基于CES EduPack軟件的課程建設(shè)與教學(xué)實(shí)踐

呂慶功, 許文婧, 秦 子, 牟仁玲,李欣欣

(北京科技大學(xué) 高等工程師學(xué)院, 北京 100083)

工程材料是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ),在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中如何恰當(dāng)選用工程材料,以滿足產(chǎn)品的市場(chǎng)適應(yīng)性、技術(shù)可行性、經(jīng)濟(jì)合理性和環(huán)境友好性的要求,是產(chǎn)品設(shè)計(jì)教學(xué)、產(chǎn)品開發(fā)、產(chǎn)品生產(chǎn)和產(chǎn)品使用各部門共同關(guān)注的問題[1-4]。然而,工程材料種類繁多,屬性差異很大,在選用過程中需要采用正確的思路和方法,并掌握一定的技能,方可高效準(zhǔn)確地開展工作,達(dá)到預(yù)期的效果[5-8]。英國(guó)劍橋大學(xué)Ashby教授技術(shù)團(tuán)隊(duì)開發(fā)的CES EduPack教學(xué)軟件具有豐富的材料和工藝的屬性數(shù)據(jù),同時(shí)配置有便捷實(shí)用的輔助選擇功能和插件,適于開展工程材料選擇方面的實(shí)踐類課程[9-11]。北京科技大學(xué)于2014年引進(jìn)了該軟件,安裝于鋼鐵生產(chǎn)全流程虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)(國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心)的50個(gè)教學(xué)終端,并基于該軟件開設(shè)了公共選修課“工程材料優(yōu)選”。本文介紹CES EduPack教學(xué)軟件的特點(diǎn)以及基于該軟件的課程開設(shè)和教學(xué)應(yīng)用情況,旨在及時(shí)總結(jié)教學(xué)經(jīng)驗(yàn),提升認(rèn)識(shí)水平,持續(xù)提高工程實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量。

1 CES EduPack軟件的特點(diǎn)

該軟件提供了豐富且易于理解的材料和工藝的屬性數(shù)據(jù)庫,配置有瀏覽、搜索、選擇、生態(tài)分析等功能模塊,便于引導(dǎo)學(xué)生探索和理解材料世界,可支撐材料、工程、設(shè)計(jì)和可持續(xù)發(fā)展等方面的教學(xué)活動(dòng)。

1.1 豐富的材料和工藝屬性數(shù)據(jù)

CES EduPack提供了3個(gè)級(jí)別的材料數(shù)據(jù)庫以及相應(yīng)的工藝數(shù)據(jù)庫。其中,一級(jí)數(shù)據(jù)庫包含60多種常用材料和70多種常用制造工藝的基本信息和關(guān)鍵屬性數(shù)據(jù),適于入門級(jí)學(xué)生初步了解材料世界。二級(jí)數(shù)據(jù)庫包含100多種材料和100多種制造工藝的信息和屬性數(shù)據(jù),可以幫助學(xué)生理解不同材料和工藝的作用,并學(xué)習(xí)選擇材料和工藝的基本技能。三級(jí)數(shù)據(jù)庫具有3 900多種材料和200多種制造工藝的詳細(xì)信息和屬性數(shù)據(jù),旨在幫助高年級(jí)學(xué)生在產(chǎn)品設(shè)計(jì)項(xiàng)目中理解材料和工藝的特性,掌握恰當(dāng)選擇材料和工藝的方法和技能。

材料和工藝數(shù)據(jù)庫采用了家族樹架構(gòu),設(shè)有家族、類、子類、成員和屬性記錄單等層次,其中屬性記錄單是數(shù)據(jù)庫的基本組成單元,記錄了材料和工藝的基礎(chǔ)信息和屬性數(shù)據(jù)。材料記錄單記錄材料的力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、光學(xué)、化學(xué)等性能數(shù)據(jù),而工藝記錄單則記錄產(chǎn)品的形狀、尺寸、公差、粗糙度、批量、成本模型等信息。

