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摘 要:随着时代的发展,缩小学生的能力与社会需求的差距,增强学生的就业竟争力是各高校面对的主要问题。本文采用经典塑性成形理论分析、物理模拟与CAE相结合的思路与方法,对塑性成形理论教学与实践进行整合与优化。最终提高学生对专业基础理论的理解与兴趣,增强学生对专业理论融会贯通能力,培养学生职业竟争力和解决工程项目的能力。
关键词:塑性成形理论 教学改革 有限元技术 整合优化
中图分类号:G420 文献标识码:A 文章编号:1673-9795(2012)08(a)-0082-02
模具工业被我国正式确定为基础产业,塑性成形与模具专业方向的人才需求看好。但是,学生实践经验不足,动手能力差,日益成为制约学生就业的瓶颈[1]。在高校课程体系改革中专业课时压缩的大背景下,如何增强学生分析和解决成形工艺与模具设计问题的能力,提高教学效果,是我们长期关注和思考的一个急需解决的问题。现在的大学本科生“回炉”,重新参加技能培训的现象也不在少数,其根木原因是理论知识的学习与实际生产之间的过渡大,学生难以将两者一很好结合。另外,本专业直接涉及塑性成形理论的塑性成形原理、金属体积成形工艺和材料成形过程模拟三门课程的教学各自独立,造成学生学习脱节,掌握基础知识和提高自身能力的效果不理想[2]。因此,注重和加强基础理论的教学,突出理论教学与实践应用的相互渗透和融合,通过坚持工程科学教育与工程实践训练并举,是非常关键与必要的[3]。
1 教学现状及发展趋势
塑性成形理论涉及数学、塑性力学等知识,展开推理困难,致使本课程的教学方法类似“填鸭式教学”,对学生掌握与应用产生障碍,多数学生对塑性成形理论产生困惑与恐惧。随着教育体制的改革,对学生素质教育的培养越来越重视,理论与实践的结合得到关注。如何缩小学生的能力与社会需求的差距,如何增强学生的就业竟争力是摆在工科院校面前的事实。有限元技术在增加产品和工程的可靠性、减少试验次数和试验经费等方面,具有不可替代的作用与优势。跟踪塑性成形技术发展,以实践课程教学为主线,与毕业设计紧密结合,注重加强DEFORM,DYNAFORM等CAE软件的应用教学,培养学生的应用专业软件的能力,是极其必要的。对相关课程理论教学和实践教学的内容进行整合优化,更显得意义重大。
随着科学技术的发展,塑性成形技术越来越呈现出技术融合的趋势,对塑性成形理论的教学改革是也势在必行。一方面塑性成形技术的进步需要从相关学科的发展中吸取自身发展的动力,如在塑性变形机理的研究中,要利用材料科学和力学的进步来深化对塑性成形中材料组织性能演化规律的认识;在塑性成形工艺优化中,需要利用计算数学和计算力学中的新方法等。另一方面,科学技术的发展也对于从事塑性成形理论研究和技术开发的科技人员提出了新的要求和挑战。原有的塑性成形理论已经不能满足现代的科学研究,必须将多学科联系起来才能很好的解决问题。有限元技术(CAE)就能很好的满足实际的生产需要[4]。在塑性成形理教学和实践教学中,根据社会需要不断调整教学内容与方式,增加新的内涵,拓展专业发展的新空间,是现阶段塑性成形理论教学和实践教学改革的趋势。
2 教学的整合和优化
如何进行材料成型及控制工程专业人才培养,培养人才如何适应制造业的生产、发展的需要,一直是学校课程体系改革的首要问题,也是现代企业对学校人才培养提出的新要求。通过对目前的教学情况总结和对现有的师资力量进行评估,塑性成形理论教学和实践的改革从以下几方面着手。
2.1 课程结构与内容综合化、层次化
将材料成形原理、金属体积成形工艺、成形过程模拟与实验等内容综合化,注重成形理论分析方法、成形工艺、有限元模拟技术的有机结合。以理论教学为依据,以技能培养为主线,形成理论、实验、工艺、有限元模拟为一体、环节设置分层次、相互渗透、深化提高的课程结构体系是该研究项目的特色。
