崔建中，范潔

（1.鹽城工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇鹽城 224051；2.鹽城工學(xué)院 設(shè)計(jì)藝術(shù)學(xué)院，江蘇鹽城 224051）

機(jī)械工程學(xué)科既涉及運(yùn)用最新的設(shè)計(jì)理論和制造技術(shù)創(chuàng)新研究新裝備和新工藝等，又包括探索針對(duì)已有機(jī)器幾何結(jié)構(gòu)與物理性能的高可靠性設(shè)計(jì)與分析，而且包括從復(fù)雜制造過程和工況背景等系統(tǒng)運(yùn)行條件分析其中關(guān)鍵零部件的多形式能量傳遞過程。以具有代表性的材料成型及控制工程專業(yè)為例，該專業(yè)是為了培養(yǎng)在材料成型工藝過程及裝備設(shè)計(jì)，尤其是模具設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域，掌握材料塑性成型加工的基礎(chǔ)理論，具備利用現(xiàn)代計(jì)算技術(shù)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜模具的計(jì)算機(jī)輔助工程分析和優(yōu)化能力的人才[1]。從企業(yè)角度來說，現(xiàn)代企業(yè)對(duì)該專業(yè)人才的需求已逐步轉(zhuǎn)型，主要圍繞產(chǎn)品的成型工藝方案制定、材料成型性能分析、工藝參數(shù)優(yōu)化以及產(chǎn)品質(zhì)量預(yù)測(cè)等具體工程問題，要求人才具備利用現(xiàn)代數(shù)字化技術(shù)和數(shù)值模擬技術(shù)解決上述復(fù)雜工程問題的能力[2]。

近年來，CAE（Computer Aided Engineering，計(jì)算機(jī)輔助工程，簡(jiǎn)稱CAE）分析技術(shù)已經(jīng)在機(jī)械、土木、航空航天等領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用，與傳統(tǒng)的材料成型加工工藝相比，借助CAE技術(shù)可實(shí)現(xiàn)重大裝備和工業(yè)產(chǎn)品的輔助分析、模擬與優(yōu)化，是科學(xué)研究人員和工程師對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行升級(jí)換代的重要工具[3]。因此，為了配合人才培養(yǎng)和滿足企業(yè)用人標(biāo)準(zhǔn)的需要，圍繞CAE技術(shù)應(yīng)用的專業(yè)課程學(xué)習(xí)、課程設(shè)計(jì)以及畢業(yè)設(shè)計(jì)是材料成型及控制工程專業(yè)以及其他工科專業(yè)必須要面對(duì)的人才培養(yǎng)環(huán)節(jié)，也是衡量人才培養(yǎng)質(zhì)量的重要標(biāo)準(zhǔn)。

目前，鹽城工學(xué)院應(yīng)用型人才培養(yǎng)的CAE課程體系建設(shè)問題主要表現(xiàn)在以下方面：有關(guān)基礎(chǔ)課程如數(shù)學(xué)、力學(xué)、三維參數(shù)化建模等設(shè)置欠缺或者學(xué)分不足；圍繞CAE技術(shù)的軟件工具應(yīng)用僅限于課堂簡(jiǎn)單案例的教學(xué)，缺乏與企業(yè)復(fù)雜工程產(chǎn)品的實(shí)際對(duì)接；仿真結(jié)果的工程化思維和應(yīng)用拓展經(jīng)驗(yàn)基本缺失；工程設(shè)計(jì)知識(shí)的更新速度跟不上最新的科研進(jìn)展，等等。因此，從應(yīng)用型本科人才的就業(yè)角度來說，學(xué)生進(jìn)入工作崗位后，仍然需要較長(zhǎng)時(shí)間的培養(yǎng)才能獨(dú)立承擔(dān)某一具體項(xiàng)目的設(shè)計(jì)任務(wù)，這無疑對(duì)高校的人才培養(yǎng)和企業(yè)的用人需求都提出了挑戰(zhàn)。

