開放式材料設(shè)計(jì)與工程計(jì)算實(shí)驗(yàn)課程建設(shè)

蓋登宇

哈爾濱工程大學(xué)材料科學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院 黑龍江哈爾濱 150001

開放式材料設(shè)計(jì)與工程計(jì)算實(shí)驗(yàn)課程建設(shè)

蓋登宇

哈爾濱工程大學(xué)材料科學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院 黑龍江哈爾濱 150001

材料設(shè)計(jì)與工程計(jì)算實(shí)驗(yàn)課程的建設(shè)以提高學(xué)生材料設(shè)計(jì)、加工仿真以及工程計(jì)算能力為出發(fā)點(diǎn)，按照基本方法與軟件使用、應(yīng)用單一方法的材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)問(wèn)題的CAE實(shí)驗(yàn)解決以及建模計(jì)算與工程應(yīng)用實(shí)例相結(jié)合的綜合實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)3個(gè)層次設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。在教學(xué)方法上以提高學(xué)習(xí)效率為宗旨不斷創(chuàng)新，從教師講解學(xué)生實(shí)驗(yàn)的傳統(tǒng)模式到學(xué)生看視頻實(shí)驗(yàn)，教師答疑的全開放教學(xué)形式，教學(xué)效率得到提升。以學(xué)生綜合能力提高為導(dǎo)向制訂了考核方法并細(xì)化了評(píng)分規(guī)則。

材料設(shè)計(jì)；CAE；多層次實(shí)驗(yàn)內(nèi)容；全開放實(shí)驗(yàn)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)以及材料現(xiàn)代分析技術(shù)的發(fā)展和各種材料科學(xué)與工程研究模型的成熟，通過(guò)建立適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型對(duì)材料科學(xué)與工程中的實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行研究，已成為材料科學(xué)研究與應(yīng)用的重要手段之一[1]。材料設(shè)計(jì)以及計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)中的應(yīng)用等理論課程已經(jīng)在大多數(shù)開設(shè)材料科學(xué)與工程類專業(yè)的高校開展，但與其相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)課程開展的較少[2-4]。哈爾濱工程大學(xué)材料實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)材料設(shè)計(jì)與工程計(jì)算實(shí)驗(yàn)課程的工作自2006年起步，課程建設(shè)穩(wěn)步前進(jìn)，在2013年建成熱力學(xué)相圖計(jì)算、有限元工程模擬以及人工智能等應(yīng)用手段并重，面向材料科學(xué)與工程一級(jí)學(xué)科的全開放的獨(dú)立設(shè)課的材料設(shè)計(jì)與工程計(jì)算實(shí)驗(yàn)。根據(jù)課程的需要配置了Thermo-Calc，Jmatpro，Marc，Comsol以及MATLAB軟件進(jìn)行材料相圖、熱力學(xué)性能、材料性能與加工參數(shù)優(yōu)化等計(jì)算實(shí)驗(yàn)。

1 課程的地位和對(duì)學(xué)生能力的培養(yǎng)

1.1 材料設(shè)計(jì)與工程計(jì)算課程開設(shè)的科學(xué)及工程要求

材料設(shè)計(jì)與工程計(jì)算被定義為材料科學(xué)與工程學(xué)科的未來(lái)發(fā)展方向之一，各國(guó)高校等研究部門都在其上下了很大的力氣。利用設(shè)計(jì)來(lái)研究材料也曾經(jīng)是錢學(xué)森提出的材料科學(xué)發(fā)展前景，這些都要求我們?cè)诓牧显O(shè)計(jì)以及材料工程數(shù)值分析方面對(duì)學(xué)生進(jìn)行培養(yǎng)[5]。

