“焊接过程数值模拟”课程教学建设与实践

湛兰 廖平 马振 庄明辉 秦湘阁

摘 要：应国际工程教育认证的毕业要求，在对传统工科教育持续改革的过程中，借助计算机辅助手段，开设“焊接过程数值模拟”课程，培养学生独立预测并解决复杂工程问题的能力。本文从教学目标的建立、教材的选用、导向性教学内容的优化设计、教学成果的监测等方面，建立以学生为中心的“焊接过程数值模拟”实践课程，为学生与企业接轨奠定了良好的基础。

关键词：焊接技术与工程专业；复杂工程问题；课程建设；教学改革

随着高科技信息化时代的飞速发展，材料学科也迅速与计算机结合，其交叉学科已成为科学研究的重点方向。同时利用计算机辅助教学、分析数据已成为材料学科实践教学不可或缺的环节，也是目前工程专业认证和新工科背景下理论与实践教学改革的重要手段［1］。在教学过程中，我校为了学科发展建设，在焊接技术与工程专业开设了“计算机在材料中的应用”课程。该课程可辅助学生提高实验数据处理和图像分析的能力，帮助学生增强复杂工程问题的分析和解决能力。

然而，由于焊接技术作为金属材料连接的方法，目前还没有其他方法能够代替，因此其不但应用范围广（如造船、航空航天、铁路交通、储运等领域），而且一些重要结构对焊接质量要求非常高，一旦焊接接头出现问题，将会造成无法挽回的事故，因此，我们不但要培养学生解决复杂焊接工程问题的能力，还要培养学生预测和模拟并排除可能会发生的工程问题。我校为了对接企业的需求，培养出符合新时代新工科背景下的复合型人才，对焊接专业的实践课进行改革，在“计算机在材料中的应用”课堂基础上开设了“焊接过程数值模拟”实践课程，专为提升焊接专业学生的结构设计能力和预测及解决复杂工程问题能力，建立了全新的课程内容。

1 数值模拟在焊接过程中的研究进展

焊接过程具有局部温度高、弧光强、速度快等特点，对于焊接过程的观察带来了难度，从而无法使学生深入理解焊接专业中的基本理论。同时焊接工艺参数的选取，不断实验带来了材料上的浪费。随着高校先进教学手段和教学方法逐渐受到重视，利用计算机软件模拟焊接过程，不仅可以再现实验中无法观测到的现象，还可不断重复，成为焊接专业教学过程和实验过程中的重要补充［2］。因此焊接过程仿真模拟依靠计算机技术的革新也不断发展壮大，目前可进行焊接过程数值模拟的软件有ABAQUS、ANSYS、SYSWELD、SIMUFCATWELDING、DEFORM、COMSOL等。同时，根据热源模型的选择可模拟各种熔焊焊接过程中温度分布、残余应力分布及变形，还可以模拟搅拌摩擦焊、压力焊及爆炸焊等特种焊接方法。这对于学生理解焊接理论知识及解决复杂工程问题尤为重要，同时利用生动形象的模拟结果可提高教学质量。

2 “焊接过程数值模拟”的课程设置

2.1 准确定位课程目标

课程目标作为专业教育的灵魂，它是确定课程内容、教学目标和教学方法的基础［3］。因此，课程目标对于整个课程的设置起到指导作用。“焊接过程数值模拟”是佳木斯大学焊接技术与工程专业的专业课程之一。在新工科建设和工程教育认证的背景下，本课程以专业培养目标为指导，首先较系统地介绍焊接的数值模拟技术及应用领域，让学生全面地了解该领域国内外的研究现状和进展。进而从服务企业和继续深造两个角度，制定相应的课程目标，为焊接技术与工程专业的高质量人才培养提供了有力支撑，为学生具备解决工程问题能力提供实践平台。本课程的课程目标具体设置如下：