課程體系是實(shí)現(xiàn)人才培養(yǎng)目標(biāo)的載體，其構(gòu)建質(zhì)量將直接影響人才培養(yǎng)質(zhì)量。立足于目前的人才培養(yǎng)問題，本文對(duì)面向應(yīng)用型本科人才培養(yǎng)的CAE課程體系進(jìn)行研究，以提高應(yīng)用型人才培養(yǎng)的質(zhì)量。

1 課程內(nèi)容

從學(xué)科交叉的角度來說，材料成型專業(yè)包括機(jī)械工程學(xué)科中成型設(shè)備的自動(dòng)控制以及成型工藝等，也包括材料工程學(xué)科領(lǐng)域的材料組織發(fā)展與力學(xué)性能的演化。因此，該專業(yè)在具體課程設(shè)置方面，需要綜合考慮這兩個(gè)學(xué)科的學(xué)科特點(diǎn)，并結(jié)合本專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)，從學(xué)科基礎(chǔ)、專業(yè)基礎(chǔ)、專業(yè)方向以及實(shí)踐實(shí)訓(xùn)等方面對(duì)有關(guān)課程進(jìn)行學(xué)時(shí)學(xué)分以及學(xué)習(xí)方式方面的調(diào)整和完善[4]。

從學(xué)科基礎(chǔ)性角度來說，著眼于新工科建設(shè)的要求，圍繞基于成果導(dǎo)向理念的工程教育專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，課程設(shè)置應(yīng)該將新工科的新理念與傳統(tǒng)工科教育相結(jié)合，以跟蹤最新的理論與應(yīng)用模式，并且與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需求相適應(yīng)，以滿足產(chǎn)業(yè)發(fā)展對(duì)相應(yīng)人才的需求[5]。因此，本專業(yè)既包括現(xiàn)代信息技術(shù)應(yīng)用、信息檢索與文獻(xiàn)閱讀、程序設(shè)計(jì)與語言、外語等必修類課程，也包括現(xiàn)代自然科學(xué)類、就業(yè)指導(dǎo)類等通識(shí)教育類的選修課程[6]。

從專業(yè)基礎(chǔ)性角度來說，由于高校定位以及學(xué)生培養(yǎng)中始終存在學(xué)術(shù)性和應(yīng)用性的區(qū)別，部分應(yīng)用型高校在專業(yè)基礎(chǔ)類課程設(shè)置方面存在誤區(qū)，認(rèn)為應(yīng)用型人才培養(yǎng)只需開設(shè)與就業(yè)相關(guān)的實(shí)用專業(yè)課程即可，無須開設(shè)專業(yè)基礎(chǔ)課。但是，復(fù)雜的工程結(jié)構(gòu)都涉及大量的專業(yè)基礎(chǔ)理論。以成型工藝缺陷為例，如果沒有深入挖掘背后的深層次原因，不可能徹底解決該缺陷問題[7-8]。因此，本專業(yè)應(yīng)該設(shè)置力學(xué)類（包括理論力學(xué)、材料力學(xué)、流體力學(xué)、計(jì)算力學(xué)等）、數(shù)學(xué)類（包括高等數(shù)學(xué)、工程數(shù)學(xué)、計(jì)算數(shù)學(xué)等）、材料類（包括金屬材料、非金屬材料、有機(jī)高分子材料等）、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)以及有限元分析理論等方面的課程。

