基于自主开发的数值模拟软件在材料成形过程教学中的运用

摘  要：材料成形及控制工程专业开设的课程中有大量关于铸造工艺、注塑成型工艺等内容，在相关课程课堂教学与实践教学中遇到的许多问题过于复杂，很难调动学生学习的积极性，若能将华铸CAE及华塑CAE广泛运用到材料学院的教学过程中，不仅能够大大便于工艺分析、三维模拟等模块，而且能够激发学生的学习兴趣。该文给出材料学院教学过程中运用华铸CAE、华塑CAE软件的规划。

关键词：华铸CAE；华塑CAE；课程改革；教学内容；新工科

中图分类号：G642      文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2025）01-0067-05

Abstract： There are a lot of contents about casting technology and injection molding technology in the courses of material forming and control engineering specialty. Many problems encountered in the classroom teaching and practice teaching of related courses are too complicated， it is difficult to arouse the enthusiasm of students. If InteCAST and HSCAE can be widely used in the teaching process of Material Institute， it can not only facilitate the process analysis， three-dimensional simulation and other modules， but also stimulate students' interest in learning. This paper presents the programming of inteCAST and HSCAE software in the teaching process of Material Institute.

Keywords： InteCAST; HSCAE; curriculum reform; teaching contents; emerging engineering

铸造成型及控制、模具设计与制造是工程专业的重要组成部分，我们国家的教育特别是高等教育体系是近些年来才建立起来的，很多专业的课程设置都是更偏重理论知识介绍，实用性相对有一些欠缺[1]。华中科技大学材料学院开设的各专业不但需要学生掌握扎实的理论知识，更需要学生具有优秀的动手能力[2]。华铸CAE/InteCAST——我国铸造领域十分常见的模拟分析系统，是分析和优化铸件铸造工艺过程中的有效工具，其能够完成以铸件充型过程、凝固过程数值模拟技术为重点的工艺分析。现阶段华铸CAE集成化软件系统在我国相关行业具有百分之八十左右的运用率，其中包括知名的首钢企业、鞍钢企业、一汽集团、东风汽车公司、浙江大学和航天三院等二百二十多家企业与科研院校。华塑CAE6.20能够在Windows系统下实现有效的数值计算，能够支持各图形平台操作，属于集成化仿真系统，华塑CAE软件当前在国内已经得到了普遍的使用。

新工科是相较于传统工科而言的，是基于国家战略发展新需求、国际竞争新形式、创新创业能力新要求而提出的我国工科教学改革新方向[3-6]。将华铸CAE软件与华塑CAE软件更好地融入到现有课程教学中去，有必要在对现有课程安排与学时分布合理了解的基础上，根据心理测量学的理论和方法，尝试初步编制《基于材料学院自主开发软件使用情况的调查》，并合理设置专门针对于材料学院学生对现有课程满意程度和对相关软件了解程度的一系列问题，以此检查学生个体针对于本问卷设计课程改革的意见与建议，力图从学生的反馈信息中把握教学改革对学生的影响，为后续实际合理进行课程改革提供有参考价值的测评工具。

一  研究对象和调查方法

（一）  问卷内容

基于新工科改革的一般要求，同时考虑本院学生职业发展需求、本专业现阶段培育模式的情况下，研究人员独立编制了《基于材料学院自主开发软件使用情况的调查》问卷。每份问卷均包括：①人口统计题，统计参与问卷调查材料学院学生的性别、年级、专业，以便了解以上各个因素对调查结果差异的影响程度；②现有对软件使用情况调查5题，内容分别为是否会使用该软件、出于什么原因使用该软件、对该软件实用性的认可度、通过何途径学会使用该软件和在何情况下会使用该软件，掌握华铸CAE、华塑CAE现阶段在本院学生学习过程中的普及度；③对软件应用前景的期望度调查4题，具体有对该软件广泛运用的信心程度、是否希望本院开设与该软件相关课程、使用该软件过程的难易程度以及认为通过何种方式可提升大学生使用各类软件的综合能力；④开放式问题，用于收集学生在现有使用该软件过程中遇到的具体问题、在学习过程中用到的其他软件名称，以及对学生个体熟练掌握该软件使用的具体方法提供建设性建议。

（二）  抽取实测样本

选取华中科技大学材料学院在读学生（本、硕、博）共105名进行问卷调查，除去未填明相应信息的样本，本研究样本的人口统计具体信息见下文。

（三）  调查方法

1  问卷调查法

本研究设计了基于材料学院自主开发软件使用情况的调查，以华中科技大学材料学院学生为研究样本发放问卷105份，回收104份，回收率99.05%，有效问卷103份，有效率98.10%。

2  文献资料法

研究人员通过查阅大量的期刊、论文及网络搜索，收集了解与华铸CAE软件、华塑CAE软件现行发展状况，以及在新工科背景下的教学改革资料进行查阅和学习，为本论文提供理论依据。

3  数理统计法

在对《基于材料学院自主开发软件使用情况的调查》进行问卷调查后，面对具有一定随机性的调查结果，如何进行对材料成型及控制工程专业课程改革所需数据的处理，以何种结果得出材料成型及控制工程专业课程改革方式，需运用数理统计的相关方法。