現(xiàn)實(shí)中材料學(xué)科科研及工程應(yīng)用在不斷要求著各種材料計(jì)算技術(shù)的跟進(jìn)，材料研究論文中包含計(jì)算內(nèi)容的論文呈幾何級(jí)數(shù)增長(zhǎng)，大型工程的材料加工項(xiàng)目往往要求先進(jìn)行模擬技術(shù)來(lái)節(jié)約時(shí)間與金錢成本，例如三峽工程的轉(zhuǎn)輪加工從葉片鑄造、轉(zhuǎn)輪焊接到焊后熱處理都是在材料加工CAE的指導(dǎo)下進(jìn)行的，一些國(guó)外的大型鑄鍛件企業(yè)如美卓公司等甚至提出了無(wú)仿真無(wú)訂單。這些工程現(xiàn)實(shí)也對(duì)我們的學(xué)生提出了具備材料設(shè)計(jì)與工程計(jì)算理念并掌握其方法的要求。規(guī)劃并實(shí)施系列材料設(shè)計(jì)與工程計(jì)算實(shí)驗(yàn)課程對(duì)學(xué)生能力的培養(yǎng)和適應(yīng)未來(lái)工作中材料科學(xué)家或者卓越工程師的角色都有著深遠(yuǎn)的意義。

1.2 材料設(shè)計(jì)與工程計(jì)算實(shí)驗(yàn)在材料實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系中的地位

圍繞培養(yǎng)“專業(yè)基礎(chǔ)扎實(shí)、創(chuàng)新思維活躍、專業(yè)能力突出”的卓越工程師和具有創(chuàng)新潛質(zhì)的材料科學(xué)專門人才的核心任務(wù)設(shè)計(jì)了三層次一體化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。構(gòu)建了“以材料制備與加工—材料微觀組織觀察與結(jié)構(gòu)分析—材料性能測(cè)試與評(píng)價(jià)為主線，以材料科學(xué)與工程實(shí)驗(yàn)的方案構(gòu)思、路徑選擇、常規(guī)實(shí)驗(yàn)的技能培訓(xùn)、研究方法的理論教學(xué)、現(xiàn)代分析測(cè)試手段的操作實(shí)踐、材料設(shè)計(jì)與計(jì)算為基本內(nèi)容，材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)-材料工程綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)-材料科學(xué)研究實(shí)驗(yàn)平臺(tái)‘三層次一體化’為特征”的實(shí)驗(yàn)課程體系。

在這一實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系中，材料設(shè)計(jì)與工程計(jì)算是作為基本內(nèi)容和學(xué)生必備的基本研究手段提出的，與制備加工、組織觀察和分析測(cè)試的實(shí)驗(yàn)教學(xué)共同構(gòu)成了材料科學(xué)與工程專業(yè)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)群。也是學(xué)生需要掌握的基本實(shí)驗(yàn)技能之一。

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的制訂

材料設(shè)計(jì)與工程計(jì)算所包括的內(nèi)容繁多，材料的模擬與計(jì)算涉及空間以及時(shí)間的多尺度問(wèn)題，有些對(duì)理論要求高于本科生所能掌握的層次，經(jīng)過(guò)不斷的探索及實(shí)踐，確定了“面向一級(jí)學(xué)科，面向本科生接受程度，多種手段并舉與實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目層次化”的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目選取原則。

2.1 面向一級(jí)學(xué)科與材料實(shí)驗(yàn)中的CAE教學(xué)

和材料科學(xué)與工程專業(yè)的發(fā)展一樣，材料設(shè)計(jì)與工程計(jì)算由于各個(gè)二級(jí)學(xué)科的出身不同，其側(cè)重點(diǎn)也不一樣，所要求開展的材料設(shè)計(jì)與仿真類項(xiàng)目也不盡相同。材料物理更加注重對(duì)材料結(jié)構(gòu)的物理學(xué)本質(zhì)的反映；材料加工工程最關(guān)心的則是過(guò)程，更加注重工藝參數(shù)的優(yōu)化以及材料最終成型方法；材料學(xué)關(guān)注點(diǎn)則集中在材料的成分、組織、性能以及熱處理工藝的配合與相互影響。關(guān)于材料科學(xué)與工程專業(yè)的描述最經(jīng)典的莫過(guò)于四要素，即組織結(jié)構(gòu)、成分、加工制備、性能，前面三者共同支撐“性能”。作為面向一級(jí)學(xué)科的材料計(jì)算實(shí)驗(yàn)，就要以4個(gè)要素及其間的相互作用進(jìn)行項(xiàng)目的設(shè)計(jì)，包括相圖和組織計(jì)算、加工過(guò)程中各種場(chǎng)的計(jì)算以及組織、性能與加工參數(shù)的耦合計(jì)算等。

