基于CES EduPack软件的课程建设与教学实践

吕庆功, 许文婧, 秦 子, 牟仁玲,李欣欣

(北京科技大学 高等工程师学院, 北京 100083)

工程材料是人类赖以生存和发展的物质基础,在产品设计中如何恰当选用工程材料,以满足产品的市场适应性、技术可行性、经济合理性和环境友好性的要求,是产品设计教学、产品开发、产品生产和产品使用各部门共同关注的问题[1-4]。然而,工程材料种类繁多,属性差异很大,在选用过程中需要采用正确的思路和方法,并掌握一定的技能,方可高效准确地开展工作,达到预期的效果[5-8]。英国剑桥大学Ashby教授技术团队开发的CES EduPack教学软件具有丰富的材料和工艺的属性数据,同时配置有便捷实用的辅助选择功能和插件,适于开展工程材料选择方面的实践类课程[9-11]。北京科技大学于2014年引进了该软件,安装于钢铁生产全流程虚拟仿真实践教学平台(国家级虚拟仿真实验教学中心)的50个教学终端,并基于该软件开设了公共选修课“工程材料优选”。本文介绍CES EduPack教学软件的特点以及基于该软件的课程开设和教学应用情况,旨在及时总结教学经验,提升认识水平,持续提高工程实践教学质量。

1 CES EduPack软件的特点

该软件提供了丰富且易于理解的材料和工艺的属性数据库,配置有浏览、搜索、选择、生态分析等功能模块,便于引导学生探索和理解材料世界,可支撑材料、工程、设计和可持续发展等方面的教学活动。

1.1 丰富的材料和工艺属性数据

CES EduPack提供了3个级别的材料数据库以及相应的工艺数据库。其中,一级数据库包含60多种常用材料和70多种常用制造工艺的基本信息和关键属性数据,适于入门级学生初步了解材料世界。二级数据库包含100多种材料和100多种制造工艺的信息和属性数据,可以帮助学生理解不同材料和工艺的作用,并学习选择材料和工艺的基本技能。三级数据库具有3 900多种材料和200多种制造工艺的详细信息和属性数据,旨在帮助高年级学生在产品设计项目中理解材料和工艺的特性,掌握恰当选择材料和工艺的方法和技能。

材料和工艺数据库采用了家族树架构,设有家族、类、子类、成员和属性记录单等层次,其中属性记录单是数据库的基本组成单元,记录了材料和工艺的基础信息和属性数据。材料记录单记录材料的力学、热学、电学、光学、化学等性能数据,而工艺记录单则记录产品的形状、尺寸、公差、粗糙度、批量、成本模型等信息。

除了软件自带的数据库信息,学生还可以创建全新的材料和工艺记录单,以便记录新材料和新工艺的属性数据,甚至可以根据研究和学习的需要提出理想材料和工艺的记录单。同时,对于每种属性,软件还提供了详细的科学原理解释,鼓励学生通过类似教科书形式的科学备注信息和前往教材的链接来深入了解科学原理和规律。

1.2 便捷的浏览、搜索和选择功能

CES EduPack软件提供了便捷的浏览、搜索和选择功能。

浏览功能是基于树状索引结构,分门别类地呈现材料、工艺以及相应的属性数据,而且学生可以很方便地在各级各类数据库之间切换。以三级数据库为例,软件提供了材料、工艺、生产商、数据来源、形状类型等多种分类入口,且在每个分类里又设了多个子分类,比如材料分类里又分了全部材料、陶瓷材料、金属材料、泡沫材料、块体材料等多个子类别,大大提高了浏览效率。

搜索功能模块支持关键词搜索,软件会反馈所有出现该关键词的记录单,而且按照材料库、工艺库、生产商、数据来源等类别进行分类呈现,非常便于搜索、浏览和数据阅读。

选择功能是CES EduPack软件的核心功能,提供了图选、限选和树选3种选择路径。采用图选路径时,软件提供了泡泡图和条形图(见图1)2种可视化表达工具,并配置有多种辅助选择的插件,学生可借以针对不同属性或属性组合对不同材料和工艺进行比选。采用限选路径时,学生可以选择属性的类型并输入相应的限制阈值,从而遴选出符合要求的材料或工艺。采用树选路径时,学生可以按照树状结构限定选择的范围。每种选择路径可以建立多个选择条件,多种选择路径的选择条件可以“或/与”组合,从而快速缩小选择范围。

1.3 设计导向(Design-Led)的选择策略

CES EduPack软件的应用是基于以产品设计为导向的材料和工艺选择策略,即选择的起点是产品的市场需求和设计要求(见图2)[9]。产品设计的过程是：首先要初步设想关于产品的概念,如果经过初步的调研和评估认为概念可行,即可进入具体化阶段,包括选择工作原理、确定尺寸和布局,以及初步预测性能和成本。如果具体化阶段的成果令人满意,则可继续进入详细设计阶段,包括：性能优化、关键部件分析、详细图纸设计等。当然,设计过程并不是线性的,如果某个步骤的设计成果不令人满意,则可能需要返回上一个步骤。