（1）熟练运用ABAQUS等大型有限元模拟软件，为学生拓宽就业环境或进一步学习深造奠定基础。

（2）基于焊接方法的工作原理，结合材料热物理性能和力学性能建立焊接过程有限元模型，为学生开展焊接专业创新大赛及毕业设计增加技术研究手段。

（3）通过建立不同焊接方法的焊接过程数值模拟实例，能够独立解决焊接传热过程对焊接接头影响的分析，以及对焊后焊缝变形及残余应力的分析为学生解决复杂焊接工程问题的实际应用提供性能预测、结构分析等数据支持，设计满足特定需求的焊接工艺参数，培养学生参与材料学相关工作的实践应用能力。

2.2 教材选用

教材是课程的核心，选择一本好的教材对于完成课程目标尤为重要。为了让本科生也可以对焊接数值模拟有所了解，大连交通大学金成编著了《焊接过程的数值模拟》，以实操及实例为主介紹了熔焊、搅拌摩擦焊、压力焊等焊接方法的模拟过程。我们把这本书作为本科“焊接过程数值模拟”这门课程的教材。本书主要以ABAQUS软件为例，介绍了ABAQUS软件的使用及在焊接过程中的应用。此外，我们在教学过程中还增加了SYSWELD和SIMUFCATWELDING的软件安装及应用，并让学生采用三个软件模拟并进行结果对比。

2.3 教学内容优化设计

基于工程教育专业认证的基本理念——“以学生为中心，以学习成果为导向，持续改进”，即OBE理念［45］，利用学科交叉，辅助专业课程巩固基础，夯实专业知识，提升应用能力，建立解决工程问题的思维是本课程的基本教学思路。教学内容设计上，以学生未来的就业和继续深造需求为导向，结合企业对人才的需求和科研对学生素养的要求，合理优化教学内容，将大学四年所学的相关课程基础知识进行高度融合，包括材料学与物理学、化学、力学、计算机、制图等学科知识，体现课程对所学知识的整合，实现培养学生综合应用能力的目标。

我校最新制定的教学大纲中，“焊接过程数值模拟”课程在第七学期开设，总学时为32，其中理论教学为16学时，实践学时为16学时。教学内容主要包括焊接物理过程基础、有限元软件基础、材料热物理性能设置、焊接热力模拟过程建立、结果可视化以及模拟结果数据分析等。通过大量实践让同学们熟练地操作软件的同时，充分地理解课程在工程中的应用。每部分内容具体如下：

（1）在回顾焊接热物理过程中不但涉及焊接冶金学、材料焊接性、电弧焊方法、焊接结构等专业知识，还包括材料力学性能等专业基础知识，将整个焊接专业所学知识进行精细融合，学生通过这些知识对每种焊接过程进行充分理解，将焊接过程的每一个细节进行拆分，如对CO2气体保护焊板板对接过程进行模拟，其中两个板的位置、热源形状、焊接过程中的热扩散、板的边界条件等都需要学生对其详细分析，整个过程学生增强了利用本专业知识构建合理的模型。

（2）在有限元软件学习过程中，主要学习有限元软件的基本原理和使用方法，并通过第一部分对各种熔焊方法焊接过程的分析，在ABAQUS软件中建模。本部分作为实践课，采用上机+实例教学的模式讲授。实例中包括栅管的散热过程中涉及的热传导和铝合金TIG焊焊缝处的温度场、应力场分析等实践操作练习，使学生逐步理解软件的功能。并通过实例对网格划分、分析步的建立和边界条件设置进行讲解，学生可以在实践中理解各个步骤的意义。在求解过程中，针对结果介绍软件的求解原理，让学生对软件的计算过程有更深刻的理解。

（3）为了锻炼学生独立解决问题的能力，在实践课程后，对每个实例要进行举一反三，更换不同焊接方法或对其他材料进行相同的焊接过程。由于不同材料的热物理性能不同，需要同学们自己查阅文献或通过其他软件计算，给学生更多的发挥空间，增强自学能力。此外，让同学们接触到企业实际遇到的焊接问题，使学生提前体验为企业解决复杂工程问题的过程，在结果分析过程中还将用到“计算机在材料中的应用”课程中学到的Origin、Photoshop等数据分析软件，最终每一个完成的问题要用PPT进行汇报总结，实现对学生综合能力的培养。