從CAE的教學(xué)來(lái)看，人們更加熱衷于理論教學(xué)而不是解決工程問(wèn)題，往往在模型和微分方程求解方面給出過(guò)多的解釋和推導(dǎo)，對(duì)工程問(wèn)題的分析則比較欠缺，更不論對(duì)CAE基本思想的啟發(fā)。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中CAE的教育呈現(xiàn)兩極化的現(xiàn)象，一極是以軟件操作教育為主，僅僅介紹某個(gè)軟件的操作以及簡(jiǎn)單問(wèn)題的求解，另一極是以第一性原理等進(jìn)行非常復(fù)雜的理論計(jì)算。前者將CAE教育簡(jiǎn)單化，讓學(xué)生有接受職業(yè)教育的感覺(jué)，后者則讓學(xué)生只能跟著做和知其然不知其所以然，都不利于CAE的實(shí)踐。我們進(jìn)行的材料工程CAE教學(xué)是以方法、面向工程問(wèn)題某方面的求解以及材料科學(xué)與工程全面問(wèn)題求解來(lái)進(jìn)行的。

2.2 課程運(yùn)用的計(jì)算方法及軟件

作為一門計(jì)算實(shí)驗(yàn)，課程必須由各種材料計(jì)算方法來(lái)支撐，根據(jù)本科生的接受程度，課程選擇了熱力學(xué)計(jì)算、有限元計(jì)算、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及其他方式在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用幾種方法。

所應(yīng)用的軟件包括Thermo-Calc，Jmatpro，Marc，Comsol以及MATLAB(包括ANN工具包)。Thermo-Calc是一款熱力學(xué)計(jì)算軟件，其功能除相圖計(jì)算外還能夠進(jìn)行熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)的優(yōu)化，利用這個(gè)軟件的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有鐵碳相圖計(jì)算、材料熱力學(xué)計(jì)算以及熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)的優(yōu)化[6,7]。Jmatpro也是基于熱力學(xué)計(jì)算的軟件，比起Thermo-Calc，它的特點(diǎn)有二，一是基于數(shù)據(jù)庫(kù)，二是包含一些材料性能和工藝計(jì)算，基于這個(gè)軟件也開設(shè)了鐵碳相圖計(jì)算和鋼的相質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)算[8,9]。Marc是有限元軟件，其優(yōu)勢(shì)在于非線性計(jì)算，使用這個(gè)軟件的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有端淬溫度場(chǎng)仿真、焊接熱源模型建立等。Comsol同樣是有限元軟件，其特點(diǎn)是可以基于偏微分方程進(jìn)行編程計(jì)算以及多場(chǎng)耦合，鋼的熱處理仿真這一實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目要求應(yīng)用這個(gè)軟件。MATLAB具有很強(qiáng)的科學(xué)計(jì)算功能，其nntools則是非常易用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具包，利用它們?cè)O(shè)計(jì)了材料工藝優(yōu)化實(shí)驗(yàn)和合金本構(gòu)關(guān)系建立實(shí)驗(yàn)等[10]。