材料和工艺的选择是与产品设计过程并行发生的,选择过程不仅要考虑产品设计的需求,还要考虑材料和工艺属性的相互匹配。最初二者的选择范围都比较宽,需要考虑所有的候选对象。随着产品设计的细化,对材料和工艺的要求越来越明确具体,则符合要求的材料和工艺也越来越少,经过层层筛选后可形成备选材料和工艺的短名单,最终由设计者综合比选后确定选择方案。

图2 设计导向的材料与工艺选择路径

基于CES EduPack软件的材料和工艺选择包括4个步骤,即：处理(transaction)、筛选(screening)、排序(ranking)和文档(documentation)。以材料选择为例,处理是把设计要求转化为选择材料的具体说明,即提出明确的限制条件和优化目标,这是材料选择筛选和排序的必要前提。然后,通过筛选把不符合限制条件的材料排除掉,排序则是把幸存材料按照对优化目标的符合度进行排列。最后一步是文档,对有希望的候选材料进行深度分析,检查其使用情况和失败案例以及如何用其进行产品的最佳设计和生产制作。工艺选择的步骤与材料选择类似,只是关注对象从材料属性转换为工艺属性。

1.4 基于产品生命周期的生态分析

来自地球资源的矿石原料被加工提取而生产出材料,材料又被加工制作成有使用价值的产品,产品被运输和使用,在其生命终点被丢弃、循环利用、焚烧或填埋处理,这就是产品的生命周期。产品在其生命周期的各个节点会消耗一定的能源和材料,同时会产生废气、废液和废固等废弃物,造成了环境损害。

通过CES EduPack软件的Eco Audit模块输入产品的材料、生产、运输、使用和废弃处理等生命周期各个节点的相关特征数据,经软件分析即可得到各个阶段的生态压力水平,进而引导产品设计者针对重点环节优化设计方案,实现产品在整个生命周期对环境影响总体最小化(见图3)[10]。

图3 基于产品生命周期的生态分析策略

不同的产品在其生命周期的不同阶段,其能源消耗和环境影响的强弱分布也会不同,产品设计者通过生态分析发现能源消耗和环境影响比较严重的环节,进而采取相应措施减小相应环节的能源消耗和环境影响,有利于提高设计效率,改善产品的生态属性。

2 课程设计方案

2.1 课程目标

本课程为公共选修课,主要目的是让学生了解工程材料的分类和属性,熟悉工程材料选择的思路和方法,掌握工程材料选择的技能,理解基于产品生命周期的生态分析方法,进而树立节能环保、可持续发展的理念和意识。通过本课程的学习,学生可以根据产品设计要求选择产品的材料,选出与产品和材料匹配的工艺,初步核算和比较生产成本,并基于产品生命周期进行生态影响分析,最终完成材料优选方案。

2.2 课程内容

课程的教学内容主要包括材料与属性、材料选择、工艺选择和生态分析4个部分。

2.2.1 材料与属性

该部分的教学目的是让学生建立对材料典型属性的感性认识,认知材料家族树。在教学内容方面,主要以范例形式介绍材料属性,使学生建立对不同材料属性的感性认识。通过介绍和分析材料家族树和材料记录单,让学生了解材料的分类和属性特点。

该部分的要点是：

(1) 材料属性的指标个数不宜太多,重点是建立学生对典型属性(密度、强度、刚性、韧性、塑性、导电性、导热性、耐热性、耐蚀性、耐磨性、抗疲劳性)的感性认识,要结合图文资料进行介绍,并安排课堂作业让学生在CES EduPack软件中查询材料属性；

(2) 对材料家族树要重点介绍,结合软件中的泡泡图和条形图说明各类材料在属性上的典型差异,该部分可安排课堂作业。

2.2.2 材料选择

该部分的教学目的是让学生了解材料选择与产品设计的基本关系,熟悉材料选择的基本步骤。教学内容主要包括：材料选择与产品设计的关系；材料选择的4个基本步骤：处理、筛选、排序和文档。

该部分的教学要点是：

(1) 关于材料选择与产品设计的关系,要结合产品设计步骤进行对应说明,让学生理解材料选择的意义和目的；

(2) 在材料选择的步骤方面,重点学习第一步“处理”,要结合案例做充分的介绍和练习。

2.2.3 工艺选择

该部分的教学目的是让学生了解材料与工艺的相互关系,理解工艺的属性以及工艺对材料属性的影响,掌握工艺选择的步骤,熟悉产品成本的组成要素和分析方法。教学内容主要包括：工艺选择的基本步骤：处理、筛选、排序和文档；产品的成本模型。

该部分的教学要点是：

(1) 简要说明工艺对材料性能的影响机理,建立“成分+工艺=组织+性能”的基本概念；

(2) 工艺选择的步骤,应重点介绍第一步“处理”,要有课堂练习；

(3) 重点讲解和练习产品的成本模型。

2.2.4 生态分析

该部分的教学目的是让学生理解基于产品生命周期的生态分析方法,进而建立节能环保、可持续发展的理念和意识。教学内容包括：地球上材料资源的消耗趋势；产品生命周期的概念；基于产品生命周期的能源消耗分析方法。