除了軟件自帶的數(shù)據(jù)庫信息,學(xué)生還可以創(chuàng)建全新的材料和工藝記錄單,以便記錄新材料和新工藝的屬性數(shù)據(jù),甚至可以根據(jù)研究和學(xué)習(xí)的需要提出理想材料和工藝的記錄單。同時(shí),對(duì)于每種屬性,軟件還提供了詳細(xì)的科學(xué)原理解釋,鼓勵(lì)學(xué)生通過類似教科書形式的科學(xué)備注信息和前往教材的鏈接來深入了解科學(xué)原理和規(guī)律。

1.2 便捷的瀏覽、搜索和選擇功能

CES EduPack軟件提供了便捷的瀏覽、搜索和選擇功能。

瀏覽功能是基于樹狀索引結(jié)構(gòu),分門別類地呈現(xiàn)材料、工藝以及相應(yīng)的屬性數(shù)據(jù),而且學(xué)生可以很方便地在各級(jí)各類數(shù)據(jù)庫之間切換。以三級(jí)數(shù)據(jù)庫為例,軟件提供了材料、工藝、生產(chǎn)商、數(shù)據(jù)來源、形狀類型等多種分類入口,且在每個(gè)分類里又設(shè)了多個(gè)子分類,比如材料分類里又分了全部材料、陶瓷材料、金屬材料、泡沫材料、塊體材料等多個(gè)子類別,大大提高了瀏覽效率。

搜索功能模塊支持關(guān)鍵詞搜索,軟件會(huì)反饋所有出現(xiàn)該關(guān)鍵詞的記錄單,而且按照材料庫、工藝庫、生產(chǎn)商、數(shù)據(jù)來源等類別進(jìn)行分類呈現(xiàn),非常便于搜索、瀏覽和數(shù)據(jù)閱讀。

選擇功能是CES EduPack軟件的核心功能,提供了圖選、限選和樹選3種選擇路徑。采用圖選路徑時(shí),軟件提供了泡泡圖和條形圖(見圖1)2種可視化表達(dá)工具,并配置有多種輔助選擇的插件,學(xué)生可借以針對(duì)不同屬性或?qū)傩越M合對(duì)不同材料和工藝進(jìn)行比選。采用限選路徑時(shí),學(xué)生可以選擇屬性的類型并輸入相應(yīng)的限制閾值,從而遴選出符合要求的材料或工藝。采用樹選路徑時(shí),學(xué)生可以按照樹狀結(jié)構(gòu)限定選擇的范圍。每種選擇路徑可以建立多個(gè)選擇條件,多種選擇路徑的選擇條件可以“或/與”組合,從而快速縮小選擇范圍。

1.3 設(shè)計(jì)導(dǎo)向(Design-Led)的選擇策略

CES EduPack軟件的應(yīng)用是基于以產(chǎn)品設(shè)計(jì)為導(dǎo)向的材料和工藝選擇策略,即選擇的起點(diǎn)是產(chǎn)品的市場(chǎng)需求和設(shè)計(jì)要求(見圖2)[9]。產(chǎn)品設(shè)計(jì)的過程是：首先要初步設(shè)想關(guān)于產(chǎn)品的概念,如果經(jīng)過初步的調(diào)研和評(píng)估認(rèn)為概念可行,即可進(jìn)入具體化階段,包括選擇工作原理、確定尺寸和布局,以及初步預(yù)測(cè)性能和成本。如果具體化階段的成果令人滿意,則可繼續(xù)進(jìn)入詳細(xì)設(shè)計(jì)階段,包括：性能優(yōu)化、關(guān)鍵部件分析、詳細(xì)圖紙?jiān)O(shè)計(jì)等。當(dāng)然,設(shè)計(jì)過程并不是線性的,如果某個(gè)步驟的設(shè)計(jì)成果不令人滿意,則可能需要返回上一個(gè)步驟。