2.4 教学过程设置

由于学生在本科教学中没有学习到数值解析课程，因此对本课程中数值模拟的理论部分难于理解，在教学过程中需尽可能结合学生已有的知识和浅显的案例，也可更好地理解数值解析中的一些公式。例如，在数值模拟方法的讲解中，引入由哈工大毕业生万龙创办的万洲焊接技术有限公司的简介，结合该公司智能装备研究中应用数值模拟的案例视频，直观了解什么是数值模拟及其应用，激发学生的学习兴趣，并鼓励学生创新创业。在讲授过程中，通过提问引发学生对已学知识与课堂内容进行关联，从而实现对课堂内容的理解和掌握，让学生从中体验专业知识与计算机知识的交叉融合。此外，在实践教学中，采用翻转课堂的教学模式，由4～6名学生组成一个学习小组，分配给每个小组相同的焊接工程问题，每个小组选出负责人，并进行分工合作，查阅相关文献确定问题中所涉及的数据参数，小组内进行对案例的研讨，结合前期案例分析过程，提出“如何设计模型，采用哪种方法来解决存在的问题”“根据所做模拟结果得出什么结论”和“还有哪些问题可以采用同样的方法解决”三个问题，各个小组为竞争关系，每个小组通过组员的配合，争夺成为第一个解决问题的小组，这种模式既培养了学生之间的沟通能力，又锻炼了他们解决问题的能力，拓宽视野，熟练模拟操作方法。

2.5 多种教学方法的相互结合

“焊接过程数值模拟”是一门综合知识应用很强的课程，在当前大环境下，线上线下结合已经成为教学的常态，借助互联网，本课程的实践课内容也可顺利进行，通过共享软件界面，随时可查看学生的模拟进度。作业答疑可采用腾讯会议等完成，学生遇到问题也能够随时通过网络发给老师。具体的教学方法如下。

2.5.1 案例教学法和创造性教学法相结合

在上课初期，学生对该课程的学习目的不是很明确，并且觉得课程难度大，从开始上课就失去信心。在这种情况下，我们采用企业中的真实案例与教材內容相互融合，如高速轨道客车侧墙焊接中为防止焊接变形焊接方法如何选择的问题。通过多媒体教学，学生从观看案例视频到亲自动手解决问题，切实感受通过学习本课程，在企业中可发挥的作用。在案例教学法中，通过校企合作和校友支持，还可获得企业的最新动态，在大量案例中选出适合学生解决的问题，在分组完成过程中，鼓励学生在解决方案上创新，同一个问题由2～3个小组同时且采用不同方法或不同的模拟软件进行解答，学生发挥自己对所学知识的理解并加以应用。这种案例法与创造性教学法相融合的方法，可开拓学生的思路，在发散思维中获得更多的可能性，既培养学生的学习兴趣，调动学生的学习积极性，又为学生就业奠定了基础。

2.5.2 项目驱动与任务教学法相结合

项目驱动是以问题的形式引发学生对问题的思考，以问题为导向，激发学生的学习兴趣，然后将每个问题转变为任务，学生通过对问题的兴趣程度，自由组队领取任务。每个小组对任务内的问题进行组内讨论及分工，借助互联网查阅和收集资料，进行模拟计算及数据分析，最终将结果以PPT的形式进行汇报，此外，总结归纳这一类问题的解决方案。该模式既可以锻炼学生的自主思考能力，开拓学生的思维，鼓励学生进行创造，同时又增加了学生之间的信任与合作，对于创新型人才的培养有积极意义。学生通过这种形式的锻炼，都变得更加自信，面对问题不再迷茫，常常要挑战更高难度的项目。