2.2 转变教学理念,突出自主性、研究性学习
通过成形过程模拟和模拟结果数据库,让学生通过自身的实践,观察不同的设计参数对设计结果的影响,探索更好的设计方法;通过Matlab等软件对理论公式进行建模计算,让学生在掌握软件基本功能的基础上,就可加深对复杂成形理论公式的理解并掌握设计过程、设计理论和设计方法,从而有更多的时间进行研究设计方法和设计模型的建立等创造性的思维,从而把科学研究元素融入理论教学、工艺研究和实践教学,实现自主性、研究性学习。
2.3 塑性成形理论教学与实践教学过程同步化
对教学中遇到的典型工艺(镦粗、拔长、冲孔等),可以采用塑性理论、工艺实验和有限元分析等多种方法进行分析和比较,对实验和仿真结果能用理论分析给予解释,同时对实验和仿真结果进行比较,从而加深对理论方法更深层次的理解,促进理论、实验和模拟仿真技术的融合贯通。
2.4 采用现代教学手段,使复杂问题简单化,抽象问题形象化、动态过程可视化
将信息技术运用于本课程教学中,针对难教、难学的模锻飞边形成等内容,开发形象生动的成形过程和网格变化的动画,制作形成了以工件、模具、成形过程模拟与结果、实验结果、工程应用等全过程的素材资源库,发挥传统教学无法比拟的优势,强化教学效果,提高教学效率。结合科研过程中项目研究与开发的成果,针对复杂工艺环件轧制、摆辗等建立基于特种成形工艺的塑性成形过程模拟资源库,为塑性成形理论教学与实践教学提供辅助作用。
2.5 强化计算机辅助工程(CAE)应用,促进教学实验平台建设
成形过程模拟实验室目前主要负责本科生的金属成形过程模拟的实践教学工作,主要使用DEFORM软件。材料成形模拟及仿真的研究和应用发展很快,研究内容和教学内容都很多。从目前就业形式来看,有必要推广DYNAFORM,Pam-Stamp等板料成形模拟软件在塑性成形理论教学和实践教学方面的应用,促进塑性成形理论和实践教学在板料成形工艺方向的应用,将成形过程模拟实验室建成具有鲜明特色和较高水平的重点教学实验平台。 2.6 生产案例和科研成果进课堂,能力培养项目化实现
理论知识与典型案例分析相结合,将技术服务和科研项目引入课堂,拉近理论与实际间的距离,课程设计,毕业设计题目都直接来源于生产实际,围绕生产实际技术难题进行专题分析,将工程实践和应用能力的培养项目化。
2.7 加强塑性成性理论教学和实践教学环节的指导,建立评估机制
在实施与贯彻上,重视大作业、课程设计和毕业设计等实践教学环节的作用,加深学生的认识,牢固树立“理论和工程应用”相结合的分析方法与设计思想,培养学生工程素质以及工艺分析和模具设计的能力;研究实践性环节的教学管理规范,做好实践性环节教学规范、成绩考核等制度建设。
3 塑性成形理论教学与实践整合的教学效果
从塑性成形理论教学与实践整合的运行情况看,多个班级(如2006级、2007级塑性成形与模具专业本科生)的教学实践表明,教学效果比较明显,具体体现在以下几方面。
3.1 促进了学生对塑性成形原理基本理论的理解
塑性成形原理是本专业的基础课,一些基础理论学习与教学难度均很大。如在“摩擦对镦粗变形的影响”的实验教学中,摩擦系数无法达到0,也无法达到1。采用有限元与实验相结合的方法,则变形过程一目了然,并能清楚地看到中性面的变化,教学效果非常好。
3.2 促进了本科生对塑性成形综合应用能力的发展
本科毕业论文是本科阶段最后的实践项目,也是塑性成形综合应用能力的试金石。在2010年本科毕业论文阶段,尝试将3名本科生的毕业论文与科研项目[精密塑胶件热冷循环模具注塑成型技术及其产业化-广东省科技厅(2009 B0906 00025)]结合起来,取得了良好的效果。研究内容解决了该项目中塑料流动与工艺优化关键问题,其中陈浩同学的毕业论文获得2010年度湖北省优秀本科生毕业论文一等奖。
