关于材料成型及控制工程专业引入计算机辅助工程分析的课程改革思考

彭 漩* 马振武

（苏州科技大学机械工程学院 江苏·苏州 215009）

0 引言

材料成型及控制工程（以下简称“本专业”）是教育部在1998年新专业调整时设立的专业，其专业方向涵盖铸造、焊接、塑性成形以及各类模具设计与制造[1]。本专业综合材料科学与工程、力学、机械、电子与计算机应用等学科于一体，具有学科交叉渗透性强的特点，同时又注重工程实践应用。本专业旨在培养宽口径、厚基础的高素质机械类人才[2]。

从以上专业特点，我们可以看到本专业毕业学生应该具有良好的发展前景。尤其是伴随着“中国制造2025”战略的实施，我国的工业体系逐渐向智能制造方向演变推进，各类企业对本专业高水平人才有很大需求[3，4]。然而本专业发展的现实情况是各个方面的反馈都差强人意，主要体现在：（1）学生毕业后从事本专业的比例低，对于继续从事本专业的人员，因其工作内容简单，或是没有实质性的技术含量，造成其事业发展空间有限；（2）普通高等学校招生时本专业报考率较低，调剂比例逐渐增大，学生因为就业后的工作环境差或者待遇低下，不愿来本专业学习；（3）我国各类企业，尤其是中小型企业，对本专业高端人才需求强烈，人才缺口凸显。很显然，本专业的实际发展与最初设定的目标存在差距，与实际生产实践又存在着脱节。

1 智能制造与本专业的联系——计算机辅助工程技术

应该意识到造成本专业以上问题的原因是存在于多个方面，较为复杂，既有学生与家长对本专业认识不足，也与企业对本专业人才需求较为苛刻等各种因素。当然，相当一部分原因在于本专业培养方案与课程体系存在着不足，不能够很好适应当前工业经济发展的需要[5]。在当前工业强国、智能制造的背景下，本专业本科教学方案的设计，对人才培养与工业与社会发展尤为重要[6]。

智能制造强调了新一代信息技术与制造业的融合，具体体现在物联网、云计算、大数据、数字孪生设计与等多方面对于制造业的渗透。其中，计算技术体现着智能制造的根本，是加速提升制造技术的源动力。从20市级70年代的CNC机床的初次应用，到现在市场上的广泛使用；从多轴加工系统高精制造到联合机器人与3D打印，不难发现，工业体系日新月异的变革背后的深层原因，离不开计算技术的发展与推动。并且其推动的速度远超人们的理解。尽管科学研究每天都有重要的突破，制造行业每一项新技术的落地却是一个逐步增长的过程，从资本运作到实际产线打通，是计算技术发挥作用的有效环节。计算密集型的制造体系将是工业4.0的主流。

本专业作为机械专业大类热加工工艺及装备设计的代表，其学科特征与智能制造有着天然的、与生俱来的联系，这一点主要体现在计算技术的内容之一——计算机辅助工程（CAE）的应用上[7，8，9]。例如，本专业焊接方向，焊接热输入所造成的瞬态温度场对结构应力与变形、材料组织变化的影响；锻造方向，金属高温下变形流动与成型质量及模具设计的关系；铸造方向：金属冷却凝固与工艺缺陷的追溯等等问题，在目前的工业生产中，都有相对成熟的CAE软件进行模拟与设计。应该指出，我国多数高等院校都认识到CAE对于本专业的重要性，并有针对性的结合地方产业特色与学科建设逐渐进行改革，并取得一些成效。

作为计算机在制造业中成功应用的范例，计算机辅助设计（CAD）的在高等院校的发展以及在工业中的应用经验值得思考与借鉴。当今社会，CAD已经深入到工业设计的核心环节，由CAD驱动的现代设计与制造体系，与过去手工设计的产业链相比，产生了翻天覆地的变化。CAD在企业中的广泛应用离不开高校与职业院校对相应人才的培养。纵观现在各大高校相关制造专业，发现其对CAD课程的引入及授课模式的探讨已经非常成熟。上机实践成为CAD课程的主要特色，并且学生学习的效果普遍较好。鉴于CAD课程的成功实践，目前高校对CAE的主流培养方式基本上是参考了CAD的模式，即直接安装比较成熟的工业软件，如同CAD一样，上机手把手操作。然而学生学习的效果却大打折扣，走到工作岗位上，其利用工业软件解决实际问题的能力也颇受限制。因此，笔者认为，目前针对本专业关于CAE课程的改革建设力度还不够。就CAE在具体工程问题上的应用，远不止于装一个软件、学习一下教程这样简单。也应该避免将CAE技术的应用等同于软件学习，避免与专业技能的职业教育概念混淆。