材料和工藝的選擇是與產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程并行發(fā)生的,選擇過程不僅要考慮產(chǎn)品設(shè)計(jì)的需求,還要考慮材料和工藝屬性的相互匹配。最初二者的選擇范圍都比較寬,需要考慮所有的候選對(duì)象。隨著產(chǎn)品設(shè)計(jì)的細(xì)化,對(duì)材料和工藝的要求越來越明確具體,則符合要求的材料和工藝也越來越少,經(jīng)過層層篩選后可形成備選材料和工藝的短名單,最終由設(shè)計(jì)者綜合比選后確定選擇方案。

圖2 設(shè)計(jì)導(dǎo)向的材料與工藝選擇路徑

基于CES EduPack軟件的材料和工藝選擇包括4個(gè)步驟,即：處理(transaction)、篩選(screening)、排序(ranking)和文檔(documentation)。以材料選擇為例,處理是把設(shè)計(jì)要求轉(zhuǎn)化為選擇材料的具體說明,即提出明確的限制條件和優(yōu)化目標(biāo),這是材料選擇篩選和排序的必要前提。然后,通過篩選把不符合限制條件的材料排除掉,排序則是把幸存材料按照對(duì)優(yōu)化目標(biāo)的符合度進(jìn)行排列。最后一步是文檔,對(duì)有希望的候選材料進(jìn)行深度分析,檢查其使用情況和失敗案例以及如何用其進(jìn)行產(chǎn)品的最佳設(shè)計(jì)和生產(chǎn)制作。工藝選擇的步驟與材料選擇類似,只是關(guān)注對(duì)象從材料屬性轉(zhuǎn)換為工藝屬性。

1.4 基于產(chǎn)品生命周期的生態(tài)分析

來自地球資源的礦石原料被加工提取而生產(chǎn)出材料,材料又被加工制作成有使用價(jià)值的產(chǎn)品,產(chǎn)品被運(yùn)輸和使用,在其生命終點(diǎn)被丟棄、循環(huán)利用、焚燒或填埋處理,這就是產(chǎn)品的生命周期。產(chǎn)品在其生命周期的各個(gè)節(jié)點(diǎn)會(huì)消耗一定的能源和材料,同時(shí)會(huì)產(chǎn)生廢氣、廢液和廢固等廢棄物,造成了環(huán)境損害。

通過CES EduPack軟件的Eco Audit模塊輸入產(chǎn)品的材料、生產(chǎn)、運(yùn)輸、使用和廢棄處理等生命周期各個(gè)節(jié)點(diǎn)的相關(guān)特征數(shù)據(jù),經(jīng)軟件分析即可得到各個(gè)階段的生態(tài)壓力水平,進(jìn)而引導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計(jì)者針對(duì)重點(diǎn)環(huán)節(jié)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品在整個(gè)生命周期對(duì)環(huán)境影響總體最小化(見圖3)[10]。

圖3 基于產(chǎn)品生命周期的生態(tài)分析策略

不同的產(chǎn)品在其生命周期的不同階段,其能源消耗和環(huán)境影響的強(qiáng)弱分布也會(huì)不同,產(chǎn)品設(shè)計(jì)者通過生態(tài)分析發(fā)現(xiàn)能源消耗和環(huán)境影響比較嚴(yán)重的環(huán)節(jié),進(jìn)而采取相應(yīng)措施減小相應(yīng)環(huán)節(jié)的能源消耗和環(huán)境影響,有利于提高設(shè)計(jì)效率,改善產(chǎn)品的生態(tài)屬性。

2 課程設(shè)計(jì)方案

2.1 課程目標(biāo)

