“材料成形过程计算机建模与仿真”教学改革探讨

［摘 要］ “材料成形过程计算机建模与仿真”教学是材料成形及控制工程专业的一门重要专业基础课，旨在培养学生对复杂成形过程的分析能力、创新能力、团队协作能力和工程应用能力。然而，由于材料成形过程涉及材料力学、金属物理力学、数学、计算机编程等多学科知识，其理论模型抽象，对学生学习兴趣和学习效果都有一定的影响。因此，教学过程中需要采用多种手段对教学内容和教学方式进行改革。以“材料成形过程计算机建模与仿真”教学为例，提出了相关教学改革措施。

［关键词］ 材料成形；计算机建模；仿真教学

［基金项目］ 2022年度中南大学教育教学改革研究项目“未来成形制造技术人才培养模式探索与实践”（2022jy036）；2020年度湖南省学位与研究生教育改革研究（重大）项目“工程类博士专业学位研究生教育综合改革研究”（2020JGZX003）；2020年度中国研究生院院长联席会研究生教育重大课题“基于‘大师+团队’的复合型交叉学科研究生培养模式与实践研究”（ACGS02-2020003）

［作者简介］ 喻海良（1980—），男，湖南长沙人，博士，中南大学轻合金研究院教授，主要从事塑性加工研究；湛利华（1976—），女，湖南常德人，博士，中南大学研究生院教授，学位办主任（通信作者），主要从事塑性加工研究；徐永谦（1988—），男，江西赣州人，博士，中南大学轻合金研究院副教授，主要从事塑性加工研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）41-0009-04 ［收稿日期］ 2023-08-01

引言

随着计算机仿真技术的不断发展，仿真技术在教学中的应用也越来越广泛。“材料成形过程计算机建模与仿真”是材料成形课程的重要组成部分，通过对“材料成形过程计算机建模与仿真”课程的改革探索，对培养学生解决实际工程问题的能力，提高学生的综合素质和创新能力起到了重要作用。

一、“材料成形过程计算机建模与仿真”教学的优势

（一）提供实际操作的机会

通过计算机建模与仿真，学生可以在虚拟环境中进行材料成形过程的模拟操作和实践，从而弥补传统教学中实际实验操作的不足，为学生提供更多的实践性学习机会［1］。传统教学中，学生通常只能通过理论课程了解材料成形过程的原理和步骤，学生很难真正理解和掌握材料成形的技术与操作要领，限制了学生的学习效果。而计算机建模与仿真技术的出现，为学生提供了一个虚拟的实验环境，学生可以根据自己的学习需要和兴趣，选择不同的材料成形过程进行模拟操作，观察和分析材料的变化过程，预测和评估不同操作方式的效果。通过这种虚拟的实践性学习，学生可以更加深入地了解材料成形的原理和技术要领。学生可以在模拟操作中发现和解决问题，培养其自主学习和解决问题的能力。通过计算机建模与仿真，可以让学生在材料成形过程中进行模拟操作和实践，弥补传统教学中实验操作的不足，提供更多的实践性学习机会。

（二）提高安全性

某些材料成形过程涉及高温、高压等危险因素，常常需要进行实验操作，这些操作往往伴随着较高的风险。在这方面，计算机建模与仿真技术发挥了巨大作用，不仅能降低实验操作的风险，还能增强学生的安全意识。通过计算机建模与仿真，学生可以在虚拟环境中进行高温、高压等危险操作的模拟和仿真［2］。学生可以在没有实质安全风险的情况下学习并熟悉各种操作流程、设备操作和风险管理技巧。这一过程使学生能够更好地理解和掌握材料成形过程中的安全操作措施，培养学生自觉遵守安全规范和注意安全风险的意识。通过计算机建模与仿真，学生可以在模拟的环境中不断尝试不同的操作方式和参数设置，观察并分析结果。这样的实践经验有助于学生培养出自我保护和风险评估的能力，通过计算机建模与仿真技术，材料成形实验的风险可以得到有效控制，提高学生的安全意识。这种安全教育方式不仅保护了学生的生命安全和身体健康，也促进了学生的学习效果和实践能力的提升。

