围绕工程设计的材料成型CAE课程教学改革探讨

崔建中

【摘 要】材料成型的CAE分析在现代材料成型行业占据着十分重要的地位，对高校材料成型CAE课程进行教学改革有助于提高材料成型与控制工程专业学生的整体工程设计能力。本文探讨从教学方法、教学内容及教学效果评价等角度进行改革思考，重点激发学生的创新活力，有效提升学生分析问题和解决复杂工程问题的能力。

【关键词】材料成型;CAE技术;工程设计;教学改革

中图分类号： TH126-4 文献标识码： A文章编号： 2095-2457（2019）31-0174-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.31.084

Research on Teaching Reform of Material Forming CAE Course Based on Engineering Design

CUI Jian-zhong

（Building Materials Research Institute，Yancheng Institute of Technology，Yancheng Jiangsu 224051，China）

【Abstract】CAE analysis of material forming is very important in modern material forming industry.Teaching reform of material forming CAE course from the institute should help increase the overall engineering design capacity of students who major in material forming and control engineering.The paper explores the reform strategy from the perspective of teaching methods，teaching contents and teaching effect evaluation，which focuses on stimulating students creativity.Then the ability of analyzing and resolving the compicated problems can be enhanced.

【Key words】Material forming;CAE technology;Engineering design;Teaching reform

0 引言

材料成型及控制工程专业属于机械工程与材料工程的交叉学科，根据模具领域培养方向的需要，该专业主要为了培养从事材料成型工艺过程及设备控制研究的专业技术人才[1]。传统的材料成型加工一般先后经历产品设计、模具设计、开模和试模等环节，需要经过不断的工艺条件优化过程和模具设计方案修改，直到成型制品符合预期要求，导致设计周期的延长[2]。而CAE（Computer Aided Engineering，简称CAE）技术通过数值模拟手段预测并解决成型过程中的问题，极大地提高了新产品的开发速度。因此，为了适应社会发展的需要，基于CAE技术的软件应用成为材料成型及控制工程专业以及其他工科类学生的必备技能，将占据愈发重要的地位。

目前，一大批高校纷纷开设了相应的CAE软件应用类课程，以提升学生的就业竞争力。然而，学生仅仅熟悉了有关CAE软件操作的流程，而对工程问题本身缺乏足够深入的分析和研究，学生的工程实践能力和创新设计能力并未得到有效的提高。因此，在教学过程中，需要将CAE软件与具体的工程实践结合起来，学生通过不断接触材料成型过程中的各种典型问题，加强主动意义的工程设计思考，提高借助CAE软件解决实际工程问题的能力。

1 教学方法探讨

材料成型CAE课程是围绕软件操作进行的，具有很强的实践性。学生在刚开始接触CAE软件时，可以按照书本上提供的范例进行一步步地操作，将课堂知识转变为操作技能，在一定程度上提高了学生的软件应用能力，但由于该类课程不仅仅停留在软件层面的熟悉，更需要学生具备一定的数学和力学基础，同时，涉及的材料成型工艺理论较复杂，学生对所得到的求解结果存在一知半解的情况，存在“只知其然”的缺陷。

针对该情况，教师可以采取类似于翻转课堂的模式，将基础知识的传授布置在课前进行，而课堂时间重点放在如何将专业理论知识通过CAE软件操作展开，以达到深入消化所学的材料成型理论知识。一方面，学生在课前就应该把涉及的有关理论知识加以熟悉，在软件操作时就可以有针对性地进行发散式思维学习，做到“知其然并知其所以然”;另一方面，教师需要充分利用课堂时间讲述CAE软件操作过程和材料成型过程之间的相互衔接关系，重点突出影响成型结果的关键步骤的潜在意义，使学生理解基于CAE软件的数值模拟拥有强大的工程价值[3]。

此外，在课堂教学过程中，教師还应以书本范例为基础，并有针对性地进行概念拓展和任务延伸。例如，在教材里一个某型号手机壳模型的范例中，要求对其进行流动分析，但书本中提供的步骤忽略了压力沿厚度方向的变化，只考虑了流动方向压力和厚度上的温度变化，这样的分析结果显而易见不符合实际的流动情况。因此，在教学过程中，教师先提出问题，让学生思考实际的流动过程还应该考虑哪些细节，然后针对该范例进行不同类型的分析，得到的分析结果因人而异，最后学生可以对自己的求解结果进行理论解释并加以完善。这样的教学方式能让学生体会到所学知识的力量，培养通过不同途径解决问题的能力。

2 教学内容探索

目前，材料成型CAE软件课程教材主要围绕某软件的具体操作过程进行，对于初学者而言，这样的教材基本满足学习的要求，但这样的算例模型往往比较简单，学生只需要按部就班地进行操作，不需要过多思考模型、参数及条件的合理性，而实际工程问题比较复杂，需要分析人员综合应用各方面知识进行优化。为了满足新时期培养工程素养的创新性人才的需求，需要对教学内容进行调整，具体可以从以下几方面进行探索。