本課程為公共選修課,主要目的是讓學(xué)生了解工程材料的分類和屬性,熟悉工程材料選擇的思路和方法,掌握工程材料選擇的技能,理解基于產(chǎn)品生命周期的生態(tài)分析方法,進(jìn)而樹立節(jié)能環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展的理念和意識(shí)。通過本課程的學(xué)習(xí),學(xué)生可以根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求選擇產(chǎn)品的材料,選出與產(chǎn)品和材料匹配的工藝,初步核算和比較生產(chǎn)成本,并基于產(chǎn)品生命周期進(jìn)行生態(tài)影響分析,最終完成材料優(yōu)選方案。

2.2 課程內(nèi)容

課程的教學(xué)內(nèi)容主要包括材料與屬性、材料選擇、工藝選擇和生態(tài)分析4個(gè)部分。

2.2.1 材料與屬性

該部分的教學(xué)目的是讓學(xué)生建立對(duì)材料典型屬性的感性認(rèn)識(shí),認(rèn)知材料家族樹。在教學(xué)內(nèi)容方面,主要以范例形式介紹材料屬性,使學(xué)生建立對(duì)不同材料屬性的感性認(rèn)識(shí)。通過介紹和分析材料家族樹和材料記錄單,讓學(xué)生了解材料的分類和屬性特點(diǎn)。

該部分的要點(diǎn)是：

(1) 材料屬性的指標(biāo)個(gè)數(shù)不宜太多,重點(diǎn)是建立學(xué)生對(duì)典型屬性(密度、強(qiáng)度、剛性、韌性、塑性、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、耐熱性、耐蝕性、耐磨性、抗疲勞性)的感性認(rèn)識(shí),要結(jié)合圖文資料進(jìn)行介紹,并安排課堂作業(yè)讓學(xué)生在CES EduPack軟件中查詢材料屬性；

(2) 對(duì)材料家族樹要重點(diǎn)介紹,結(jié)合軟件中的泡泡圖和條形圖說明各類材料在屬性上的典型差異,該部分可安排課堂作業(yè)。

2.2.2 材料選擇

該部分的教學(xué)目的是讓學(xué)生了解材料選擇與產(chǎn)品設(shè)計(jì)的基本關(guān)系,熟悉材料選擇的基本步驟。教學(xué)內(nèi)容主要包括：材料選擇與產(chǎn)品設(shè)計(jì)的關(guān)系；材料選擇的4個(gè)基本步驟：處理、篩選、排序和文檔。

該部分的教學(xué)要點(diǎn)是：

(1) 關(guān)于材料選擇與產(chǎn)品設(shè)計(jì)的關(guān)系,要結(jié)合產(chǎn)品設(shè)計(jì)步驟進(jìn)行對(duì)應(yīng)說明,讓學(xué)生理解材料選擇的意義和目的；

(2) 在材料選擇的步驟方面,重點(diǎn)學(xué)習(xí)第一步“處理”,要結(jié)合案例做充分的介紹和練習(xí)。

2.2.3 工藝選擇

該部分的教學(xué)目的是讓學(xué)生了解材料與工藝的相互關(guān)系,理解工藝的屬性以及工藝對(duì)材料屬性的影響,掌握工藝選擇的步驟,熟悉產(chǎn)品成本的組成要素和分析方法。教學(xué)內(nèi)容主要包括：工藝選擇的基本步驟：處理、篩選、排序和文檔；產(chǎn)品的成本模型。

該部分的教學(xué)要點(diǎn)是：

(1) 簡(jiǎn)要說明工藝對(duì)材料性能的影響機(jī)理,建立“成分+工藝=組織+性能”的基本概念；

(2) 工藝選擇的步驟,應(yīng)重點(diǎn)介紹第一步“處理”,要有課堂練習(xí)；

(3) 重點(diǎn)講解和練習(xí)產(chǎn)品的成本模型。

2.2.4 生態(tài)分析

該部分的教學(xué)目的是讓學(xué)生理解基于產(chǎn)品生命周期的生態(tài)分析方法,進(jìn)而建立節(jié)能環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展的理念和意識(shí)。教學(xué)內(nèi)容包括：地球上材料資源的消耗趨勢(shì)；產(chǎn)品生命周期的概念；基于產(chǎn)品生命周期的能源消耗分析方法。

