基于“板料成形CAD/CAE4”課程項(xiàng)目式混合教學(xué)改革的探索

劉華 劉紅生 尤芳怡

[摘 要] 針對當(dāng)前板料成形CAD/CAE課程面臨的主要問題及挑戰(zhàn)，對專業(yè)課程進(jìn)行了改革?；贠BE能力培養(yǎng)和工作過程系統(tǒng)化的理念，對原課程教學(xué)內(nèi)容重構(gòu)，將基礎(chǔ)知識、工具性知識移至線上平臺，以節(jié)省教學(xué)時(shí)間，而專業(yè)知識和綜合性知識則主要放在課堂教學(xué)完成。重新選擇工程零件制定綜合性項(xiàng)目，以提高學(xué)生創(chuàng)新能力和解決復(fù)雜工程問題的能力。在課堂教學(xué)模式中采用翻轉(zhuǎn)課堂、對分課堂等多種形式進(jìn)行混合式教學(xué)。通過上述改革措施，學(xué)生能力得到提高，教學(xué)質(zhì)量有所提升。

[關(guān)鍵詞] 項(xiàng)目式教學(xué);板料成形;混合教學(xué);CAE技術(shù)

[基金項(xiàng)目] 2020年度華僑大學(xué)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革立項(xiàng)項(xiàng)目“基于‘互聯(lián)網(wǎng)+新背景下創(chuàng)新能力培養(yǎng)的creo三維建模課程教材改革”（校就創(chuàng)〔2020〕3號）;2020年度華僑大學(xué)新工科示范課程建設(shè)立項(xiàng)項(xiàng)目“三維建模及應(yīng)用”（教〔2020〕74號）;2020年度華僑大學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)培育項(xiàng)目“多能場輔助高強(qiáng)度鋼板熱沖壓成形技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”（設(shè)備〔2020〕7號） [作者簡介] 劉 華（1977—），男，河南許昌人，碩士，華僑大學(xué)機(jī)電及自動化學(xué)院講師，主要從事金屬塑性成形工藝及有限元優(yōu)化分析;劉紅生（1975—），男，江西峽江人，博士，華僑大學(xué)機(jī)電及自動化學(xué)院教授，主要從事高強(qiáng)鋼沖壓成形工藝與理論;尤芳怡（1971—），女，福建泉州人，博士，華僑大學(xué)機(jī)電及自動化學(xué)院副教授，主要從事材料與制造工藝、模具設(shè)計(jì)與制造等方面的教學(xué)研究。

[中圖分類號] G642.0? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2021）20-0061-04? ? [收稿日期] 2021-03-01

一、前言

板料成形CAD/CAE課程是材料成形與控制工程專業(yè)的一門重要的專業(yè)核心課，在工程中能夠縮短模具設(shè)計(jì)周期、節(jié)省成本，是制造業(yè)數(shù)字化、智能化的必需技術(shù)，也是當(dāng)前大學(xué)生參與后續(xù)模具課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)、各類創(chuàng)新大賽、互聯(lián)網(wǎng)+大賽必須掌握的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。熟練操作CAD/CAE軟件，已經(jīng)成為工程設(shè)計(jì)人員不可或缺的基本能力[1]。當(dāng)前，此類課程的教學(xué)內(nèi)容和方式主要以建模和有限元理論為基礎(chǔ)。結(jié)合CAE軟件功能教學(xué)，學(xué)生依照教學(xué)步驟完成示范教學(xué)模型的建構(gòu)和CAE分析。通過多年教學(xué)發(fā)現(xiàn)，在此教學(xué)模式下，學(xué)生嚴(yán)重缺乏創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力。此外，當(dāng)前教學(xué)還面臨學(xué)時(shí)有限、生師比高、實(shí)踐教學(xué)欠缺、學(xué)習(xí)興趣不高、創(chuàng)新能力不足等長期困擾教學(xué)的難題。

當(dāng)前，世界范圍內(nèi)，新一輪的科技革命和產(chǎn)業(yè)變革以及席卷全球的新經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展，對工程教育的改革和發(fā)展提出了新的挑戰(zhàn)[2]。國內(nèi)工程認(rèn)證和新工科建設(shè)又對教學(xué)質(zhì)量和人才培養(yǎng)提出了更高的要求[3]。課程現(xiàn)有教學(xué)內(nèi)容及方法等難以體現(xiàn)成果導(dǎo)向、以學(xué)生為中心、持續(xù)改進(jìn)的基本理念。為適應(yīng)這些需求，培養(yǎng)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式都需要轉(zhuǎn)變，要更加注重提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、學(xué)習(xí)參與度、學(xué)習(xí)效果和創(chuàng)新能力培養(yǎng)[4，5]。

為適應(yīng)時(shí)代變化以及國家對高校教學(xué)提出的新挑戰(zhàn)和新要求，本文針對材料成型與控制工程專業(yè)的CAD/CAE系列課程進(jìn)行了教學(xué)改革探索。

二、針對項(xiàng)目式教學(xué)的內(nèi)容再組織

（一）基于項(xiàng)目式教學(xué)的內(nèi)容重構(gòu)

