馬 軻， 孫虹燁， 馬 敘

（1.天津理工大學 材料科學與工程學院， 天津 300384； 2.航天精工股份有限公司， 天津300300； 3.天津市緊固連接技術企業(yè)重點實驗室， 天津 300300）

0 引 言

作為國際通行的工程教育質量保證制度，工程教育專業(yè)認證對確保材料成型及控制工程專業(yè)的教育質量、提高學生競爭力、推進學科發(fā)展具有重要意義[1-2]。尤其是在我國加快建設制造強國的戰(zhàn)略背景下，需要不斷優(yōu)化教學內容與方法[3]，使課程內容始終與行業(yè)發(fā)展前沿相適應，使畢業(yè)生培養(yǎng)始終與行業(yè)需求相匹配。天津理工大學材料成型及控制工程專業(yè)以培養(yǎng)模具設計、焊接等領域的技術開發(fā)、科學研究人才為目標，自2016 年通過工程教育專業(yè)認證以來始終堅持以學生為中心、成果為導向的工程教育認證理念[4-5]，在學科建設與課程設置上推陳出新，促進課程體系內容趨向“工程化”，切實培養(yǎng)學生解決實際復雜問題的能力。

《材料成形過程數值模擬》作為材料成型及控制工程專業(yè)大三下學期的專業(yè)課，主要介紹有限元仿真在材料成型加工中的應用。本課程重點講授焊接、注射成型、沖壓、鍛造、鑄造等加工過程的有限元模擬，分析成型過程中的溫度分布、應力應變、材料流動變化情況，涉及的研究內容范圍廣泛，軟件實踐操作要求高。通過本課程學習，學生不僅了解力學數值分析、有限元軟件使用的知識，而且掌握了工藝影響成型質量的規(guī)律。

目前，高校材料成型相關專業(yè)的模擬仿真課程多以講授有限元軟件操作命令與工程案例應用為主[6-7]。由于學時有限，學生普遍在教師或教程資料的演示下操作CAE 軟件，與實際工程問題的融合仍有欠缺[7]。此外，部分案例與工程應用聯(lián)系不夠緊密，導致學生的學習興趣低、主觀能動性差。另外，有限元方法的公式推導相對枯燥乏味，導致學生對剛度矩陣、位移和負荷矩陣列算求解的理解不夠深刻，影響學生解決復雜工程問題的綜合應用與創(chuàng)新能力[8]。

為了解決上述問題，對《材料成形過程數值模擬》課程進行了案例型教學的改革實踐，通過建立材料成型過程仿真案例庫，不斷更新、優(yōu)化課程教學內容和評價方式，不僅達到了工程教育認證關于持續(xù)改進的要求，而且更好地滿足了用人單位對材料成型行業(yè)人才培養(yǎng)需求，也為課程建設中引入校企協(xié)同育人找到了切實可行的路徑。

1 課程教學實踐

1.1 案例型教學實踐方案

《材料成形過程數值模擬》是面向材料成型及控制工程專業(yè)三年級學生的專業(yè)課，該課程有2.5學分，總共40 學時，其中包括理論與上機實踐兩部分：前期集中進行有限元原理和公式推導求解的理論教學；后期主要通過各類材料成型案例講解有限元模擬的前處理、后處理及模擬結果分析。針對材料成型模擬課程的特點，引入案例式教學方案，具體流程如圖1所示。

在學期初的課堂講授中，有針對性的圍繞鑄鍛焊等成型過程講解彈塑性模型的求解方法，不要求掌握公式推導過程，但要掌握剛度矩陣、位移、載荷矩陣的列算方法。在布置課題時，從教師科研項目、企業(yè)工程案例和學生自擬3 個來源選定與材料成型工程實際貼近的仿真課題。

在學期中每堂課前，教師利用案例庫中的軟件使用教程、教學視頻、課件、案例模型等資源，引導學生使用CAD 軟件建模，并結合線上答疑線下指導等方式督促學生學習、獲得學生反饋。在課上，針對學生反饋的仿真報錯（例如網格劃分失敗、運算不收斂等）共性問題加以解答，以中期檢查的形式對仿真前處理實踐操作進行隨堂測驗，并分析沖壓、鍛造、焊接、注射成型等過程中的材料流動、變形、應力分布等模擬結果。在課后，各組學生完成有限元模擬計算與后處理，并結合加工實際、查閱文獻提出優(yōu)化成型工藝的方法。

在答辯、報告的評價環(huán)節(jié)，各組按照課題背景與意義、研究方法與步驟、研究結果、工藝分析與結論4 個環(huán)節(jié)分別由不同成員講解，并且要求每名學生介紹自己的貢獻。在答辯問答環(huán)節(jié)考查學生對模擬軟件實踐操作的能力、運用專業(yè)理論知識解決工程問題的能力。在交流討論環(huán)節(jié)，各組互相討論仿真課題的收獲與不足，并交流模型、軟件資源、研究經驗。教師引導學生從材料成型應用需求出發(fā)，思考如何利用模擬仿真優(yōu)化產品設計、減少試錯成本、縮短產品開發(fā)周期。這樣能幫助學生實現學以致用，并可在創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽、學生科技活動、畢業(yè)設計等后續(xù)實踐中繼續(xù)研究仿真課題。

1.2 優(yōu)化評價方式與標準

根據課程目標和對應的畢業(yè)要求指標點（見表1），本課程形成了以項目式匯報答辯和報告為主、以平時表現和階段性測驗為輔的評價方法，并且將考核各環(huán)節(jié)貫穿了整個教學過程。