該部分的教學(xué)要點(diǎn)是：

(1) 基于圖示介紹產(chǎn)品生命周期過程,讓學(xué)生了解產(chǎn)品的材料、生產(chǎn)、運(yùn)輸、使用、廢棄和回收利用等過程；

(2) 熟悉基于CES EduPack的Eco Audit模塊,以案例方式學(xué)習(xí)生態(tài)分析的過程和方法；

(3) 強(qiáng)調(diào)什么是負(fù)責(zé)任的產(chǎn)品設(shè)計(jì),以及節(jié)能環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的理念。

2.3 教學(xué)方式與考核方法

本課程設(shè)16學(xué)時(shí)1學(xué)分,面向全校本科生開放,不限專業(yè),不限年級(jí)。課程基于CES EduPack軟件(英文),全部在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室上課,講授與上機(jī)實(shí)驗(yàn)緊密結(jié)合。前8個(gè)學(xué)時(shí)4大節(jié)課(每大節(jié)課2學(xué)時(shí))的講授和上機(jī)實(shí)踐時(shí)間各占50%,教師要提前準(zhǔn)備上機(jī)實(shí)驗(yàn)的題目,學(xué)生在教師指導(dǎo)下上機(jī)實(shí)驗(yàn)。另外8學(xué)時(shí)用于學(xué)生自選產(chǎn)品，并在教師指導(dǎo)下完成產(chǎn)品選材報(bào)告,報(bào)告內(nèi)容包括產(chǎn)品描述、材料選擇、工藝選擇、成本分析和生態(tài)分析。

學(xué)生在前4大節(jié)課上課時(shí),每學(xué)完一大節(jié)課即寫1篇學(xué)習(xí)日記,共計(jì)寫4篇。后8學(xué)時(shí)的產(chǎn)品選材實(shí)踐按自愿分組進(jìn)行(每組不超過5人),以便鍛煉學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)。教師要提前準(zhǔn)備教學(xué)案例供學(xué)生參考,在第5節(jié)課之前組織學(xué)生分組,最后一節(jié)課提交報(bào)告并組織答辯和答疑。

課程成績(jī)按平時(shí)成績(jī)50%和選材報(bào)告成績(jī)50%。平時(shí)成績(jī)依據(jù)4篇學(xué)習(xí)日記和平時(shí)考勤情況進(jìn)行打分,選材報(bào)告成績(jī)由教師根據(jù)報(bào)告編寫和答辯情況進(jìn)行打分。

3 教學(xué)應(yīng)用情況

3.1 選課情況

2015—2017年,全校有4個(gè)年級(jí)43個(gè)專業(yè)共116名本科生選修了“工程材料優(yōu)選”課程。其中,大一學(xué)生52人,大二學(xué)生28人,大三學(xué)生24人,大四學(xué)生12人。選修學(xué)生的專業(yè)按選修人數(shù)多少排序包括機(jī)械工程(15人)、材料科學(xué)與工程(11人)、土木工程(9人)等。另外,選課的男生有87人,女生有29人,男女生比例為3∶1。

3.2 學(xué)習(xí)日記

學(xué)生的學(xué)習(xí)日記記錄了學(xué)生在課程學(xué)習(xí)中對(duì)教學(xué)內(nèi)容的理解和疑問,同時(shí)也記錄了學(xué)生的學(xué)習(xí)感悟和對(duì)課程的評(píng)價(jià)。下面是節(jié)選的部分學(xué)習(xí)日記的內(nèi)容：