當(dāng)前，課程教材基本按照成形理論、成形工藝特點(diǎn)、有限元理論、CAE分析技術(shù)等內(nèi)容編寫，沒有按照創(chuàng)新能力培養(yǎng)的特點(diǎn)對課程教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行系統(tǒng)、深入研究。成形理論和成形工藝相關(guān)知識大多已在“金屬塑形成形原理”“材料科學(xué)基礎(chǔ)”和“沖壓模具設(shè)計(jì)”等課程內(nèi)講解;有限元理論部分知識過于枯燥，且需要投入較多的教學(xué)時(shí)間。這導(dǎo)致CAE分析部分內(nèi)容只能簡單地作為一門計(jì)算機(jī)輔助軟件對其操作逐一講解，難以進(jìn)行細(xì)致、深入的分析，更加難以對結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，而這部分恰恰是本課程的核心。因而，使用此類教材學(xué)習(xí)時(shí)，學(xué)生僅能完成軟件基本功能使用與練習(xí)，難以激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，更加難以獨(dú)立、創(chuàng)新地進(jìn)行有限元建模分析及優(yōu)化訓(xùn)練。同時(shí)，按照原教材教學(xué)，也不能體現(xiàn)作為實(shí)踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)課程的特色，更不能很好地符合當(dāng)前專業(yè)工程認(rèn)證對創(chuàng)新能力培養(yǎng)的需求。

課題組提出，要進(jìn)行以培養(yǎng)學(xué)生建模思維、激發(fā)創(chuàng)新能力為目標(biāo)的課程改革。新的課程體系中，要根據(jù)培養(yǎng)具備工程應(yīng)用及研究素質(zhì)復(fù)合型工程人才的培養(yǎng)目標(biāo)，參照創(chuàng)新能力培養(yǎng)方法，將教學(xué)知識點(diǎn)全面、系統(tǒng)地進(jìn)行梳理，對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化整合;同時(shí)，基于OBE（outcomes-based education）能力培養(yǎng)要求，將課程知識劃為基礎(chǔ)知識、專業(yè)知識、工具性知識和綜合性知識等。依據(jù)這四部分知識的不同學(xué)習(xí)特點(diǎn)和方式教學(xué)，將基礎(chǔ)知識、工具性知識前移至線上平臺，由學(xué)生自行完成;課程內(nèi)側(cè)重專業(yè)知識和綜合性知識的學(xué)習(xí)，設(shè)置相對應(yīng)的新型創(chuàng)新能力培養(yǎng)項(xiàng)目。

（二）綜合性項(xiàng)目的制定

基于OBE能力培養(yǎng)和工作過程系統(tǒng)化的理念，教學(xué)團(tuán)隊(duì)將教學(xué)內(nèi)容概括在若干綜合項(xiàng)目之內(nèi)，以典型工作任務(wù)為載體，綜合成形理論、成形工藝、CAE軟件操作技能和專業(yè)素養(yǎng)為一體的思路進(jìn)行設(shè)計(jì)。項(xiàng)目難度從簡單到復(fù)雜逐步提高，每一個(gè)項(xiàng)目都是一個(gè)機(jī)械零件的有限元建模到仿真分析的全部過程。其教學(xué)內(nèi)容設(shè)置上囊括零件的幾何建模、成形工藝、有限元建模、模擬計(jì)算及仿真分析、動畫等環(huán)節(jié)。教學(xué)內(nèi)容更加注重以任務(wù)驅(qū)動學(xué)習(xí)，學(xué)生通過領(lǐng)取任務(wù)，在完成任務(wù)強(qiáng)烈動機(jī)的驅(qū)動下自我探索學(xué)習(xí)，從而成為學(xué)習(xí)過程的主體。學(xué)生在完成任務(wù)的過程中，不僅獲得了有限元建模所需的基礎(chǔ)知識和工具性技能，還掌握了有限元相關(guān)專業(yè)知識和綜合分析能力，能及時(shí)看到自己的項(xiàng)目成果和優(yōu)化結(jié)果。

綜合項(xiàng)目的選擇應(yīng)該遵循全工作流程、由易到難、由簡到繁的原則，每個(gè)項(xiàng)目逐步增加專業(yè)知識和綜合性知識的學(xué)習(xí)，最終制定10個(gè)項(xiàng)目的課程體系（見表1），包括原課程的所有知識點(diǎn)，并結(jié)合后續(xù)專業(yè)課程將產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、模具結(jié)構(gòu)、工藝知識、工程師素養(yǎng)融入項(xiàng)目任務(wù)，以項(xiàng)目驅(qū)動創(chuàng)新能力、綜合能力的培養(yǎng)。學(xué)生通過這些項(xiàng)目的訓(xùn)練，對板料成形的CAE分析基本滿足了今后工作中的需要，對模具結(jié)構(gòu)、模面補(bǔ)充、有限元建模、多工序模擬、回彈及回彈補(bǔ)償和模擬結(jié)果優(yōu)化分析等全過程有一個(gè)全面的了解。對于難度較大的項(xiàng)目，在課堂教學(xué)時(shí)，可采用翻轉(zhuǎn)課堂、對分課堂等形式，由小組協(xié)作完成，介紹項(xiàng)目完成及優(yōu)化過程等，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。