2.3 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的層次進(jìn)階

對(duì)于材料CAE的實(shí)驗(yàn)教學(xué)的理想狀態(tài)是實(shí)現(xiàn)3個(gè)目的。

第一要具有一定的軟件操作訓(xùn)練，這是一切實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)，每一種方法和軟件的引入都要先進(jìn)行軟件介紹和使用實(shí)例，例如在Thermo-Calc介紹時(shí)的Fe-Cr相圖計(jì)算，有限元法引入時(shí)的帶孔方板應(yīng)力分析等。第二是簡(jiǎn)單問(wèn)題的CAE求解，這類問(wèn)題的選擇要有代表性，例如Fe-C相圖是材料科學(xué)基礎(chǔ)課程的基本內(nèi)容之一，F(xiàn)e-C相圖的計(jì)算又是非常典型的二元相圖計(jì)算，在課程內(nèi)容中滲透了熱力學(xué)穩(wěn)態(tài)相、材料學(xué)所講的平衡相的條件和計(jì)算，因此被確定為熱力學(xué)計(jì)算方面的第一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。第三是工程問(wèn)題某一個(gè)方面的CAE求解，這些項(xiàng)目限定為來(lái)源于工程應(yīng)用并采用單一的方法，例如焊接熱源模型的建立及驗(yàn)證來(lái)源于焊接仿真的實(shí)踐，應(yīng)用有限元方法。

CAE技術(shù)從其起源的那天開始就從來(lái)不是片面地反映工程的某個(gè)方面而是力求描述工程全貌的，因此在CAE實(shí)驗(yàn)教學(xué)和考核中不將技術(shù)割裂成知識(shí)點(diǎn)是必須堅(jiān)持的原則[11]。作為材料科學(xué)與工程的CAE教學(xué)，天然地繼承了材料科學(xué)與工程從各個(gè)學(xué)科(物理、化學(xué)、力學(xué)以及機(jī)械等)吸收知識(shí)的特點(diǎn)，應(yīng)該對(duì)CAE技術(shù)和材料計(jì)算的各類前沿問(wèn)題引入教學(xué)，通過(guò)將復(fù)雜問(wèn)題分解簡(jiǎn)單化來(lái)把其精髓帶入實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目。例如結(jié)構(gòu)鋼淬火仿真實(shí)驗(yàn)，這個(gè)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)是讓學(xué)生完整的計(jì)算結(jié)構(gòu)鋼淬火過(guò)程的溫度場(chǎng)、組織場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)及三者的耦合。在過(guò)程中運(yùn)用多種軟件(組織性能計(jì)算軟件Jmatpro和有限元軟件Marc)分別計(jì)算材料的性質(zhì)、組織和溫度場(chǎng)，互相支持得到材料的淬火組織及性能，在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中就可以體現(xiàn)出CAE的本質(zhì)，就是對(duì)工程過(guò)程的模擬和預(yù)測(cè)[12]。

3 教學(xué)方法的變革與考核方式的優(yōu)化

課程內(nèi)容從最初的熱力學(xué)計(jì)算和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算兩個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目發(fā)展到如今4個(gè)層次多種CAE方法的10個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的教學(xué)方法和考核方式也進(jìn)行了顛覆性的改變。實(shí)驗(yàn)教學(xué)從“演示+照做+練習(xí)”到完全開放的材料設(shè)計(jì)與工程計(jì)算實(shí)驗(yàn)，提高了教學(xué)的效率，是學(xué)生擁有了更多的有效實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)和更大的思考和發(fā)揮空間[13]。

3.1 全開放課程的管理模式

課程采用完全開放的學(xué)習(xí)模式，每學(xué)期定期發(fā)布上課通知開放一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)，按實(shí)驗(yàn)的難易1～2周完成，在開放時(shí)間內(nèi)學(xué)生可以自由選擇上課時(shí)間。開發(fā)了“材料設(shè)計(jì)與工程計(jì)算實(shí)驗(yàn)課程系統(tǒng)”自帶登錄和退出功能解決了學(xué)生學(xué)習(xí)時(shí)間的統(tǒng)計(jì)，而且文檔加密功能避免了學(xué)生間的互相抄襲。屏幕監(jiān)控系統(tǒng)解決了3個(gè)問(wèn)題：一是避免學(xué)生打開其他年級(jí)存檔的文件，保障學(xué)生自主完成實(shí)驗(yàn)；二是便于對(duì)學(xué)生用于觀看視頻等資料的學(xué)習(xí)時(shí)間與學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)的時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和比較；三是對(duì)一些違反實(shí)驗(yàn)教學(xué)紀(jì)律的行為進(jìn)行監(jiān)督。