1）调整课程设置。首先，由于材料成型CAE课程涉及的专业基础知识较多，如材料科学基础、材料力学性能等基本理论，学生需要深入理解并掌握该类课程;其次，增加有关数值计算、有限元方法等方面的课程，其中，学习有限元法课程重点在于理解有限元法的基本方法和基本流程，这有助于使抽象的问题具体化、工程化，有助于理解材料成型CAE课程的基本理论。学生通过对两类课程的学习，可以将专业理论知识和现代工程设计理念相结合，提高该课程的学习效果。

2）以科研促教学。科研是大学活力的源泉，以科研促进教学是提高大学教学质量的重要途径。在开展科研过程中，教师如果将最新的科研成果及时融入教学中，既丰富了课堂教学内容，也提高了课程教学质量[4]。以注塑成型为例，本研究团队目前的研究工作主要集中在注塑成型过程中的复杂、特殊现象及其背后的材料力学机理。教师不妨以其中的某个复杂现象为例，调动学生利用基础理论知识积极思考其中的缘由，并通过某个模型为载体，启发学生借助CAE软件的分析模块得到求解结果。最后学生可以将理论推导结果与仿真结果进行比较，进而讨论其中的差别，通过这样的科学训练，学生的工程训练能力将会得到极大的提高。

3）拓展开放实验。CAE软件学习需要时间的保证，离不开充足的训练和实践练习。当前由于教学改革层出不穷，有限的课堂教学时间只能保证扎实的理论基础，而体现学生自主学习的开放性试验则能够激发学生探索科学问题的兴趣。在具体实施时，可以编写具有操作性强且目的明确等特点的实验指导书，根据实验对象要求差异，设置重难点内容和一般内容，突出实验条件的设置和实验结果的分析。需要注意的是，开放性实验可以为最终的毕业设计课题提供源泉，CAE软件应用可在其中发挥重要的作用。以注塑模具为例，塑件制品结构的好坏及注塑模具的设计优劣都可以借助模流分析手段体现出来。学生如经历开放性实验的锻炼，则可以变被动为主动，初步具备一定的创新能力和实践能力。

3 教学效果评价

对于材料成型CAE这种实践操作性很强的软件应用类课程，学生在掌握该课程基本概念、基本原理和基本规律的同时，更多地应该体现在能力训练和知识学习的有机结合，掌握如何应用CAE软件对某工程问题进行全面深入的分析。

首先，对于材料成型CAE课程而言，最终的教学效果评价不能仅仅取决于最后的期末考试，应该将平时的随堂测试和最终的综合测试两方面结合起来，全面考查学生对软件技能的掌握程度[5]。笔者通常的做法是将总成绩认定为平时的出勤及随堂测验、实验报告以及期末综合考核等环节，每个环节均设定相应的权重值。

其次，CAE软件应用课程不同于其他课堂教学课程，測试的案例往往没有标准答案，同一个案例达成目标可以有多个实现途径。为了精准地反映每个学生的知识应用能力和软件掌握水平，老师应该设计开放性的题目和差别化的考核方式，鼓励学生针对具体的工程问题采用多个软件应用模块及其组合进行综合分析，培养学生的学习兴趣[6]。

再者，教师可以从相关企业的实际工程案例中设计考核题目，通过改变有关结构参数、设置不同的环境条件，让学生按照指定任务进行求解分析。在考核打分环节，企业的CAE工程师被邀请到答辩现场进行综合测评，这样的考核方式为学生积累了大量的工艺参数，为学生踏入工作岗位夯实了专业基础。

4 总结

目前，CAE技术已成为材料成型领域工程设计与研发领域必不可少的重要手段，愈来愈多的企业在产品量化投产前都要准备CAE分析报告。因此，在实际教学过程中，教师应该以工程设计为中心，在材料成型CAE课程的教学方法、教学内容和教学效果等方面进行教学思考和改革探索，重点培养学生应用CAE技术手段独立分析问题和解决问题的能力，使人才培养紧跟时代发展的步伐。本文研究的主旨对其他理工科专业的CAE软件应用课程教学均有一定的借鉴价值，为地方高校工科类专业学生的人才培养与就业提供了有效的解决途径。

【参考文献】

[1]郑建华，张椿英.材料成型CAD/CAE/CAM课程教学改革[J].冶金管理，2019，1：103.

[2]陈艳霞.Moldflow 2015模流分析从入门到精通[M].北京： 电子工业出版社，2015.

[3]赵伟，查光成，吴梦陵，等.项目式教学在材料成型CAE课程教学过程中的应用[J].科教文汇，2018，415：65-66.

[4]杨帆，赵金峰，王莉华，等.浅谈理工专业工程软件应用类课程的教学方法[J].当代教育实践与教学研究，2018，2：76-77.

[5]邓聪颖，赵洋，冯义，等.CAD/CAE软件无缝集成在有限元课程的探索应用[J].教育现代化，2018，1：119-120.

[6]徐伟.基于UG NX的应用型本科院校CAD/CAE/CAM系列课程教学探索与实践[J].中国教育技术装备，2016，24：47-48.