3.3 促进了学生自主研究兴趣与创新能力的发展
采取学生自由组合的兴趣小组的教学辅助模式,指导本科生申请大学生创新计划项目。成功申请到论文作者指导、以本科生为项目申请人的武汉理工大学大学生创新研究计划项目(“轮毂热锻模具多物理场分析与型腔优化”和“载荷模式对多金属热锻模损伤的研究”)两项,目前已完成相关项目内容、提交研究报告并成功结题。
3.4 促进了本科生就业能力的提高
目前,塑性成形与控制专业本科生就业情况良好,除了市场驱动外,也与本专业教学中大力引入CAD/CAE知识、适应市场需求息息相关。近年来,塑性成形与控制专业方向的本科生就业率均处于武汉理工大学前列。
4 结语
通过对塑性成形理论这门课程的教学改革,整合理论分析、物理模拟、计算机仿真多种分析方法在解决典型工艺和典型零件上的应用,促进塑性成形理论在理论教学和实践教学中的贯彻与执行,重视学生创新思维能力的培养。最终促进学生的融会贯通能力和解决实际工程问题的能力,提高核心竟争力和就业竟争力。
参考文献
[1] 徐春.应用本科塑性成形理论课程改革与实践[J].重庆科技学院学报,2007(5): 163-164.
[2] A.E.M.Pertence,P.R.Cetlin.Analysis of a new model material for the physical simulation of metal forming[J].Journal of Materials Processing Technology, 1998,84:261-267.
[3] 单海校,刘国平.应用型本科高校工程技能教学的探索[J].高教论坛,2006(5): 73-75.
[4] W.Johnson.Developments in forming technology an engineering educator’s approach[J].Journal of Materials Processing Technology,1992,31:1-26.
关键词:塑性成形理论 教学改革 有限元技术 整合优化
中图分类号:G420 文献标识码:A 文章编号:1673-9795(2012)08(a)-0082-02
模具工业被我国正式确定为基础产业,塑性成形与模具专业方向的人才需求看好。但是,学生实践经验不足,动手能力差,日益成为制约学生就业的瓶颈[1]。在高校课程体系改革中专业课时压缩的大背景下,如何增强学生分析和解决成形工艺与模具设计问题的能力,提高教学效果,是我们长期关注和思考的一个急需解决的问题。现在的大学本科生“回炉”,重新参加技能培训的现象也不在少数,其根木原因是理论知识的学习与实际生产之间的过渡大,学生难以将两者一很好结合。另外,本专业直接涉及塑性成形理论的塑性成形原理、金属体积成形工艺和材料成形过程模拟三门课程的教学各自独立,造成学生学习脱节,掌握基础知识和提高自身能力的效果不理想[2]。因此,注重和加强基础理论的教学,突出理论教学与实践应用的相互渗透和融合,通过坚持工程科学教育与工程实践训练并举,是非常关键与必要的[3]。
1 教学现状及发展趋势
塑性成形理论涉及数学、塑性力学等知识,展开推理困难,致使本课程的教学方法类似“填鸭式教学”,对学生掌握与应用产生障碍,多数学生对塑性成形理论产生困惑与恐惧。随着教育体制的改革,对学生素质教育的培养越来越重视,理论与实践的结合得到关注。如何缩小学生的能力与社会需求的差距,如何增强学生的就业竟争力是摆在工科院校面前的事实。有限元技术在增加产品和工程的可靠性、减少试验次数和试验经费等方面,具有不可替代的作用与优势。跟踪塑性成形技术发展,以实践课程教学为主线,与毕业设计紧密结合,注重加强DEFORM,DYNAFORM等CAE软件的应用教学,培养学生的应用专业软件的能力,是极其必要的。对相关课程理论教学和实践教学的内容进行整合优化,更显得意义重大。
