關(guān)于材料成型及控制工程專業(yè)引入計算機輔助工程分析的課程改革思考

彭 漩* 馬振武

（蘇州科技大學機械工程學院 江蘇·蘇州 215009）

0 引言

材料成型及控制工程（以下簡稱“本專業(yè)”）是教育部在1998年新專業(yè)調(diào)整時設(shè)立的專業(yè)，其專業(yè)方向涵蓋鑄造、焊接、塑性成形以及各類模具設(shè)計與制造[1]。本專業(yè)綜合材料科學與工程、力學、機械、電子與計算機應(yīng)用等學科于一體，具有學科交叉滲透性強的特點，同時又注重工程實踐應(yīng)用。本專業(yè)旨在培養(yǎng)寬口徑、厚基礎(chǔ)的高素質(zhì)機械類人才[2]。

從以上專業(yè)特點，我們可以看到本專業(yè)畢業(yè)學生應(yīng)該具有良好的發(fā)展前景。尤其是伴隨著“中國制造2025”戰(zhàn)略的實施，我國的工業(yè)體系逐漸向智能制造方向演變推進，各類企業(yè)對本專業(yè)高水平人才有很大需求[3，4]。然而本專業(yè)發(fā)展的現(xiàn)實情況是各個方面的反饋都差強人意，主要體現(xiàn)在：（1）學生畢業(yè)后從事本專業(yè)的比例低，對于繼續(xù)從事本專業(yè)的人員，因其工作內(nèi)容簡單，或是沒有實質(zhì)性的技術(shù)含量，造成其事業(yè)發(fā)展空間有限；（2）普通高等學校招生時本專業(yè)報考率較低，調(diào)劑比例逐漸增大，學生因為就業(yè)后的工作環(huán)境差或者待遇低下，不愿來本專業(yè)學習；（3）我國各類企業(yè)，尤其是中小型企業(yè)，對本專業(yè)高端人才需求強烈，人才缺口凸顯。很顯然，本專業(yè)的實際發(fā)展與最初設(shè)定的目標存在差距，與實際生產(chǎn)實踐又存在著脫節(jié)。

1 智能制造與本專業(yè)的聯(lián)系——計算機輔助工程技術(shù)

應(yīng)該意識到造成本專業(yè)以上問題的原因是存在于多個方面，較為復(fù)雜，既有學生與家長對本專業(yè)認識不足，也與企業(yè)對本專業(yè)人才需求較為苛刻等各種因素。當然，相當一部分原因在于本專業(yè)培養(yǎng)方案與課程體系存在著不足，不能夠很好適應(yīng)當前工業(yè)經(jīng)濟發(fā)展的需要[5]。在當前工業(yè)強國、智能制造的背景下，本專業(yè)本科教學方案的設(shè)計，對人才培養(yǎng)與工業(yè)與社會發(fā)展尤為重要[6]。

智能制造強調(diào)了新一代信息技術(shù)與制造業(yè)的融合，具體體現(xiàn)在物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、數(shù)字孿生設(shè)計與等多方面對于制造業(yè)的滲透。其中，計算技術(shù)體現(xiàn)著智能制造的根本，是加速提升制造技術(shù)的源動力。從20市級70年代的CNC機床的初次應(yīng)用，到現(xiàn)在市場上的廣泛使用；從多軸加工系統(tǒng)高精制造到聯(lián)合機器人與3D打印，不難發(fā)現(xiàn)，工業(yè)體系日新月異的變革背后的深層原因，離不開計算技術(shù)的發(fā)展與推動。并且其推動的速度遠超人們的理解。盡管科學研究每天都有重要的突破，制造行業(yè)每一項新技術(shù)的落地卻是一個逐步增長的過程，從資本運作到實際產(chǎn)線打通，是計算技術(shù)發(fā)揮作用的有效環(huán)節(jié)。計算密集型的制造體系將是工業(yè)4.0的主流。