從專業(yè)方向和實(shí)踐實(shí)訓(xùn)角度來說，可根據(jù)不同材料成型原理、方法以及成型工藝等，并結(jié)合最新的先進(jìn)材料成型工藝?yán)碚撨M(jìn)行課程設(shè)置。具體課程設(shè)置既包括傳統(tǒng)的成型工藝課程（包括沖壓工藝、塑料工藝、壓鑄工藝），也包括現(xiàn)代成型工藝?yán)碚摲椒ǎū热缈焖俪尚图夹g(shù)）等。對(duì)于應(yīng)用型本科人才培養(yǎng)而言，實(shí)踐實(shí)訓(xùn)類課程是直接參與并完成整個(gè)項(xiàng)目或者案例的學(xué)習(xí)過程，可有效增強(qiáng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的觀念，培養(yǎng)學(xué)生使用所學(xué)知識(shí)解決工程項(xiàng)目問題的能力，在專業(yè)培養(yǎng)中起著重要作用。針對(duì)CAE課程體系，該環(huán)節(jié)可設(shè)置圍繞各種成型方法的軟件上機(jī)課程，如模流分析仿真軟件Moldflow、金屬成型及熱處理仿真軟件DEFORM等[9-10]。

2 課程時(shí)序

時(shí)序指課程開設(shè)的時(shí)間和順序。在應(yīng)用型本科人才工程能力培養(yǎng)的CAE課程體系中，時(shí)序包括基于某一學(xué)科知識(shí)的學(xué)習(xí)時(shí)序和應(yīng)用研究能力培養(yǎng)的時(shí)序，體現(xiàn)了多維度的知識(shí)學(xué)習(xí)與課程時(shí)間的排序問題。如圖1所示，在傳統(tǒng)的課程時(shí)序安排中，僅對(duì)CAE課程體系進(jìn)行了歸類，其他課程沒有安排在內(nèi)。

圖1 傳統(tǒng)的CAE課程體系課程時(shí)序安排

從圖1可以看出，針對(duì)CAE課程體系的應(yīng)用能力培養(yǎng)，該課程時(shí)序沒有強(qiáng)化數(shù)學(xué)基礎(chǔ)以及力學(xué)基礎(chǔ)理論，也缺乏對(duì)最新的工程研究現(xiàn)狀的把控，反映出CAE應(yīng)用中缺乏有關(guān)材料成型的基本理論知識(shí)。首先，在第一學(xué)年，作為CAE工程分析的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，計(jì)算數(shù)學(xué)課程的設(shè)置對(duì)于理解有限元分析的思想起著十分重要的作用。如果對(duì)數(shù)值逼近、數(shù)值積分、線性方程組的數(shù)值計(jì)算等概念不了解，學(xué)生就無法理解其中的算法設(shè)置或者計(jì)算過程對(duì)于計(jì)算結(jié)果的影響，也無法實(shí)現(xiàn)對(duì)計(jì)算結(jié)果的深層次辨析。其次，在第二學(xué)年，材料科學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)掌握程度直接決定后續(xù)圍繞CAE分析結(jié)果的工藝過程優(yōu)化。以模流分析課程為例，很多學(xué)生在學(xué)完該課程后仍然對(duì)工藝優(yōu)化概念較陌生，而材料成型過程中的溫度、壓力、速度以及時(shí)間等參數(shù)對(duì)成型過程的重要性不言而喻，材料的組織成分構(gòu)成及其變換等影響規(guī)律對(duì)于成型質(zhì)量好壞至關(guān)重要[11]，學(xué)生如果缺失上述專業(yè)理論知識(shí)，那么圍繞注塑成型過程的工藝參數(shù)優(yōu)化就僅僅停留在簡(jiǎn)單的定性分析，而基于若干材料科學(xué)基礎(chǔ)的定量分析是科學(xué)分析的必要環(huán)節(jié)。第三，在最后的畢業(yè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，很多學(xué)生僅僅停留在對(duì)具體對(duì)象的分析過程，未開展合理解釋分析結(jié)果以及對(duì)已有結(jié)構(gòu)的優(yōu)化更新等，缺乏對(duì)有關(guān)知識(shí)點(diǎn)的靈活應(yīng)用。因此，從課程時(shí)序方面，應(yīng)該針對(duì)部分學(xué)科的基礎(chǔ)理論知識(shí)增加學(xué)時(shí)，或者結(jié)合專業(yè)培養(yǎng)方向增設(shè)部分選修課時(shí)，以提高學(xué)生的理論基礎(chǔ)，如圖2所示。