2 课程体系规划建议

笔者就CAE在本专业工程技术上的应用，提出如下规划：

（1）在本科一年级完成高等数学、线性代数等数学基础课程的学习，以及计算机程序设计语言的学习。数学是解决工程与自然科学问题的有力工具，有必要尽早夯实基础；

（2）在本科二年级完成（计算）固体力学，（计算）流体力学，数值计算方法（如有限差分法，有限元法）的理论学习，并具备掌握利用计算机程序设计语言（如C/C#/python）对相关课程内容进行编码的能力。

应该意识到，深入的CAE应用离不开对基础算法的理解，而（计算）固体力学（如弹塑性力学）是塑性成形（锻造成形、板料冲裁/冲压）数值模拟的基础；（计算）流体力学是液态成形（如铸造，注塑工艺）数值模拟的基础。而这些课程的学习始终贯穿着数值方法如有限元法的基本概念。本阶段内容的学习，为之后工业CAE软件与程序的应用，奠定了坚实基础。

（3）在本科三年级，结合专业主干课程，如材料成型原理、机械设计原理、成料成型工艺、材料加工传输原理、金属与冶金学等，利用相关工业软件与程序对基本知识理论进行复现与讲解。

实施本阶段课程的学习，重点在于软件计算结果与成型理论的深度结合。不难发现，现有的这些原理与工艺类课程存在大量文字描述，是一种半经验、半理论的表达传授，内容看似简单，然而学生学习效果不好。主要是直接讲解这些理论与经验这种“填鸭式”教学，难以给学生留下深刻的印象，也难以激发学生的学习兴趣[10]。所以，在总学时不变的基础上，大幅压缩课堂理论讲解部分，而增加软件上机操作，结合软件计算结果讲解，让学生在亲自动手之后去体会知识点，印象会更加深刻。

（4）在本科四年级，结合课程设计与毕业设计，利用先进工业软件与程序分析与解决相对复杂的工程问题。

课程设计与毕业设计是对二、三年级所学知识的综合，既要有利用软件解决复杂工程问题的能力，又能够利用基础数学知识对计算结果的合理性进行评价，以及解决问题举一反三的能力。工业CAE软件利用的难点在于软件使用者了解界面相关操作，却难以理解软件背后所涉及的数学模型以及程序模块的组织架构。从这里看出，学生利用数学对工程问题进行抽象与建模的能力，离不开二年级数学基础课程的学习与训练。这一点既能够体现本科教育综合性，厚基础，讲素质的特点，明显区别于职业教育。也体现了专业工程认证的需求，即体现了本专业的培养目标在于培养具有工程创新能力，具备分析、决策、解决专业领域复杂问题的能力的先进成型制造与工程管理经验的高级人才。能够运用数学，自然科学和工程基础与专业知识解决复杂工程问题的能力。

3 其他问题

需要指出的是，以上规划与论述只是侧重于本专业与CAE相结合这一块。然而本专业涉及其他课程，如电工电子技术、材料分析与测试技术及数控技术等依然需要受到重视。并且与实验、实践相结合必不可少。

此外工业成本管理，造价评估，产品数据管理等技术对于推动产业数字化，提升生产效益与产品竞争力有着极为显著的效果。现在数字化企业的实现依赖以上各个元素，仅仅要求学生掌握CAE理论与应用并以此为培养目标显然也不能够培养出综合性的技术与管理人才。并且CAE技术在本专业相关的产业领域的应用在我国还处于起步阶段，如何真正能够使企业认识到CAE对于降本增效，提升产品品质的作用；如何打通CAE在产业中困难阻碍的各个环节，使得CAE如同CAD技术一样，成为工业设计不可缺少的步骤，是每一个本专业高等教育工作者亟待思考的问题。

4 结语

本文主要探讨了深度培养材料成型及控制工程专业的CAE人才的课程建设问题。利用CAE以及相应的数字孪生技术进行设计与管理，是智能制造在本专业发展的趋势。CAE技术的使用，是推动企业数字化的难点。突破这一难点的关键在人才的培养。如何在本专业培养宽口径、厚基础人才的初始目标下，提出一套适应当下生产智能化、数字化的产业体系所需人才的培养方案，任重而道远。