例如，一些教材开篇第一章就开始讲述虚功原理、变分法的求解等概念，显然这对于刚刚接触相关概念的本科生而言是不合适的。为此，可以从有限元的前身——矩阵结构力学中的直接刚度法开始讲解。

直接刚度法虽然尚未涉及到变分法等概念，但内容涵盖刚度方程、刚度矩阵、坐标转换等。在讲解过程中，建议以最简单的三节点三杆单元桁架结构为研究对象，阐述各节点所承受的力载荷分量与各节点位移分量之间的线性函数关系。函数形式虽然简单，但其常规的数学表达式显得冗长，故而引入矩阵的形式，由此写出其主刚度方程；之后说明主刚度矩阵涉及36个待定元素，不能直接写出，故必须转移到局域坐标系下的刚度方程上。在此基础上，进一步由局域坐标系下的刚度方程推导出全局坐标系下的刚度方程等。通过这种由浅入深、循序渐进的教学形式，让学生逐步领会相关基础理论的来龙去脉。

四、注重板书，师生互动

随着多媒体时代的到来，采用Powpoint幻灯片形式的教学模式已取代了板书教学模式。多媒体的演示可迅速吸引学生的眼球，然而在“材料成型计算机模拟”课程的教学中，相关理论公式的推导却不能完全依靠多媒体演示的形式，这种被动接收信息的形式，很难让学生真正掌握其内涵。

面对这种局面，传统的板书形式却可以焕发出新的活力，激发出学生潜在的学习动力。课堂上，可以先列出一些基本原理和概念，以问题的形式让学生参与公式的推导。例如，在推导全局刚度方程如何由局域刚度方程变换的过程中，可以先列出全局刚度方程f=ku、局域刚度方程■=■■、位移转换矩阵■=Tu以及力转换矩阵f=TT■；之后，要求学生相互讨论，并根据所学的线性代数知识建立起k与k之间的函数关系。学生通过彼此交流，甚至激烈争论，最终写出了关系式：k=TTkT或■=TkTT，当然方程k=TT■T在后续计算中更具有实际意义。为鼓励学生的学习热情，建议让学生走上讲台，在黑板上演算自己的推导过程，之后再由教师和其他学生一起讨论该公式推导的正确性及适用范围，真正地实现师生互动。endprint

五、结合软件，学以致用

除在课堂上讲授相关基础理论知识外，还不能忽视专业软件的学习。“材料成型计算机模拟”课程至少应安排10个学时左右的上机时间，学习几何模型构建、网格剖分、载荷施加、边界条件定义等知识。在学习过程中，应尽量与之前课堂上讲解的一些计算实例相结合，如桁架结构节点位移的计算等。在学生对软件操作比较熟悉后，再与一些工程实例相结合，如在砂型铸造过程中，钢液温度场的数值模拟，要求学生掌握温度云图、等值线等后处理技巧。

除此之外，还应让学生逐步掌握一些简单的编程知识，包括Ansys软件中的APDL参数化设计语言。特别需要说明的时，相关编程语言不必去死记，只要知道在需要的时候如何获得并利用相关语句即可。如图1所示，Ansys软件操作中提供了多种快捷而友好的命令流获取方法。按照这些方法，学生可以在短期内掌握相关的编程技巧，并意识到与图形用户界面GUI相比编程计算可以极大地节省程序的调试时间，且更灵活。

六、考核方式，灵活多样

“材料成型计算机模拟”课程的考试也是整个教学过程的重要环节，但考试并不是目的。针对这一问题，可以考虑设置形式多样的考核方式，比如平时成绩、期末卷面成绩以及软件考核。所谓软件考核，是将学生分为若干组，并把与科研相关的一些命题交于学生完成。分组形式可以多样化，如建模组、计算组以及软件学习组，其具体内容如图2所示。

考虑到课程的教学时间相对有限，建议考核分组应在开课之初完成，具体内容可交于学生自行根据兴趣选择，且同时鼓励组与组之间、组员与组员之间进行广泛地交流和讨论。学生将会发现，课堂上所学知识其实并不够，还需要根据相关任务主动去寻找一些学习资料。尤其是软件学习组，课堂上所讲述的内容并不会涉及Procast、LS-Dyna这些软件，但在考核时需要针对一些典型实例当众演示并进行简单地讲解。为此，学生必然会主动地投入一定的精力和时间，从而充分挖掘其学习潜力。从初步地尝试来看，这一任务型的教学方式还是颇受学生欢迎的。

七、结语

在新工业技术革命的大背景下，“材料成型计算机模拟”课程的开展与建设将有效促进复合型科研人才的培养，为新型产业输送技术型人才，促进外延学科的协同人才培养。而将前沿研究带进课堂、注重寓教于乐、采取先易后难的讲解模式、充分地开展师生互动、有效地掌握软件操作及启动灵活多样的考核方式必将带来全新的教学气息，从而达到人才培养的目的。endprint