圖2 改進(jìn)后的CAE課程體系課程時(shí)序安排

從圖2可以看出，改進(jìn)后的CAE課程體系在課程時(shí)序安排方面，顯著增加了部分基礎(chǔ)理論學(xué)科的學(xué)習(xí)。首先，在第一學(xué)年，數(shù)學(xué)類課程增設(shè)了計(jì)算數(shù)學(xué)課程，如果第一學(xué)年課務(wù)安排較重，可以將該課程安排到第二學(xué)年，該課程主要包括線性方程的數(shù)值求解，常微分方程以及偏微分方程的數(shù)值求解（包括有限差分法、有限單元法），解的存在性、唯一性、收斂性和誤差分析等理論問題[12]，學(xué)生可以通過該課程的學(xué)習(xí)掌握利用計(jì)算機(jī)求解有關(guān)的數(shù)學(xué)和邏輯問題；另外，還需要增設(shè)信息檢索與文獻(xiàn)閱讀課程，主要目的是啟發(fā)學(xué)生自主了解材料成型領(lǐng)域內(nèi)的國(guó)內(nèi)外最新研究動(dòng)態(tài)，熟悉有關(guān)研究方法和工具，以便于在學(xué)習(xí)有關(guān)理論課程時(shí)有針對(duì)性地重點(diǎn)關(guān)注涉及的知識(shí)點(diǎn)，以及圍繞某研究方法中出現(xiàn)的多學(xué)科知識(shí)布局。

其次，在第二學(xué)年，增設(shè)用于注塑件成型分析的流體力學(xué)課程，可幫助學(xué)生理解熔融液體進(jìn)入型腔后的流動(dòng)規(guī)律，以及流體自身的液體性質(zhì)對(duì)成型質(zhì)量的影響；計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的學(xué)習(xí)是幫助學(xué)生理解CAE分析中網(wǎng)格劃分的原理和方法，該課程的可視化內(nèi)容是將科學(xué)計(jì)算中的中間或者最后結(jié)果用測(cè)量得到的數(shù)據(jù)以圖形形式直觀表現(xiàn)[13]，以便于后期分析結(jié)果的直觀對(duì)比；計(jì)算力學(xué)是根據(jù)力學(xué)理論，利用計(jì)算機(jī)和數(shù)值方法解決力學(xué)中的實(shí)際工程問題，其中的有限元法和有限差分法是代表性的兩種方法，這部分內(nèi)容的學(xué)習(xí)與第一學(xué)年的計(jì)算數(shù)學(xué)課程形成前后呼應(yīng)，可以使學(xué)生更好地理解數(shù)值計(jì)算方法在材料成型數(shù)值模擬過程中的應(yīng)用背景。

最后，針對(duì)應(yīng)用型高校的本科生，圍繞CAE課程體系的校企合作產(chǎn)品研發(fā)，離不開材料成型的實(shí)訓(xùn)類課程，這類課程在現(xiàn)有的課程體系中還有較大的提升空間。以注塑材料成型過程為例，根據(jù)注塑行業(yè)、企業(yè)發(fā)展要求以及“卓越工程師計(jì)劃”要求開展的綜合訓(xùn)練，應(yīng)該成為人才培養(yǎng)的重要渠道，但由于課時(shí)以及課程體系的限制，注塑成型全流程的學(xué)習(xí)還需要依賴CAE課程體系的繼續(xù)完善。

3 課程結(jié)構(gòu)