3.2 全開放的實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源建設(shè)

全開放模式的實(shí)驗(yàn)資源建設(shè)是課程進(jìn)行最重要的保障。為每一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目所做的資源包括：實(shí)驗(yàn)要求、實(shí)驗(yàn)PPT課件、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及解釋、實(shí)驗(yàn)源代碼及文檔、練習(xí)題、教學(xué)視頻及調(diào)查表。所有的文件統(tǒng)一在材料設(shè)計(jì)與工程計(jì)算實(shí)驗(yàn)課程系統(tǒng)中。

實(shí)驗(yàn)要求文檔是對(duì)學(xué)生總的要求和建議，是完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的總綱。實(shí)驗(yàn)PPT課件是上課講解的材料，也是視頻講解的綱要。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與解釋包括實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、設(shè)備、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟以及思考題，是學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)和進(jìn)行實(shí)驗(yàn)報(bào)告的指導(dǎo)文件，思考題一般是實(shí)驗(yàn)涉及問(wèn)題的延伸、與相關(guān)理論知識(shí)的結(jié)合以及對(duì)實(shí)驗(yàn)所涉及領(lǐng)域的發(fā)展展望，思考題的完成需要在完成實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行一定的相關(guān)閱讀并展現(xiàn)一定的想象力。實(shí)驗(yàn)源代碼及文檔是實(shí)驗(yàn)演示程序的一步一步教學(xué)，不但有源代碼，還有對(duì)代碼的詳盡解釋，幫助學(xué)生掌握軟件和計(jì)算的精髓。練習(xí)題是與所演示實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相似且應(yīng)用同種方法的題目，每個(gè)實(shí)驗(yàn)有不同難度要求的題目供學(xué)生選擇，為不同層次的學(xué)生提供幫助。教學(xué)視頻是以上內(nèi)容的視頻，包括對(duì)實(shí)驗(yàn)要求、理論講解和演示部分的操作，為學(xué)生提供第一手資料。調(diào)查表是對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)情況的調(diào)查，包括實(shí)驗(yàn)花費(fèi)的課內(nèi)課外時(shí)間，學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握程度，實(shí)驗(yàn)條件、完成中的助力以及模式、建議等情況的調(diào)查，作為改進(jìn)的方向。

3.3 開放實(shí)驗(yàn)的考核標(biāo)準(zhǔn)制訂

考核的目的是檢驗(yàn)學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握和能力的提高，避免學(xué)生僅僅照貓畫虎地完成實(shí)驗(yàn)。為了更好地評(píng)價(jià)學(xué)生在完成實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的表現(xiàn)和完成效果以及能力的增長(zhǎng)，所建立的系統(tǒng)分三部分：客觀評(píng)分系統(tǒng)，學(xué)生自評(píng)系統(tǒng)以及教師評(píng)價(jià)系統(tǒng)，評(píng)分系統(tǒng)整合進(jìn)入實(shí)驗(yàn)課程管理系統(tǒng)中。3個(gè)評(píng)價(jià)體系各自起到不同的作用，客觀評(píng)分系統(tǒng)從學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)間總耗時(shí)、練學(xué)比以及過(guò)程出錯(cuò)率等問(wèn)題對(duì)學(xué)生進(jìn)行能力評(píng)價(jià)，并且對(duì)違反實(shí)驗(yàn)紀(jì)律的行為給出處罰的依據(jù)。學(xué)生自評(píng)系統(tǒng)站整個(gè)分?jǐn)?shù)的比例較低，主要是檢驗(yàn)學(xué)生自我評(píng)價(jià)與實(shí)驗(yàn)整體評(píng)價(jià)相關(guān)度。教師評(píng)價(jià)系統(tǒng)是整個(gè)評(píng)價(jià)中權(quán)重最重的部分，為事后評(píng)價(jià)，包括教學(xué)互動(dòng)和實(shí)驗(yàn)成果評(píng)價(jià)兩部分。評(píng)分系統(tǒng)的建立努力使結(jié)果評(píng)價(jià)在公正的基礎(chǔ)上更加科學(xué)，也能夠?yàn)閷?shí)驗(yàn)課程及其開放模式的發(fā)展提供方向[14]。