（三）可视化展示

计算机建模与仿真是一种利用计算机技术来模拟复杂系统的过程，在成形制造领域，它可以帮助我们以视觉化的方式展示材料的成形过程，从而更好地理解材料的变形原理和机制。通过计算机建模与仿真，我们不仅可以使用3D建模软件创建材料的精确数字模型，还可以应用物理原理来模拟材料受力、变形的过程。这些模拟可以产生演示材料变形的动画，或者通过图表、图形来展示关键数据和趋势。通过观察模拟的动画，学生可以直观地看到材料在不同条件和力下发生的变形现象。例如，如果我们想研究金属在轧制过程中的变形行为，那么可以通过计算机模拟来展示金属在受力时的形变和应力分布，这将帮助学生更好地理解为什么材料会出现局部变形或裂纹。这不仅可以增强学生对材料变形原理的理解，还可以提供更深入的分析工具，帮助学生更全面地掌握材料科学和工程的知识。

（四）深入理解材料成形制造工艺

通过计算机建模与仿真，学生可以更加深入地了解不同材料的成形过程和成形参数对最终产品的影响，成形过程是将原材料通过加热、压力和形状变化等工艺，将其转变为最终所需要的形状和尺寸的过程。通过计算机建模，学生可以在虚拟环境中模拟不同材料的成形过程，通过调整各种参数，如温度、压力、速度等来观察成形过程中的变化情况［3］。例如，对于轧制成形过程，学生可以使用计算机建模软件来模拟板材、型材等的轧制成形工艺。通过调整温度参数，可以观察到轧件温度场的变化情况，从而探究温度对成形质量的影响。通过调整压下率参数，还可以观察到型材轧件充填模具的变化情况，进一步了解压力对成形形状和密度的影响。通过计算机建模与仿真，学生可以在实验室外的虚拟环境中进行各种成形实验，避免了成形过程中的实际材料浪费和设备成本，同时也提供了更多的试验机会和控制参数的灵活性。

（五）提高教学效率

传统的实验教学一直是教学过程中的重要环节，但传统实验教学确实存在一些问题，包括准备实验设备、材料等的时间和资源投入，以及师生间实验操作难题的沟通等。随着计算机技术的不断发展，计算机建模与仿真教学成了一种有效的替代方案。计算机建模与仿真教学通过在计算机上进行实验，无需使用实际的设备和材料，从而节省了准备实验所需的时间和资源。教师可以利用专门的软件和工具，创造出各种实验场景，让学生可以在虚拟的环境中进行实验，并观察和分析实验结果。这种教学方法不仅可以节约资源，还可以大大提高教学效率。计算机建模与仿真教学还具有其他优势，如学生可以在计算机上反复进行实验，无需担心实验失败；学生可以通过不同的参数设定和策略尝试不同的实验方案，加深对科学原理和实验方法的理解，计算机建模与仿真教学还可以扩展学生对实验的认识范围。这使得学生可以接触到更多的实验内容，拓宽了学生的知识面和实验理解。计算机建模与仿真教学作为一种替代传统实验教学的方法，具有诸多优势，其节省了时间和资源，提高了教学效率，并能够提供更加真实和多样化的实验场景。

二、“材料成形过程计算机建模与仿真”教学改革策略

（一）调整教学内容

目前，材料成形过程计算机仿真的教学内容主要集中在金属铸造、金属塑性成形、焊接等理论分析部分，而在铸造、锻造及金属塑性成形等仿真实践操作部分由于课程时间压缩则被弱化，这导致学生无法熟练掌握对铸造等成形工艺进行仿真分析。为提高教学质量，必须对教学内容进行调整，对“材料成形过程计算机建模与仿真”课程的教学内容进行了重新整理和分类，按照以下四个章节的内容进行。

1.《绪论》主要介绍了计算机仿真技术的发展概况及计算机仿真在材料成形过程中的应用，让学生了解计算机仿真技术在金属成形过程中的应用现状和发展趋势。

2.《材料成形及控制工程基础》主要介绍了材料成形基本理论、成形工艺等基础知识，让学生了解材料成形与控制工程的基本概念和原理，为后面的计算机仿真建模奠定理论基础。

3.《铸造过程计算机仿真》主要介绍铸造过程的物理过程及数值模拟方法，通过数值模拟手段对铸造过程进行分析和预测，培养学生运用计算机对问题进行处理的能力。

4.《锻造、轧制、冲压等金属塑性成形工艺的仿真模拟》主要介绍了材料成形工艺中常用的塑性成形方法，如等温锻造、四辊热轧、汽车板冲压等方法和原理以及仿真建模实例分析，让学生对常用的工艺方法有一定了解和认识。

