職教師資類院校け究粕《板料沖壓成形CAE課程》教改探索

武川 王權(quán) 閻妍

摘要：板料沖壓成形CAE課程是材料成型與控制工程本科專業(yè)的一門必修課，旨在培養(yǎng)學(xué)生掌握數(shù)值模擬技術(shù)并解決工程問題的能力。本文針對(duì)這門課程目前教學(xué)過程存在的問題，提出了教學(xué)內(nèi)容和方法的改革。教學(xué)內(nèi)容可以增加金屬塑性成形原理、金屬材料學(xué)和有限元基礎(chǔ)理論。教學(xué)方法嘗試引入工程案例法、討論式教學(xué)和企業(yè)式教學(xué)。在提高學(xué)習(xí)主動(dòng)性與積極性的同時(shí)，可以提高學(xué)生分析解決問題的能力。

關(guān)鍵詞：板料沖壓成形CAE;數(shù)值模擬;教學(xué)內(nèi)容與方法;企業(yè)式教學(xué)

職教師資類高等院校主要為大專、高/中職院校培養(yǎng)師資。因此，這類院校本科畢業(yè)生不但要具備動(dòng)手操作能力，而且還需要扎實(shí)的理論功底和教學(xué)技巧。材料成形與控制工程專業(yè)是職教師資院校的一個(gè)重要應(yīng)用型本科專業(yè)，對(duì)推動(dòng)我國(guó)熱加工技術(shù)發(fā)揮了重要作用[1]。而板料沖壓成形是一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課，主要從理論和技術(shù)層面上，對(duì)汽車結(jié)構(gòu)零部件的模具設(shè)計(jì)、工藝方案和加工工藝進(jìn)行介紹。

隨著我國(guó)汽車輕量化技術(shù)對(duì)零部件形狀、尺寸、精度提出的高要求，迫使板料成形技術(shù)需要從理論和技術(shù)上與時(shí)俱進(jìn)、深入發(fā)展。但是，面對(duì)成形難度大的零件，傳統(tǒng)試錯(cuò)法和理論解析法發(fā)揮的作用有限，無法滿足現(xiàn)代工業(yè)的要求。而計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）可以通過模擬技術(shù)，研究工藝參數(shù)、模具結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品尺寸的影響規(guī)律，繼而對(duì)結(jié)構(gòu)、工藝、產(chǎn)品信息進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)“無紙化”操作，不但降低了成本、節(jié)省了時(shí)間，而且提高了產(chǎn)品質(zhì)量。因此，近年來CAE技術(shù)在板料沖壓成形工藝中得到了廣泛應(yīng)用。

然而，隨著目前多媒體技術(shù)的盛行，導(dǎo)致學(xué)生課堂精力難以集中，聽課質(zhì)量下降，對(duì)一些重要的專業(yè)課失去興趣。這種現(xiàn)狀使得CAE技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在板料成形工藝課程中沒有得到完全釋放。因此，本文主要針對(duì)這一問題提出了課程教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法的改革嘗試。目的是通過這樣改革，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、動(dòng)力和分析解決問題的能力。下面主要針對(duì)課堂問題、教改內(nèi)容、方法進(jìn)行逐一介紹。

一、板料沖壓成形CAE課堂教學(xué)現(xiàn)狀和待改進(jìn)方面

（一）課堂教學(xué)現(xiàn)狀

板料沖壓成形CAE課程是一門重要的專業(yè)必修課，無論從教學(xué)大綱制定、課程安排，還是從專業(yè)教師、教學(xué)資源的配置，從學(xué)校層面都給予了足夠重視。但是，隨著國(guó)內(nèi)多媒體技術(shù)在大學(xué)校園的盛行，很多學(xué)生的注意力從課堂轉(zhuǎn)向了手機(jī)、電腦，從而減弱了他們學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性，使得目前學(xué)生課堂表現(xiàn)存在一些問題。針對(duì)當(dāng)前現(xiàn)狀，本文提出了相應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容和方法改革嘗試。期望以此為契機(jī)，調(diào)動(dòng)學(xué)生興趣，提高課堂質(zhì)量，促進(jìn)對(duì)專業(yè)技能的熟練掌握。

（二）待改進(jìn)方面

1.加強(qiáng)理論課程學(xué)習(xí)