3.4 開放實(shí)驗(yàn)的答疑制度

開放實(shí)驗(yàn)形式和學(xué)生不熟悉的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，使得答疑顯得尤為重要，但是目前實(shí)驗(yàn)中心教師的缺乏又是事實(shí)。教學(xué)采用的是日常答疑和集中答疑相結(jié)合的路線。

日常答疑主要針對(duì)軟件的操作問(wèn)題和簡(jiǎn)單的解決方法問(wèn)題，在實(shí)驗(yàn)開放期間由一個(gè)熟悉開放實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的研究生負(fù)責(zé)答疑，解決學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中對(duì)軟件或方法不熟悉造成的簡(jiǎn)單問(wèn)題。集中答疑在開放期間的每周五下午，由任課教師承擔(dān)，負(fù)責(zé)建模問(wèn)題的解釋等模型與解決問(wèn)題的答疑，同時(shí)也為學(xué)生解決隨時(shí)提出的簡(jiǎn)單問(wèn)題。答疑的同時(shí)任課教師和研究生擔(dān)負(fù)著評(píng)價(jià)體系中的對(duì)學(xué)生提問(wèn)進(jìn)行評(píng)價(jià)的客觀評(píng)價(jià)角色。

4 教學(xué)與項(xiàng)目實(shí)例分析

對(duì)課程的整體教學(xué)和項(xiàng)目實(shí)例進(jìn)行了分析評(píng)價(jià)，課程的整體分析見(jiàn)表1。

表1 材料設(shè)計(jì)與工程計(jì)算實(shí)驗(yàn)教學(xué)評(píng)價(jià)

表1 (續(xù))

下面以材料熱力學(xué)計(jì)算實(shí)驗(yàn)和結(jié)構(gòu)鋼淬火仿真實(shí)驗(yàn)兩個(gè)項(xiàng)目為例評(píng)價(jià)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

4.1 材料熱力學(xué)計(jì)算實(shí)驗(yàn)

材料熱力學(xué)計(jì)算實(shí)驗(yàn)所承載的知識(shí)點(diǎn)：一是多元相圖，二是相質(zhì)量分?jǐn)?shù)，三是條件變化對(duì)各相質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響。該實(shí)驗(yàn)是在Fe-C實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步對(duì)材料的熱力學(xué)計(jì)算進(jìn)行實(shí)踐，實(shí)踐了多元相圖及其不同表達(dá)，熱力學(xué)計(jì)算結(jié)果的相質(zhì)量分?jǐn)?shù)表達(dá)以及材料成分、溫度等條件變化引起的相質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化。思考題偏于應(yīng)用，要求依照相圖和相質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)算結(jié)果說(shuō)明材料最佳熱處理溫度，練習(xí)題則是一個(gè)體系的三元相圖計(jì)算和一種滲碳鋼在滲碳后表面和心部的相質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)算。

實(shí)驗(yàn)總體來(lái)說(shuō)比較順利，但多數(shù)學(xué)生對(duì)思考題的完成不盡如人意，主要出現(xiàn)兩種情況：一種是試圖走捷徑，找到相應(yīng)材料的資料來(lái)完成思考題而沒(méi)有對(duì)自己所做的結(jié)果進(jìn)行分析；另一種是僅分析了相圖而沒(méi)有考慮相質(zhì)量分?jǐn)?shù)，這與同學(xué)的習(xí)慣有關(guān)，在理論課上相圖是很重要的方面而相質(zhì)量分?jǐn)?shù)這一很方便的相分布表達(dá)并沒(méi)有涉及。

擬采用的解決辦法：加入介紹相質(zhì)量分?jǐn)?shù)所表達(dá)信息的視頻，在實(shí)驗(yàn)素材中加入介紹熱力學(xué)計(jì)算結(jié)果輔助熱處理工藝制定和優(yōu)化的素材。