上述教学内容包括了材料成形过程计算机仿真教学的主要内容和主要环节，充分体现了计算机仿真技术在材料成形过程中应用的广泛性和重要性，可以帮助学生深入理解材料成形过程及其工艺原理，并为后续从事相关研究工作打下良好基础。

（二）线上线下教学平台建设

“材料成形过程计算机建模与仿真”课程建设了线上线下混合教学平台，主要包含线上虚拟实验、线下虚拟实验和理论知识考核三个模块。线上虚拟实验主要是通过云课堂等网络平台，将在线自主学习、课堂讨论、仿真模拟和答疑互动等模块与教学内容相结合，以在线形式开展教学活动，将线下课程的部分内容通过云课堂等网络平台开展线上实验教学。学生通过网上的虚拟实验和在线讨论模块，可以更加深入地了解所学知识，掌握知识的重点和难点，提升自主学习能力。线下虚拟实验模块是将教师布置的实验题目进行线上提交，教师利用平台中的题目解析功能对学生提交的题目进行解答，学生还可以利用云课堂等网络平台自主学习相关课程内容。在线上虚拟实验中，学生通过查看视频和观看动画等方式对金属成形工艺有限元仿真案例等相关知识进行理解与掌握。线下虚拟实验主要是通过教师布置实验题目和在线上学习平台发布相关内容，让学生利用课余时间自主完成相关仿真案例学习的任务，线下虚拟实验模块还可以与理论知识考核模块相结合，通过在线讨论模块让学生对所学知识进行讨论，并对学生进行知识考核。教师通过线上线下教学平台还可以发布与课程相关的各种信息，如课程大纲、课程内容、教学资源、授课方式等，通过线上线下教学平台的建设促进了教师和学生之间的沟通与交流。

（三）案例驱动

线上线下混合教学模式主要是以学生为主体，通过学生自己学习和探讨，教师主要起到引导和辅助的作用。因此，在教学过程中，教师需要注重引导学生自主学习，以案例驱动的方式进行教学。例如，在讲解金属轧制成形过程中的材料流动时，可以先出示一些实际工程案例，然后让学生根据自己所学到的知识来分析这些实际工程案例，并根据实际工程案例讨论金属流动过程中材料流动规律和金属流动规律的区别，同时学生需要掌握一些基本的数学知识。在讨论过程中教师可以采用问题导向式的教学方法，从案例出发，让学生通过自主分析、讨论、总结等过程掌握金属在轧制变形区的流动规律。在此基础上再加强材料成形过程仿真模拟的理论知识，这样既能调动学生学习的积极性和主动性，又能使学生更加深入地理解和掌握金属塑性流变成形的变形规律。在讲解坯料厚度设计时，教师可以先通过实际工程案例来展示坯料厚度设计的基本原则和方法等，再提出问题让学生通过小组讨论分析坯料厚度设计问题，而后进行小组汇报，最后由教师对小组汇报结果进行总结和评价。在整个过程中，教师只需要做一个引导者即可。这种教学方式可以使学生将理论知识与实际工程案例相结合，激发学生的学习兴趣和学习热情。

（四）线上线下互动

线上线下互动是教学中的重要环节，是学生对教师授课内容进行反馈和评价的重要渠道。线上教学中，教师可以通过布置任务、线上答疑等方式引导学生进行互动。例如，在讲解金属塑性成形过程中的坯料厚度设计时，学生对这一部分内容不能理解，教师可以在课堂上布置一些相关的思考题，学生通过课后作业的形式进行作答。线上答疑主要是针对学生在课堂上提出的问题进行解答。线上线下互动主要是为了帮助学生解决学习中遇到的难题，从而提高他们的学习积极性。在讲解金属塑性成形过程中，学生对于坯料厚度设计有疑问时，教师可以通过线上答疑的形式对该问题进行解答，线上答疑还可以帮助学生解决一些学习上的难题，如在讲解金属塑性成形过程中关于材料流动过程中出现变形不均匀的现象时，教师可以通过线上答疑向学生展示如何解决这个问题，帮助学生更好地理解该知识点。通过线上线下互动可以帮助学生更好地掌握知识点和技能，提高他们学习材料成形过程相关课程的积极性和主动性。