雖然板料沖壓成形CAE是一門應(yīng)用型課程，但是主要涉及金屬塑性成形原理、金屬材料學(xué)和有限元基礎(chǔ)理論。其中，前兩門理論課程主要是針對(duì)材料變形與工藝制定方面的一些原理和方法的介紹，而有限元基礎(chǔ)是針對(duì)CAE數(shù)值模擬技術(shù)的具體介紹。本門課程CAE數(shù)值模擬技術(shù)是以DYNAFORM軟件為代表，對(duì)數(shù)值模擬進(jìn)行講解。因此，在板料沖壓成形CAE課程進(jìn)行過程，需要對(duì)上述提及的相關(guān)原理進(jìn)行選擇性講解，使得學(xué)生對(duì)一些關(guān)鍵基礎(chǔ)理論有正確認(rèn)識(shí)，以提高課堂質(zhì)量。

2.提高學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)性

盡管這門課程以上機(jī)練習(xí)為主，但是仍需要投入足夠的時(shí)間和精力。在熟練操作的同時(shí)，需要對(duì)這門課程涉及的一些原理和概念有正確的認(rèn)識(shí)。這門課程是一門涉及材料塑性變形機(jī)理、有限元理論、數(shù)值分析和金屬工藝學(xué)等相關(guān)知識(shí)，需要學(xué)生認(rèn)真對(duì)待。特別是在這些課程方面基礎(chǔ)較為薄弱，更需要投入足夠的精力彌補(bǔ)專業(yè)知識(shí)的不足。只有這樣才能較為深刻理解和掌握這門技術(shù)。

3.多元化教學(xué)

盡管這門課程主要是上機(jī)操作完成，但是仍具有理論性強(qiáng)的特點(diǎn)。如果采用傳統(tǒng)的被動(dòng)說教式教學(xué)，很難激發(fā)學(xué)生興趣，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極主動(dòng)性。因此，應(yīng)該采用多元授課方法。比如，首先劃分若干小組，每小組分配不同工程案例;小組內(nèi)，根據(jù)各人特長(zhǎng)，完成一定任務(wù);然后，每小組指定一名學(xué)生進(jìn)行講解，其他小組成員可以提出問題;每個(gè)小組把各自案例講解一次。這樣不但可以提高學(xué)生的主動(dòng)性和積極性，而且可以培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)合作精神。這種課堂教學(xué)比傳統(tǒng)說教式有很大的優(yōu)勢(shì)。

4.引進(jìn)工程案例

目前課堂教學(xué)缺乏生動(dòng)的工程案例，所以任課教師應(yīng)該搜集一些實(shí)際工程案例。這類案例產(chǎn)品形狀相對(duì)復(fù)雜、工藝煩瑣。對(duì)學(xué)生來說，通過學(xué)習(xí)解決工程問題具有一定難度和挑戰(zhàn)性。但是在老師協(xié)助下，仍然可以完成并得到一些可信結(jié)果。更重要的是，通過這個(gè)學(xué)習(xí)過程，學(xué)生可以近距離接觸工程問題，能夠?qū)⒗碚撝R(shí)與實(shí)際相結(jié)合，針對(duì)問題提出解決方案。這樣可以幫助學(xué)生切實(shí)體會(huì)到DYNAFORM數(shù)值模擬技術(shù)在解決工程實(shí)際問題中所發(fā)揮的作用，從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、動(dòng)力和自信心。

二、板料沖壓成形CAE課堂教學(xué)內(nèi)容與方法改革措施

（一）教學(xué)內(nèi)容改革

板料沖壓成形CAE是一門涉及金屬塑性成形原理、金屬材料學(xué)、有限元理論的綜合性課程。盡管這門課程主要以DYNAFORM上機(jī)練習(xí)操作為主，但考慮到這門課程理論基礎(chǔ)性較強(qiáng)，我們?cè)贒YNAFORM上機(jī)練習(xí)過程必須適當(dāng)增加相關(guān)理論部分的講解，以保證學(xué)生能夠從理解DYNAFORM每一步操作的理論依據(jù)和意義。例如，通過金屬塑性成形原理學(xué)習(xí)，可以幫助學(xué)生理解材料變形本構(gòu)的實(shí)質(zhì)，繼而正確理解了DYNAFORM操作過程，填加材料物性參數(shù)與應(yīng)力應(yīng)變曲線時(shí)的意義;理解了有限元的本質(zhì)是離散化后，對(duì)幾何模型的網(wǎng)格劃分理解更為深刻。因此，在這門課程的教學(xué)過程，要把上述提及的理論引入到課堂，在保證學(xué)生熟練操作的前提下，還要提高他們的理論基礎(chǔ)。