應(yīng)用型本科的教學(xué)是以提升就業(yè)能力為目標(biāo)來構(gòu)建課程體系，但是也不能簡(jiǎn)單地把該類人才培養(yǎng)歸類為生產(chǎn)一線的技術(shù)人才，如何厘清應(yīng)用型本科人才和生產(chǎn)一線技術(shù)人才之間的區(qū)別和聯(lián)系，則主要體現(xiàn)在課程結(jié)構(gòu)的設(shè)置方面?，F(xiàn)有的課程體系主要包括兩類：（1）樹杈形結(jié)構(gòu)——基于“學(xué)科”的知識(shí)體系；（2）網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)——基于“目標(biāo)”的知識(shí)體系；（3）“樹杈形+網(wǎng)狀”結(jié)構(gòu)。以學(xué)術(shù)型人才培養(yǎng)方案為例，培養(yǎng)目標(biāo)重點(diǎn)圍繞學(xué)生基礎(chǔ)研究能力或者應(yīng)用研究能力，主要以理論知識(shí)和邏輯推演為核心，培養(yǎng)學(xué)生通過已有知識(shí)自主發(fā)現(xiàn)自然規(guī)律的能力，該類培養(yǎng)方案的系統(tǒng)性較強(qiáng)。因此，一般而言，學(xué)術(shù)型人才培養(yǎng)的課程體系可歸類為樹杈形結(jié)構(gòu)[14]。

生產(chǎn)一線的技術(shù)人才需要快速、徹底地解決生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)的各類復(fù)雜工程技術(shù)問題，因此，應(yīng)用型本科人才培養(yǎng)應(yīng)該以應(yīng)用技術(shù)開發(fā)和實(shí)際難題的解決為主，側(cè)重培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際技術(shù)應(yīng)用能力，而強(qiáng)調(diào)基礎(chǔ)研究能力的樹杈形課程結(jié)構(gòu)并不能有效指導(dǎo)應(yīng)用能力的培養(yǎng)。因此，課程體系結(jié)構(gòu)應(yīng)該兼顧學(xué)科知識(shí)的學(xué)習(xí)和局部應(yīng)用能力的培養(yǎng)兩方面，所以，基于“目標(biāo)”的網(wǎng)狀課程結(jié)構(gòu)，與有限元法的網(wǎng)格單元相似，在網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中，學(xué)科知識(shí)的學(xué)習(xí)可以看成網(wǎng)格單元中的“節(jié)點(diǎn)”，而應(yīng)用能力的培養(yǎng)則類似網(wǎng)格單元的“單元邊界”，如圖3所示。從圖中看出，整體應(yīng)用能力的培養(yǎng)需要綜合多個(gè)知識(shí)點(diǎn)以及多個(gè)局部應(yīng)用能力的培養(yǎng)，顯示出零碎知識(shí)點(diǎn)的巧妙融合，體現(xiàn)了多知識(shí)點(diǎn)的交叉應(yīng)用。

圖3 有限元法網(wǎng)格

該體系以復(fù)雜問題的解決為導(dǎo)向，以實(shí)際的科研項(xiàng)目為線索，以應(yīng)用能力的培養(yǎng)為核心，將學(xué)科知識(shí)的學(xué)習(xí)融于應(yīng)用能力的培養(yǎng)。需要注意的是，學(xué)科知識(shí)的學(xué)習(xí)與應(yīng)用能力的培養(yǎng)之間的融合既可以發(fā)生在課程內(nèi)，也可以發(fā)生在課程之間。因此，一門課程不再是相對(duì)獨(dú)立的知識(shí)節(jié)點(diǎn)，兩門課程之間存在有機(jī)聯(lián)系，這樣的網(wǎng)狀課程體系使得任意兩門課程之間存在一條最短路徑，然后課程類型或性質(zhì)的區(qū)分不再重要，整個(gè)課程體系成為一個(gè)有機(jī)的整體。所以，課程體系的結(jié)構(gòu)是關(guān)于如何培養(yǎng)高質(zhì)量應(yīng)用型人才的深層次課程關(guān)系問題，無論是制定人才培養(yǎng)方案的教師，還是任課教師，都應(yīng)該有意識(shí)地強(qiáng)化知識(shí)點(diǎn)的融會(huì)貫通，啟發(fā)學(xué)生開展針對(duì)某個(gè)問題的技術(shù)研討。