3 “焊接过程数值模拟”课程的教学监测与后期评价

“焊接过程数值模拟”作为以实践为主的专业选修课，在课程考核方面更注重实践操作环节，因此，期末考试不采用笔试的方式，而是设定不同的项目，学生以抽签的方式获得题目，在一周内完成设计方案，得到模拟结果并分析，最终以课程报告的形式上交。期末总成绩便由平时上机实践成绩和期末课程报告两部分构成，其中，平时成绩占40%，期末上机考试占60%。平时成绩包括出勤、上机实践和作业，这部分主要根据每位学生上机实践和平时作业的表现加以评判，并且将分数细化到基本操作的得分，课堂出勤和互动问答的得分，外延操作的得分以及报错信息修正能力的得分，来全面衡量学生的实际操作能力。课程报告部分则根据每位学生解决问题的方案、模拟步骤是否正确、模拟结果分析是否到位、报告的详细程度及表达是否准确五部分得分。通过以上方式全面考核学生在本课程中的学习程度，从而反映出学生在解决工程问题方面的能力是否得到明显提高。除了通过期末考核检测教学效果，还包括教学院长和督导的听评课，以及教师在网络平台的作业、教学资源、答疑次数等数据对本课程的教学质量和教学效果进行评价。

当然最直观的效果则是学生在参加比赛和完成毕业设计过程中明显表现出动手能力有了很大的提升。目前，大一、大二、大三的学生对本课程都非常期待，并且对模拟软件产生了浓厚的兴趣，有些学生甚至在课余时间自学或者到课堂上听课。此外，由于会使用模拟软件，学生在就业和考研时也更具竞争力。学校在对用人单位回访调研中发现，企业普遍反映，学习过焊接模拟软件的学生在解决和分析问题方面的能力更强，得到了企业的高度认可。

结语

在工程教育和新工科背景下，为了提高学生解决复杂工程问题的能力而设立的“焊接过程数值模拟”课程，通过优化课程教学内容及对教学方式的探索，加强实践教学与企业需求相结合，注重解决工程问题的能力和创新意识的培养，解放固定思维，鼓励多视角看待问题、多种手段解决问题，最终建立了较为完善的课程教学体系。通过教学课程评价获得了较好的反馈。随着我国新材料研发、材料基因组计划和人工智能预测的新科技革命的到来，焊接专业人才必将掌握计算机仿真手段预测和优化产品。因此，对于实用性极强的“焊接过程数值模拟”这门课，我们仍然需要不断地根据企业的实际情况及时调整教学内容，同时尝试更有效的教学方法，以培养出适应时代发展、满足社会需求的大学生。

参考文献：

［1］李美艳，韩涛，韩彬，等.数值模拟在焊接技术实验课教学中的应用［J］.实验技术与管理，2015，32（10）：5255.

［2］张强.工程教育认证下《计算机在材料科学中的应用》教学改革与探索［J］.广州化工，2020，48（2）：156158.

［3］马驰，于智，王涛，等.高分子材料专业《计算机在材料研究中的应用》课程教学改革与实践［J］.高分子通报，2021，7：9498.

［4］高文斌，顾小燕，黎文航.工程教育OBE理念下的《材料力学性能》课程教学改革的探讨［J］.科技视界，2021，05：32.

［5］李佳.以能力导向的材料成型专业实践课程体系构建研究［J］.产学研理论与实践，2020，28（17）：167.

基金来源：黑龙江省教育科学“十四五”规划2022年度重点课题“新工科框架下材料类专业应用创新型人才培养模式研究”（项目编号：GJB1422680）；佳木斯大学教育教学改革研究项目“基于复杂焊接工程问题预测与模拟能力培养的教学改革与实践”（项目编号：2021JY201）

*通讯作者：湛蘭（1985— ），女，汉族，吉林九台人，博士，讲师，研究方向：焊接专业课堂教学及实践教学改革研究。