(1) 結(jié)合軟件操作的學(xué)習(xí),富有實(shí)踐性和探索性,全英文界面具有挑戰(zhàn)性。

(2) CES EduPack軟件功能強(qiáng)大,在眾多材料中可方便快捷地找到符合要求的材料,著實(shí)很智慧。

(3) 工藝成本模型是我在專業(yè)課中未學(xué)過的內(nèi)容,基于CES軟件的案例學(xué)習(xí)加深了對(duì)工藝成本的理解,收獲頗豐。

(4) 第一次接觸產(chǎn)品的生態(tài)設(shè)計(jì)理念。通過學(xué)習(xí)認(rèn)識(shí)到,產(chǎn)品與生態(tài)息息相關(guān),作為未來的工程師,建立起產(chǎn)品的生態(tài)意識(shí)很有必要,大開眼界。

(5) 這個(gè)軟件展示了海洋般的資料儲(chǔ)備、條理分明的程序設(shè)定以及高效的處理方法。

3.3 選材報(bào)告

截至2017年底,本課程共收到選材報(bào)告16份,涉及的產(chǎn)品包括花瓶、不銹鋼碗、軟猬甲背心、二級(jí)齒輪減速器、雨傘等14種。每份報(bào)告均按照課程講授的選材步驟完成了大綱要求的產(chǎn)品描述、材料選擇、工藝選擇、成本分析和生態(tài)分析等內(nèi)容。選材報(bào)告的平均成績(jī)?yōu)?5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,沒有不及格情況。

3.4 教學(xué)交流

在基于CES EduPack軟件開展課程建設(shè)和教學(xué)實(shí)踐的同時(shí),還積極開展相關(guān)的教學(xué)交流。2014—2018年,先后有8人次赴英國(guó)劍橋大學(xué)參加了國(guó)際材料教育研討會(huì)(International Materials Education Symposium)及CES EduPack培訓(xùn)學(xué)習(xí)。2016年,在北京科技大學(xué)主辦的“可持續(xù)性工程教育教學(xué)與實(shí)踐”國(guó)際研討會(huì)上報(bào)告交流了基于CES EduPack軟件的課程建設(shè)與教學(xué)應(yīng)用情況。同年,在鋼鐵生產(chǎn)全流程虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)舉辦了“工程材料優(yōu)選軟件(CES EduPack)工作坊”活動(dòng),校內(nèi)外100多位師生前來學(xué)習(xí)和交流了基于CES EduPack軟件進(jìn)行工程材料優(yōu)選的方法和技能。

4 結(jié)語

本文所述的課程建設(shè)和教學(xué)實(shí)踐是在我校引進(jìn)劍橋大學(xué)CES EduPack教學(xué)軟件的基礎(chǔ)上開展的。CES EduPack的豐富的材料和工藝屬性數(shù)據(jù)、便捷的使用功能、設(shè)計(jì)導(dǎo)向(Design-Led)的選擇策略，以及基于產(chǎn)品生命周期的生態(tài)分析(Eco Audit)模塊,為開展基于軟件、豐富數(shù)據(jù)和案例、分組實(shí)踐學(xué)習(xí)和編寫報(bào)告等教學(xué)方式的應(yīng)用提供了很好的支撐?；谠撥浖_設(shè)的實(shí)踐類公共選修課“工程材料優(yōu)選”可以使學(xué)生了解工程材料的分類和屬性，熟悉工程材料選擇的思路和方法，掌握工程材料選擇的技能，理解基于產(chǎn)品生命周期的生態(tài)分析方法,進(jìn)而樹立節(jié)能環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展的理念和意識(shí),達(dá)到了教學(xué)目的。從世界頂級(jí)高校引進(jìn)成熟軟件并基于軟件開設(shè)課程的做法，以及在此基礎(chǔ)上開展相關(guān)的國(guó)際交流活動(dòng),有助于促進(jìn)工程實(shí)踐教學(xué)的國(guó)際化,開闊教師和學(xué)生的學(xué)術(shù)視野。