以CAE課程體系中的注塑成型模流分析為例，注塑件存在熔接痕缺陷，這是由于熔融的流體流程較長(zhǎng)，或者流體的溫度和壓力不足，當(dāng)充模不滿時(shí)就會(huì)導(dǎo)致顯著的凹槽。在課程體系設(shè)置時(shí)，以解決充模過程中的熔接痕問題為導(dǎo)向，借助模流分析軟件Moldflow對(duì)該注塑件進(jìn)行建模分析。首先，需要學(xué)生之前修過計(jì)算數(shù)學(xué)、材料力學(xué)、流體力學(xué)、有機(jī)高分子材料、有限元分析理論、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、三維建模及幾何工程圖、注塑成型工藝等課程，涉及的知識(shí)點(diǎn)較多，并且知識(shí)點(diǎn)之間的融合度較大。因此，課程教學(xué)不能僅停留在傳統(tǒng)的課程體系中，比如在教授計(jì)算數(shù)學(xué)時(shí)，應(yīng)該把有關(guān)數(shù)值求解的精度和效率等問題融入課堂教學(xué)，以該典型案例為代表，通過不同數(shù)值計(jì)算過程對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，啟發(fā)學(xué)生主動(dòng)探索有關(guān)知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)，甚至挖掘更好的數(shù)值計(jì)算方法；又比如在有機(jī)高分子材料課程的學(xué)習(xí)時(shí)，以該典型案例為代表，讓學(xué)生對(duì)引起熔接痕不同表現(xiàn)方式的幾種材料進(jìn)行對(duì)比分析，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)材料在注塑成型中重要作用的認(rèn)識(shí)。

這種開放性的網(wǎng)絡(luò)課程結(jié)構(gòu)不僅有效提高了學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，而且為最終的畢業(yè)設(shè)計(jì)課題提供了更多的主動(dòng)案例選擇。以科研促進(jìn)教學(xué)是提高大學(xué)教學(xué)質(zhì)量的重要途徑，如注塑成型過程背后的多層面復(fù)雜機(jī)理推導(dǎo)，學(xué)生通過多課程知識(shí)點(diǎn)的發(fā)散性思維訓(xùn)練，則可以變被動(dòng)為主動(dòng)，逐步掌握基于課程體系的多角度知識(shí)點(diǎn)解決實(shí)際問題的方法。

4 結(jié)語

目前，隨著企業(yè)產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)的不斷升級(jí)，CAE工程應(yīng)用與CAD/CAM/CAPP/PDM/ERP一起，已經(jīng)成為支持工程領(lǐng)域多項(xiàng)多態(tài)介質(zhì)耦合、多物理場(chǎng)耦合以及多尺度耦合分析的重要技術(shù)手段，促使技術(shù)人員以基于數(shù)字化模型，對(duì)分析對(duì)象的物理行為進(jìn)行工程分析，并對(duì)零部件的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性和疲勞壽命等性能進(jìn)行預(yù)測(cè)，對(duì)產(chǎn)品創(chuàng)新能力的提升具有重要意義。本文以材料成型及控制工程專業(yè)為例，從培養(yǎng)應(yīng)用型本科人才的工程應(yīng)用能力角度出發(fā)，旨在最大限度挖掘應(yīng)用型本科高校CAE課程體系的教學(xué)潛力，對(duì)其他理工科專業(yè)的CAE工程應(yīng)用課程教學(xué)也有參考價(jià)值，形成了“厚基礎(chǔ)、重體系、寬能力”的人才培養(yǎng)格局，為地方應(yīng)用型本科人才培養(yǎng)與畢業(yè)生就業(yè)提供了有效的評(píng)價(jià)方式，對(duì)于機(jī)械工程專業(yè)或者材料工程專業(yè)的建設(shè)與人才培養(yǎng)具有積極意義。