本專業(yè)作為機械專業(yè)大類熱加工工藝及裝備設(shè)計的代表，其學科特征與智能制造有著天然的、與生俱來的聯(lián)系，這一點主要體現(xiàn)在計算技術(shù)的內(nèi)容之一——計算機輔助工程（CAE）的應(yīng)用上[7，8，9]。例如，本專業(yè)焊接方向，焊接熱輸入所造成的瞬態(tài)溫度場對結(jié)構(gòu)應(yīng)力與變形、材料組織變化的影響；鍛造方向，金屬高溫下變形流動與成型質(zhì)量及模具設(shè)計的關(guān)系；鑄造方向：金屬冷卻凝固與工藝缺陷的追溯等等問題，在目前的工業(yè)生產(chǎn)中，都有相對成熟的CAE軟件進行模擬與設(shè)計。應(yīng)該指出，我國多數(shù)高等院校都認識到CAE對于本專業(yè)的重要性，并有針對性的結(jié)合地方產(chǎn)業(yè)特色與學科建設(shè)逐漸進行改革，并取得一些成效。

作為計算機在制造業(yè)中成功應(yīng)用的范例，計算機輔助設(shè)計（CAD）的在高等院校的發(fā)展以及在工業(yè)中的應(yīng)用經(jīng)驗值得思考與借鑒。當今社會，CAD已經(jīng)深入到工業(yè)設(shè)計的核心環(huán)節(jié)，由CAD驅(qū)動的現(xiàn)代設(shè)計與制造體系，與過去手工設(shè)計的產(chǎn)業(yè)鏈相比，產(chǎn)生了翻天覆地的變化。CAD在企業(yè)中的廣泛應(yīng)用離不開高校與職業(yè)院校對相應(yīng)人才的培養(yǎng)?？v觀現(xiàn)在各大高校相關(guān)制造專業(yè)，發(fā)現(xiàn)其對CAD課程的引入及授課模式的探討已經(jīng)非常成熟。上機實踐成為CAD課程的主要特色，并且學生學習的效果普遍較好。鑒于CAD課程的成功實踐，目前高校對CAE的主流培養(yǎng)方式基本上是參考了CAD的模式，即直接安裝比較成熟的工業(yè)軟件，如同CAD一樣，上機手把手操作。然而學生學習的效果卻大打折扣，走到工作崗位上，其利用工業(yè)軟件解決實際問題的能力也頗受限制。因此，筆者認為，目前針對本專業(yè)關(guān)于CAE課程的改革建設(shè)力度還不夠。就CAE在具體工程問題上的應(yīng)用，遠不止于裝一個軟件、學習一下教程這樣簡單。也應(yīng)該避免將CAE技術(shù)的應(yīng)用等同于軟件學習，避免與專業(yè)技能的職業(yè)教育概念混淆。

2 課程體系規(guī)劃建議

筆者就CAE在本專業(yè)工程技術(shù)上的應(yīng)用，提出如下規(guī)劃：

（1）在本科一年級完成高等數(shù)學、線性代數(shù)等數(shù)學基礎(chǔ)課程的學習，以及計算機程序設(shè)計語言的學習。數(shù)學是解決工程與自然科學問題的有力工具，有必要盡早夯實基礎(chǔ)；

（2）在本科二年級完成（計算）固體力學，（計算）流體力學，數(shù)值計算方法（如有限差分法，有限元法）的理論學習，并具備掌握利用計算機程序設(shè)計語言（如C/C#/python）對相關(guān)課程內(nèi)容進行編碼的能力。

應(yīng)該意識到，深入的CAE應(yīng)用離不開對基礎(chǔ)算法的理解，而（計算）固體力學（如彈塑性力學）是塑性成形（鍛造成形、板料沖裁/沖壓）數(shù)值模擬的基礎(chǔ)；（計算）流體力學是液態(tài)成形（如鑄造，注塑工藝）數(shù)值模擬的基礎(chǔ)。而這些課程的學習始終貫穿著數(shù)值方法如有限元法的基本概念。本階段內(nèi)容的學習，為之后工業(yè)CAE軟件與程序的應(yīng)用，奠定了堅實基礎(chǔ)。

（3）在本科三年級，結(jié)合專業(yè)主干課程，如材料成型原理、機械設(shè)計原理、成料成型工藝、材料加工傳輸原理、金屬與冶金學等，利用相關(guān)工業(yè)軟件與程序?qū)局R理論進行復(fù)現(xiàn)與講解。