從各個環(huán)節(jié)出發(fā)，持續(xù)優(yōu)化課程評價標準：①在由授課教師組織、全體學生參與的項目式匯報答辯中，注重將分析問題、解決問題與加工工藝實際聯(lián)系的實踐能力作為評價標準（對應課程目標2）；②在平時表現與中期檢查中，注重將熟練操作仿真軟件、詳細描述前處理設置作為評價標準（對應課程目標1）；③在報告中，注重將文獻資料調研、列表作圖、寫作格式規(guī)范等運用現代工具的能力作為評價標準（對應課程目標3）。

對于來自企業(yè)工程案例，請企業(yè)技術人員介紹課題的背景信息與技術要求，并在課程期間通過線上答疑等方式持續(xù)為學生提供指導。圖2所示列舉了來自3 個企業(yè)的工程案例，學生建立有螺紋的螺釘模型并進行應力分析，如圖2（a）所示，將螺釘軸向力分布、螺紋齒根處應力集中系數等知識點融入螺紋結構設計的工程問題中，企業(yè)人員對學生答辯環(huán)節(jié)進行打分評價與指導；學生仿真鈦合金螺釘熱處理過程中的相轉變與α相體積分數分布等結果如圖2（b）所示，企業(yè)技術人員在中期檢查、階段性測驗等環(huán)節(jié)對學生的有限元軟件操作步驟進行打分評價與現場演示；學生仿真螺釘等熱鐓成型過程與溫度分布變化情況如圖2（c）所示，企業(yè)技術人員在報告環(huán)節(jié)中指出該課題研究背景與意義分析不充分之處，并從熱鐓成型流程、設計內容、工藝優(yōu)化等方面對報告進行評價與補充。

圖2 企業(yè)螺釘緊固件制造相關的工程案例

1.3 教學改革效果與持續(xù)改進

本課程在2022-2023 年春季學期中持續(xù)推進案例式教學改革，并根據課程目標達成情況不斷優(yōu)化教學內容與方法。2022 年與2023 年課程目標客觀達成度的對比如圖3 所示（基于各課程目標的學生平均成績除以總成績），以學生各對應環(huán)節(jié)平均成績?yōu)橐罁?個課程目標的客觀達成度均有不同程度的提高。

圖3 2022年與2023年課程目標客觀達成度對比

在3 個課程目標中，課程目標1 在2023 年的改進效果最好，原因在于在2023年春季學期中充分發(fā)揮課堂教學的優(yōu)勢，通過面對面的實時互動加強軟件操作提問與指導，督促軟件學習不到位的學生加強訓練。同時在教學策略上，強調對模擬方法、步驟的理解與記憶，確保模擬研究思路清晰。絕大多數同學都已熟練掌握有限元模擬的方法與操作步驟，同時建立正確的有限元模型。

課程目標2 在2022 年的基礎上也有較大提升，由于2022 年暴露了課程缺少與加工工藝聯(lián)系的問題，2023 年著重引導學生選擇了材料成型的工程實例設計模擬方案，并在報告中對仿真結果與結論在工程實踐中的應用設立專門的章節(jié)進行分析討論。課程目標達成情況三維散點圖如圖4 所示，每一個點對應一位同學的達成情況。由圖4 可知，在2023年仍有4 位同學的課程目標2 達成度在0.7 以下（圖4 中最左端）。通過進一步分析，發(fā)現這4 位同學只是簡單地給出了模型變形或應力分布結果的軟件截圖，沒有對模擬結果、工藝參數影響等進行分析與說明，也沒有聯(lián)系材料成型的實際工程問題。為此，在今后將重點引導學習困難的學生圍繞材料成型提出值得仿真的工程問題，協(xié)助學生完成研究背景、研究結果的分析，通過改變工藝方案比較不同因素的影響，對材料成形工藝提出改進措施，提高對課程目標2的達成。

圖4 2023年各個課程目標達成情況的三維散點圖

相比之下，課程目標3的達成情況變化不大，對近兩屆學生進行分析發(fā)現，部分學生的數據后處理能力一般，研究結果僅通過軟件界面截圖呈現，較少通過導出數據后再進行數據處理并列表、作圖分析。此外，使用軟件、期刊、網絡資源等現代工具調查研究背景的能力不強，參考文獻引用不夠合理、格式不夠規(guī)范。在今后的教學中，將引導學生從學術期刊、學位論文、網絡資源中查找資料，強調報告中使用科學語言寫作的重要性，本著“授人以魚”更要“授人以漁”的思路培養(yǎng)學生自主研究能力，調動學生的積極性。

面向學生開展細化到課程目標的主觀達成評價，統(tǒng)計結果發(fā)現學生對課程目標1、2、3 的主觀達成度均在0.85 以上，反映學生對案例型教學方案較為認可。校企協(xié)同育人也為本課程從企業(yè)的角度出發(fā)，提供工程案例資源、用人單位反饋、國家產業(yè)實際需求等情況。因此，本課程的案例型教學改革實現了課程建設的科學化與體系化，扎實推進了工程教育認證要求的持續(xù)改進，保障了專業(yè)人才的高質量培養(yǎng)。

2 結束語

《材料成形過程數值模擬》課程探索了適應課程特點的案例型教學，通過建設案例庫、優(yōu)化教學內容與評價方式、引入企業(yè)工程案例，將材料成型理論知識與實踐操作有機結合，提高了學生解決實際工程問題的能力。近2年的教學實踐構建了公平合理、科學客觀的評價方法與標準，實現了與工程實際需求的緊密結合，讓學生能學以致用，運用所掌握的理論知識解決復雜的工程問題。本課程將繼續(xù)推進校企協(xié)同育人，從企業(yè)渠道導入更多貼近“高精尖”制造業(yè)發(fā)展前沿的教學內容，同時也依據企業(yè)反饋做實做細課程建設的持續(xù)改進措施，更好地培養(yǎng)具備創(chuàng)新能力的專業(yè)人才。