4.2 結(jié)構(gòu)鋼淬火仿真實(shí)驗(yàn)

這個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目是最接近CAE的本質(zhì)，即反映和解決工程問(wèn)題。前面的幾個(gè)項(xiàng)目都是從一個(gè)角度反映材料科學(xué)中的一個(gè)方面進(jìn)而為解決問(wèn)題提供一定的參考，而本項(xiàng)目則是利用CAE解決一個(gè)工程問(wèn)題。

項(xiàng)目有通過(guò)熱力學(xué)計(jì)算求解材料性能，材料的平衡與非平衡，性能對(duì)溫度場(chǎng)計(jì)算的影響，溫度場(chǎng)決定的材料性能等知識(shí)點(diǎn)，更重要的是它通過(guò)熱力學(xué)、材料性能計(jì)算與有限元計(jì)算的互相支持解決了淬火得到的材料性能的預(yù)測(cè)這一工程問(wèn)題。思考題要求學(xué)生解決精度提高的問(wèn)題，練習(xí)則是兩個(gè)熱處理問(wèn)題的材料性能預(yù)測(cè)。

該項(xiàng)目是唯一一個(gè)沒(méi)有給出全部源代碼的項(xiàng)目，在材料中只給出了建模的思路和解釋了方法。項(xiàng)目也是學(xué)生整體表現(xiàn)最差的一個(gè)，這似乎有兩個(gè)原因：一個(gè)出在學(xué)生身上，學(xué)生習(xí)慣了跟著視頻按照源代碼做而忽略了能力的提高；另一個(gè)在于教師未能給出足夠的練習(xí)素材，尤其是軟件使用教學(xué)素材導(dǎo)致學(xué)生在沒(méi)有源代碼支持時(shí)出錯(cuò)過(guò)多。

擬采用的解決辦法：增加教學(xué)素材，包括軟件使用訓(xùn)練和有限元建模思路。

5 結(jié)束語(yǔ)

作為一個(gè)采用新的授課模式全新規(guī)劃內(nèi)容的材料CAE實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程，課程實(shí)現(xiàn)了以下目標(biāo)。

(1)在材料科學(xué)與工程CAE的系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)在國(guó)內(nèi)處于空白的情況下系統(tǒng)地規(guī)劃了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和全開放的教學(xué)模式。

(2)從管理模式、考核標(biāo)準(zhǔn)以及答疑制度等方面為全開放模式的課程進(jìn)行了制度保障。

(3)建設(shè)了包括教學(xué)視頻、教學(xué)文檔、實(shí)驗(yàn)PPT課件、練習(xí)題以及調(diào)查表在內(nèi)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源庫(kù)。

(4)將管理模式和教學(xué)資源整合在課程教學(xué)系統(tǒng)中保障課程的實(shí)施。

(5)對(duì)教學(xué)進(jìn)行了評(píng)估并提出了改進(jìn)措施。

[1]許鑫華,原續(xù)波,郭瑞松.“材料研究與計(jì)算機(jī)應(yīng)用”課程建設(shè)實(shí)踐[J].高等工程教育研究,2005(S1):39-40.

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Opening Material Design & Engineering Simulation Lab Course Construction

Gai Dengyu
Material Science & Chemical Engineering College, Harbin Engineering University, Harbin, China, 150001, China

The aim of the construction of material design & engineering simulation Lab course is improving students abilities of material design and processing simulation. The experiments of the course divided into three levels. There are basic experiments of method learning and software application, basic material problem solution using single CAE method, Comprehensive experiments from engineering application. In order to improve the learning effciency, teaching method of the course continuously innovated. Teaching model changes from traditional teaching and doing lab mode into the open lab. The examination approaches was perfected for students abilities improving.

material design; CAE; multilevel experiments; open lab

2016-12-09

蓋登宇，博士，副教授，材料實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心主任。

哈爾濱工程大學(xué)品牌課程建設(shè)項(xiàng)目。