该部分的教学要点是：

(1) 基于图示介绍产品生命周期过程,让学生了解产品的材料、生产、运输、使用、废弃和回收利用等过程；

(2) 熟悉基于CES EduPack的Eco Audit模块,以案例方式学习生态分析的过程和方法；

(3) 强调什么是负责任的产品设计,以及节能环保和可持续发展的理念。

2.3 教学方式与考核方法

本课程设16学时1学分,面向全校本科生开放,不限专业,不限年级。课程基于CES EduPack软件(英文),全部在虚拟仿真实验室上课,讲授与上机实验紧密结合。前8个学时4大节课(每大节课2学时)的讲授和上机实践时间各占50%,教师要提前准备上机实验的题目,学生在教师指导下上机实验。另外8学时用于学生自选产品，并在教师指导下完成产品选材报告,报告内容包括产品描述、材料选择、工艺选择、成本分析和生态分析。

学生在前4大节课上课时,每学完一大节课即写1篇学习日记,共计写4篇。后8学时的产品选材实践按自愿分组进行(每组不超过5人),以便锻炼学生的团队合作意识。教师要提前准备教学案例供学生参考,在第5节课之前组织学生分组,最后一节课提交报告并组织答辩和答疑。

课程成绩按平时成绩50%和选材报告成绩50%。平时成绩依据4篇学习日记和平时考勤情况进行打分,选材报告成绩由教师根据报告编写和答辩情况进行打分。

3 教学应用情况

3.1 选课情况

2015—2017年,全校有4个年级43个专业共116名本科生选修了“工程材料优选”课程。其中,大一学生52人,大二学生28人,大三学生24人,大四学生12人。选修学生的专业按选修人数多少排序包括机械工程(15人)、材料科学与工程(11人)、土木工程(9人)等。另外,选课的男生有87人,女生有29人,男女生比例为3∶1。

3.2 学习日记

学生的学习日记记录了学生在课程学习中对教学内容的理解和疑问,同时也记录了学生的学习感悟和对课程的评价。下面是节选的部分学习日记的内容：

(1) 结合软件操作的学习,富有实践性和探索性,全英文界面具有挑战性。

(2) CES EduPack软件功能强大,在众多材料中可方便快捷地找到符合要求的材料,着实很智慧。

(3) 工艺成本模型是我在专业课中未学过的内容,基于CES软件的案例学习加深了对工艺成本的理解,收获颇丰。

(4) 第一次接触产品的生态设计理念。通过学习认识到,产品与生态息息相关,作为未来的工程师,建立起产品的生态意识很有必要,大开眼界。

(5) 这个软件展示了海洋般的资料储备、条理分明的程序设定以及高效的处理方法。

3.3 选材报告

截至2017年底,本课程共收到选材报告16份,涉及的产品包括花瓶、不锈钢碗、软猬甲背心、二级齿轮减速器、雨伞等14种。每份报告均按照课程讲授的选材步骤完成了大纲要求的产品描述、材料选择、工艺选择、成本分析和生态分析等内容。选材报告的平均成绩为85分,其中90分以上12人,80分以上90分以下55人,70分以上80分以下1人,低于70分的2人,没有不及格情况。

3.4 教学交流

在基于CES EduPack软件开展课程建设和教学实践的同时,还积极开展相关的教学交流。2014—2018年,先后有8人次赴英国剑桥大学参加了国际材料教育研讨会(International Materials Education Symposium)及CES EduPack培训学习。2016年,在北京科技大学主办的“可持续性工程教育教学与实践”国际研讨会上报告交流了基于CES EduPack软件的课程建设与教学应用情况。同年,在钢铁生产全流程虚拟仿真实践教学平台举办了“工程材料优选软件(CES EduPack)工作坊”活动,校内外100多位师生前来学习和交流了基于CES EduPack软件进行工程材料优选的方法和技能。

4 结语

本文所述的课程建设和教学实践是在我校引进剑桥大学CES EduPack教学软件的基础上开展的。CES EduPack的丰富的材料和工艺属性数据、便捷的使用功能、设计导向(Design-Led)的选择策略，以及基于产品生命周期的生态分析(Eco Audit)模块,为开展基于软件、丰富数据和案例、分组实践学习和编写报告等教学方式的应用提供了很好的支撑。基于该软件开设的实践类公共选修课“工程材料优选”可以使学生了解工程材料的分类和属性，熟悉工程材料选择的思路和方法，掌握工程材料选择的技能，理解基于产品生命周期的生态分析方法,进而树立节能环保、可持续发展的理念和意识,达到了教学目的。从世界顶级高校引进成熟软件并基于软件开设课程的做法，以及在此基础上开展相关的国际交流活动,有助于促进工程实践教学的国际化,开阔教师和学生的学术视野。