實施本階段課程的學習，重點在于軟件計算結(jié)果與成型理論的深度結(jié)合。不難發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的這些原理與工藝類課程存在大量文字描述，是一種半經(jīng)驗、半理論的表達傳授，內(nèi)容看似簡單，然而學生學習效果不好。主要是直接講解這些理論與經(jīng)驗這種“填鴨式”教學，難以給學生留下深刻的印象，也難以激發(fā)學生的學習興趣[10]。所以，在總學時不變的基礎(chǔ)上，大幅壓縮課堂理論講解部分，而增加軟件上機操作，結(jié)合軟件計算結(jié)果講解，讓學生在親自動手之后去體會知識點，印象會更加深刻。

（4）在本科四年級，結(jié)合課程設(shè)計與畢業(yè)設(shè)計，利用先進工業(yè)軟件與程序分析與解決相對復(fù)雜的工程問題。

課程設(shè)計與畢業(yè)設(shè)計是對二、三年級所學知識的綜合，既要有利用軟件解決復(fù)雜工程問題的能力，又能夠利用基礎(chǔ)數(shù)學知識對計算結(jié)果的合理性進行評價，以及解決問題舉一反三的能力。工業(yè)CAE軟件利用的難點在于軟件使用者了解界面相關(guān)操作，卻難以理解軟件背后所涉及的數(shù)學模型以及程序模塊的組織架構(gòu)。從這里看出，學生利用數(shù)學對工程問題進行抽象與建模的能力，離不開二年級數(shù)學基礎(chǔ)課程的學習與訓練。這一點既能夠體現(xiàn)本科教育綜合性，厚基礎(chǔ)，講素質(zhì)的特點，明顯區(qū)別于職業(yè)教育。也體現(xiàn)了專業(yè)工程認證的需求，即體現(xiàn)了本專業(yè)的培養(yǎng)目標在于培養(yǎng)具有工程創(chuàng)新能力，具備分析、決策、解決專業(yè)領(lǐng)域復(fù)雜問題的能力的先進成型制造與工程管理經(jīng)驗的高級人才。能夠運用數(shù)學，自然科學和工程基礎(chǔ)與專業(yè)知識解決復(fù)雜工程問題的能力。

3 其他問題

需要指出的是，以上規(guī)劃與論述只是側(cè)重于本專業(yè)與CAE相結(jié)合這一塊。然而本專業(yè)涉及其他課程，如電工電子技術(shù)、材料分析與測試技術(shù)及數(shù)控技術(shù)等依然需要受到重視。并且與實驗、實踐相結(jié)合必不可少。

此外工業(yè)成本管理，造價評估，產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理等技術(shù)對于推動產(chǎn)業(yè)數(shù)字化，提升生產(chǎn)效益與產(chǎn)品競爭力有著極為顯著的效果。現(xiàn)在數(shù)字化企業(yè)的實現(xiàn)依賴以上各個元素，僅僅要求學生掌握CAE理論與應(yīng)用并以此為培養(yǎng)目標顯然也不能夠培養(yǎng)出綜合性的技術(shù)與管理人才。并且CAE技術(shù)在本專業(yè)相關(guān)的產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用在我國還處于起步階段，如何真正能夠使企業(yè)認識到CAE對于降本增效，提升產(chǎn)品品質(zhì)的作用；如何打通CAE在產(chǎn)業(yè)中困難阻礙的各個環(huán)節(jié)，使得CAE如同CAD技術(shù)一樣，成為工業(yè)設(shè)計不可缺少的步驟，是每一個本專業(yè)高等教育工作者亟待思考的問題。

4 結(jié)語

本文主要探討了深度培養(yǎng)材料成型及控制工程專業(yè)的CAE人才的課程建設(shè)問題。利用CAE以及相應(yīng)的數(shù)字孿生技術(shù)進行設(shè)計與管理，是智能制造在本專業(yè)發(fā)展的趨勢。CAE技術(shù)的使用，是推動企業(yè)數(shù)字化的難點。突破這一難點的關(guān)鍵在人才的培養(yǎng)。如何在本專業(yè)培養(yǎng)寬口徑、厚基礎(chǔ)人才的初始目標下，提出一套適應(yīng)當下生產(chǎn)智能化、數(shù)字化的產(chǎn)業(yè)體系所需人才的培養(yǎng)方案，任重而道遠。