随着科学技术的发展,塑性成形技术越来越呈现出技术融合的趋势,对塑性成形理论的教学改革是也势在必行。一方面塑性成形技术的进步需要从相关学科的发展中吸取自身发展的动力,如在塑性变形机理的研究中,要利用材料科学和力学的进步来深化对塑性成形中材料组织性能演化规律的认识;在塑性成形工艺优化中,需要利用计算数学和计算力学中的新方法等。另一方面,科学技术的发展也对于从事塑性成形理论研究和技术开发的科技人员提出了新的要求和挑战。原有的塑性成形理论已经不能满足现代的科学研究,必须将多学科联系起来才能很好的解决问题。有限元技术(CAE)就能很好的满足实际的生产需要[4]。在塑性成形理教学和实践教学中,根据社会需要不断调整教学内容与方式,增加新的内涵,拓展专业发展的新空间,是现阶段塑性成形理论教学和实践教学改革的趋势。
2 教学的整合和优化
如何进行材料成型及控制工程专业人才培养,培养人才如何适应制造业的生产、发展的需要,一直是学校课程体系改革的首要问题,也是现代企业对学校人才培养提出的新要求。通过对目前的教学情况总结和对现有的师资力量进行评估,塑性成形理论教学和实践的改革从以下几方面着手。
2.1 课程结构与内容综合化、层次化
将材料成形原理、金属体积成形工艺、成形过程模拟与实验等内容综合化,注重成形理论分析方法、成形工艺、有限元模拟技术的有机结合。以理论教学为依据,以技能培养为主线,形成理论、实验、工艺、有限元模拟为一体、环节设置分层次、相互渗透、深化提高的课程结构体系是该研究项目的特色。
2.2 转变教学理念,突出自主性、研究性学习
通过成形过程模拟和模拟结果数据库,让学生通过自身的实践,观察不同的设计参数对设计结果的影响,探索更好的设计方法;通过Matlab等软件对理论公式进行建模计算,让学生在掌握软件基本功能的基础上,就可加深对复杂成形理论公式的理解并掌握设计过程、设计理论和设计方法,从而有更多的时间进行研究设计方法和设计模型的建立等创造性的思维,从而把科学研究元素融入理论教学、工艺研究和实践教学,实现自主性、研究性学习。
2.3 塑性成形理论教学与实践教学过程同步化
对教学中遇到的典型工艺(镦粗、拔长、冲孔等),可以采用塑性理论、工艺实验和有限元分析等多种方法进行分析和比较,对实验和仿真结果能用理论分析给予解释,同时对实验和仿真结果进行比较,从而加深对理论方法更深层次的理解,促进理论、实验和模拟仿真技术的融合贯通。
2.4 采用现代教学手段,使复杂问题简单化,抽象问题形象化、动态过程可视化
将信息技术运用于本课程教学中,针对难教、难学的模锻飞边形成等内容,开发形象生动的成形过程和网格变化的动画,制作形成了以工件、模具、成形过程模拟与结果、实验结果、工程应用等全过程的素材资源库,发挥传统教学无法比拟的优势,强化教学效果,提高教学效率。结合科研过程中项目研究与开发的成果,针对复杂工艺环件轧制、摆辗等建立基于特种成形工艺的塑性成形过程模拟资源库,为塑性成形理论教学与实践教学提供辅助作用。
2.5 强化计算机辅助工程(CAE)应用,促进教学实验平台建设
成形过程模拟实验室目前主要负责本科生的金属成形过程模拟的实践教学工作,主要使用DEFORM软件。材料成形模拟及仿真的研究和应用发展很快,研究内容和教学内容都很多。从目前就业形式来看,有必要推广DYNAFORM,Pam-Stamp等板料成形模拟软件在塑性成形理论教学和实践教学方面的应用,促进塑性成形理论和实践教学在板料成形工艺方向的应用,将成形过程模拟实验室建成具有鲜明特色和较高水平的重点教学实验平台。 2.6 生产案例和科研成果进课堂,能力培养项目化实现