二  调查结果分析

（一）  调查对象的分布

问卷调查通过网络调查的方式，使学生通过不记名、自愿参加的方式自主填写问卷，共收集华中科技大学材料学院本硕博学生的103份有效问卷，样本有效率为98.10%。

有效样本中本科生（其中包括大一、大二、大三、大四）占比最高为85.43%，硕士研究生、博士研究生占比依次降低，分别为12.62%、1.95%；最后一项身份调查划分是使用相关软件同学所在专业名称，专业分别为材料成型与控制工程专业、材料科学与工程专业、电子封装专业、功能材料专业及其他专业，各项占比分别是34.95%、18.45%、5.83%、11.65%及29.12%。如图1、图2所示。

（二）  样本对华铸CAE、华塑CAE的使用情况分析

该问卷对于样本现阶段对华铸CAE、华塑CAE的使用情况可直观量化的题目包括问卷中的第四题及第六题，具体题项及计分方法见表1。

根据以上计分标准，对103份有效样本进行计分，最终得出：6分6人，5分7人，4分14人，3分10人，2分20人，1分19人，0分20人，-1分7人，共计103人。

根据结果可以得出以下结论：样本对软件的认可程度基本呈现正态分布，其中得2分、1分、0分的样本数量最多，占比为57.28%，说明大部分人只是偶尔使用软件，认为软件的重要程度为一般。得到3分及3分以上的样本数量也较多，占比35.92%，这部分的样本使用软件频率较高，对于软件的认可程度也较高。占比最少的-1分样本数量最少，占比6.8%，这部分用户对软件认可程度较差，平时不用相关软件并且不认可软件的重要性。

（三）  样本使用华铸CAE、华塑CAE的其他情况

为了解华铸CAE、华塑CAE软件现阶段在材料学院学生中的使用情况，还设置了出于何原因使用相关软件、通过何途径使用相关软件、通常在何情况下使用相关软件及使用软件难度四个问题，以下分别列出统计结果。

如图3所示，34.95%的学生使用相关软件是出于学习工作要求，占比最高；另有22.33%的学生因为考试原因使用软件；12.62%的学生对相关软件抱有兴趣使用；其余样本使用软件是除以上三种原因之外。

根据图4所示情况，学生接触到相关软件主要有以下几个方面：占比最大的通过学校课程接触，有44.66%的学生属于此行列；其次，依次为通过朋友介绍、其他原因及个人自学或文献阅读，分别占总人数的22.33%、18.45%、14.56%。

如图5所示，学生使用软件主要用于以下几个方面：最多的学生将软件运用于课程设计，占总人数的51.46%；绘图课程与科研工作占比接近，分别占49.51%和43.69%；用于个人爱好与其他方面的学生较少，分别占33.01%与22.33%。

如图6所示，在参与调查的可用样本中能熟练解决使用软件过程中的问题的占比最少，只占总人数的7.77%，认为使用困难程度大的样本占比与认为可以基本熟练操作的样本占比相同，均为32.04%，其余28.15%的样本没有使用过相关软件。

（四）  样本对软件发展预估情况分析

除了对样本进行现行使用软件情况的调查，为了能够更加综合、全面地了解样本对相关软件的使用体验，现设计三个关于相关软件发展前景预估的问题：是否认为相关软件在今后会被广泛运用、是否希望学校开设与软件相关的课程，以及认为通过何方式可更好地提高大学生使用软件能力三个问题，现逐一分析。

由图7可知，超过半数的样本认为相关软件将来会被广泛运用，这54.37%的同学使用体验较好，说明只要能够熟练掌握使用软件的方法，不论对学习、科研或者工作都会取得良好的效果；剩余25.24%和20.39%的样本分别认为软件今后被广泛运用的情况为一般和不会，除去一部分没有使用过软件的样本，其余样本是有过使用经验后得出的结论，说明在该部分用户心中软件功效还有待提高，可收集这部分样本的意见从而进一步完善软件综合性能。

就学生对于将华铸CAE、华塑CAE软件运用于实际教学过程的意见，得到结论如图8所示，可知大部分人对此问题均保持着肯定的态度，仅有6.8%的样本明确不希望进行改革，剩下的一部分人保持中立的态度，故将相关软件运用到实际课程这个方案是可行的。

为了能进一步了解学生对待课程改革的意见，设置关于样本认为通过何途径对提高使用软件能力此问题，从而从改革者和被改革者两个角度客观进行。

如图9所示，在已设置的选项当中，30.1%的样本认为学院应增设对相关软件的培训课程，占比最高；另有26.21%的样本支持改善相关软件在教材中的内容占比；8.74%的样本认为可以举办知识竞赛以提高学生学习兴趣；剩余34.95%的样本未选择上述三个选项，关于这部分样本所认可的途径可在开放式回答中总结整理。

三  结束语

对于《基于材料学院自主开发软件使用情况的调查》问卷的分析，在收集到的103份有效问卷之中，本科生占比最高占比85.43%，专业分布中材料成型及控制工程专业略高于其他专业。有效样本中对于华铸CAE软件、华塑CAE软件的认可程度基本呈现正态分布，过半数样本对于软件的态度比较折中，但绝大部分样本不排斥将软件运用至材料成型及控制工程专业的学习中。