（二）教學(xué)方法改革

在教學(xué)內(nèi)容改革中，要求將金屬塑性成形原理、金屬材料學(xué)和有限元基礎(chǔ)理論引入到課堂教學(xué)。眾所周知，這些課程理論性強(qiáng)，內(nèi)容深?yuàn)W抽象，很難直觀理解。如果不采取恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)方法進(jìn)行講解，可能起到適得其反的效果。因此，針對(duì)這門課程，我們還需要注意教學(xué)方法的改革。

1.工程案例教學(xué)法

在DYNAFORM上機(jī)練習(xí)過程，盡可能選取一些具體的工程案例，作為學(xué)生練習(xí)的素材。這樣可以理論知識(shí)與實(shí)際問題有機(jī)結(jié)合。一方面，通過實(shí)際工程問題可以調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性;另一方面，通過對(duì)實(shí)際案例的操作，可以提高學(xué)生解決實(shí)際問題的能力，培養(yǎng)其創(chuàng)造性。例如，模擬分析某汽車覆蓋件的成形性能。這個(gè)具體案例考查學(xué)生的分析能力、模具造型能力、DYNAFORM操作能力以及對(duì)缺陷解決的能力。因此，通過這個(gè)具體案例可以極大提高學(xué)生的工程能力。

2.討論式教學(xué)

傳統(tǒng)的教學(xué)模式是老師作為課程主體，而學(xué)生們主要是被動(dòng)接受。對(duì)于這門理論+操作為主的課程，這種教學(xué)方式的授課質(zhì)量不太理想。因此，我們要把教師和學(xué)生角色進(jìn)行轉(zhuǎn)換，即讓學(xué)生成為課堂主體。首先將學(xué)生分成若干小組，每個(gè)小組分配具體工程案例，組內(nèi)針對(duì)每位學(xué)生的特長(zhǎng)進(jìn)行問題分析、模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、有限元分析、結(jié)果討論、工藝改進(jìn)等，最終完成整個(gè)案例分析。然后，每個(gè)小組派一名代表對(duì)案例進(jìn)行講解，其他小組可以進(jìn)行提問。以此類推，讓每位學(xué)生完成各個(gè)環(huán)節(jié)的練習(xí)。這樣既提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，也培養(yǎng)了學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作和解決工程問題的能力。

3.企業(yè)教學(xué)法

首先，讓學(xué)生親臨企業(yè)一線，對(duì)生產(chǎn)實(shí)習(xí)過程遇到的問題進(jìn)行簡(jiǎn)化并抽象成工程案例。其次，基于已學(xué)知識(shí)，對(duì)工程案例進(jìn)行模擬分析，得出相關(guān)結(jié)論或規(guī)律，對(duì)產(chǎn)品尺寸或生產(chǎn)工藝進(jìn)行改進(jìn)。最后，基于實(shí)際結(jié)果判斷模擬分析是否合理。這樣可以極大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和動(dòng)力，而且可以切實(shí)提高分析解決問題的能力。這種企業(yè)教學(xué)法對(duì)以培養(yǎng)高職師資類院校尤為奏效，應(yīng)該予以推廣。

三、結(jié)論

板料沖壓成形CAE課程是材料成型與控制工程專業(yè)的一門重要課程。通過理論學(xué)習(xí)和上機(jī)操作，不但可以培養(yǎng)學(xué)生板料件成形的模具設(shè)計(jì)能力和工藝分析能力，而且可以幫助學(xué)生掌握相關(guān)CAE軟件如DYNAFORM的熟練應(yīng)用。但是目前課堂教學(xué)質(zhì)量存在一些問題有待提高。因此，本文針對(duì)一些普遍問題，提出了這些課程課堂教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法的改革。目的是通過這些改革，不但提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而且要提高他們對(duì)CAE分析軟件的熟練操作性，可以利用這類軟件很好地解決一些實(shí)際工程問題。

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基金項(xiàng)目：2017年教育部項(xiàng)目“基于項(xiàng)目引導(dǎo)式的產(chǎn)教融合應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式研究”（201702068032）;2018年教育部項(xiàng)目“職教師資人才培養(yǎng)模式探索與實(shí)踐”（201801213009）

作者簡(jiǎn)介：武川（1981—），男，漢族，天津人，博士研究生，講師，研究方向：材料加工工程。