理论知识与典型案例分析相结合,将技术服务和科研项目引入课堂,拉近理论与实际间的距离,课程设计,毕业设计题目都直接来源于生产实际,围绕生产实际技术难题进行专题分析,将工程实践和应用能力的培养项目化。
2.7 加强塑性成性理论教学和实践教学环节的指导,建立评估机制
在实施与贯彻上,重视大作业、课程设计和毕业设计等实践教学环节的作用,加深学生的认识,牢固树立“理论和工程应用”相结合的分析方法与设计思想,培养学生工程素质以及工艺分析和模具设计的能力;研究实践性环节的教学管理规范,做好实践性环节教学规范、成绩考核等制度建设。
3 塑性成形理论教学与实践整合的教学效果
从塑性成形理论教学与实践整合的运行情况看,多个班级(如2006级、2007级塑性成形与模具专业本科生)的教学实践表明,教学效果比较明显,具体体现在以下几方面。
3.1 促进了学生对塑性成形原理基本理论的理解
塑性成形原理是本专业的基础课,一些基础理论学习与教学难度均很大。如在“摩擦对镦粗变形的影响”的实验教学中,摩擦系数无法达到0,也无法达到1。采用有限元与实验相结合的方法,则变形过程一目了然,并能清楚地看到中性面的变化,教学效果非常好。
3.2 促进了本科生对塑性成形综合应用能力的发展
本科毕业论文是本科阶段最后的实践项目,也是塑性成形综合应用能力的试金石。在2010年本科毕业论文阶段,尝试将3名本科生的毕业论文与科研项目[精密塑胶件热冷循环模具注塑成型技术及其产业化-广东省科技厅(2009 B0906 00025)]结合起来,取得了良好的效果。研究内容解决了该项目中塑料流动与工艺优化关键问题,其中陈浩同学的毕业论文获得2010年度湖北省优秀本科生毕业论文一等奖。
3.3 促进了学生自主研究兴趣与创新能力的发展
采取学生自由组合的兴趣小组的教学辅助模式,指导本科生申请大学生创新计划项目。成功申请到论文作者指导、以本科生为项目申请人的武汉理工大学大学生创新研究计划项目(“轮毂热锻模具多物理场分析与型腔优化”和“载荷模式对多金属热锻模损伤的研究”)两项,目前已完成相关项目内容、提交研究报告并成功结题。
3.4 促进了本科生就业能力的提高
目前,塑性成形与控制专业本科生就业情况良好,除了市场驱动外,也与本专业教学中大力引入CAD/CAE知识、适应市场需求息息相关。近年来,塑性成形与控制专业方向的本科生就业率均处于武汉理工大学前列。
4 结语
通过对塑性成形理论这门课程的教学改革,整合理论分析、物理模拟、计算机仿真多种分析方法在解决典型工艺和典型零件上的应用,促进塑性成形理论在理论教学和实践教学中的贯彻与执行,重视学生创新思维能力的培养。最终促进学生的融会贯通能力和解决实际工程问题的能力,提高核心竟争力和就业竟争力。
参考文献
[1] 徐春.应用本科塑性成形理论课程改革与实践[J].重庆科技学院学报,2007(5): 163-164.
[2] A.E.M.Pertence,P.R.Cetlin.Analysis of a new model material for the physical simulation of metal forming[J].Journal of Materials Processing Technology, 1998,84:261-267.
[3] 单海校,刘国平.应用型本科高校工程技能教学的探索[J].高教论坛,2006(5): 73-75.
[4] W.Johnson.Developments in forming technology an engineering educator’s approach[J].Journal of Materials Processing Technology,1992,31:1-26.