提升材料加工学科研究生高级仿真能力的多样性训练模式与实践

权国政,周 杰

（重庆大学 材 料科学与工程学院，重庆 4 00044）

0 引言

目前材料加工工程是材料-机械科学研究中最活跃的科学，是材料、机械、电气、化学、物理、信息、力学、应用数学等综合的学科，具有科学研究、工程应用、技能训练、职业培训等方面的特点。该学科的科学研究方法，无论是理论方法（抽象模型），还是实验研究方法（实体模型）都是以数值计算为基础。基于经验的“试错”设计方法已不能满足短周期开发产品的实际需要，现代市场需要提高产品质量、提高材料利用率、提高模具寿命、减少成形负荷、节约能源、缩短产品开发周期，这对成形工艺设计技术提出了更高的要求。因此，引入以模拟技术为主要手段的现代设计和研究方法受到广泛关注[1,2]。

研究材料成型与控制工程专业的教学方法、教育模式、学习方式，有利于促进学科间的交叉，促进各学科的相互借鉴与发展。一方面，通过先进的教学体系、灵活生动的教学形式，提高研究生的学习、研究兴趣，为学生创造良好的研究型学习环境，营造一种不同于传统课堂的学术氛围，在人才培养方面发挥特殊的作用；另一方面，通过设置严谨周密的教学内容、丰富的教学方法和实践手段，促进创新人才培养及教学改革，促使研究型学习教学体系形成。学生在研究生学习期间依靠学校搭建的各种产学研合作平台，开展科研、实践、工程训练等活动，这对于提高学生学习的自觉性，学习主动权，鼓励研究生积极从事科研、发表专业论文、参加各类竞赛、完成工程训练，都具有十分重要的理论和实践意义。

1 仿真教学国内外现状

世界各国都把材料加工工程学科作为优先发展战略学科，70%的美国一流工学院均设置了材料成型与控制工程专业，非常强调对材料可成形性的仿真论证与优化。目前，世界各国尤其是发达国家的高校和企业都高度重视材料成形的数值模拟仿真，没有模拟仿真的支撑，就不允许开始设计模具[1,2]。在我国，高等院校对数值模拟仿真应用研究较好，并通过产学研合作方式，帮助企业解决了大量的工程实践问题。尽管仿真技术的重要性已经被人们认识，但是由于仿真分析软件昂贵、分析人才缺乏等，目前只有少数大中型企业与科研院所购买了相关的正版软件，并掌握了部分技术。国内大多数成形制造类企业很少应用数值模拟仿真技术。与国外企业相比，软件技术应用水平尚有明显差距。

国外研究生教育非常注重应用基础知识教育，强调创新能力、研究潜力和实践能力的培养，将创新思维、研究能力、实践能力以及终生学习能力培养放在教育的首位，并有稳定的实习基地和良好的实验条件［3-9］。麻省理工学院材料类专业采用“研究生科研计划活动”教学方法，即：博士生、硕士生和本科生一起进行科研训练和学术研讨［3，10-13］。 日本高校注重创造性人才培养，增设创造性教育科目，并使其与专业科目相融合，形成完整的体系化课程结构。

我国也正在逐步接受国外先进教育理念，并形成具有中国特色的创新教育体系。目前，我国高等教育的重点是培养高级创新型人才，这对创新教育理论研究、政策扶持与资金投入提出了更高的要求。目前非常需要大批具有坚实教育教学基础理论，熟练掌握教育教学方法与现代教育心理，具备教学科研素养和富有创新精神的高校教师队伍［14,15］。

中国和韩国培养研究生之间的差异在于，韩国大学研究生具有很强的自主学习能力，能够在较短时间内通过学习软件来解决具体的工程问题，韩国高校对研究生进行了多样性教学教育模式；值得欣慰的是，我国高校正在大力开展研究型学习教育方法的研究与实践，改变传统教育教学方式，努力培养创新型人才，如清华大学、北京大学、华中科技大学、复旦大学、上海交通大学等都取得了良好的教研效果［5，8，13］。

2 多样性训练模式

2.1 工作目标

调整和完善多种成形加工有限元仿真教学理论知识、软件操作知识及实践训练内容体系，以培育和提升学生的高级仿真能力，同时激励学生参加各种仿真竞赛、学术研讨与质量论文撰写。动态耦合高级仿真知识，培养学生全新的仿真创新能力和科研素质，探索多学科交叉的材料加工领域高层次创新型人才的教育模式和训练方法，形成多层次创新人才培养新体系。

2.2 教学模式

2.2.1人才培养方案

我国对研究生培养与社会对高层次才需求之间的内在关系关注不够，还要进一步探索适应工业、社会发展要求的人才培养模式。通过调研对材料加工高级仿真创新型人才需求量大的大型国有企业、军工企业、研究院所，了解创新型人才的需求，探索材料加工工程、机械制造工程等制造类学科高级仿真人才的特征，界定工业材料加工研究生仿真创新能力特性。根据仿真人才需求特征，完善架构冲压、锻造、粉体成型、铸造、焊接和特种成形加工有限元仿真教学理论知识、软件操作知识及实践训练的教学内容体系。

2.2.2多样性教育模式与方法

培养模式是指在一定的教育思想和教育理论的指导下，为实现培养目标而采取的培养过程的某种标准构造样式和运行方式，它在实践中形成了一定的风格或特征，具有明显的系统性与范型性。新型多样性教育涵盖冲压、锻造、粉体成型、铸造、焊接和特种成形等工艺仿真教学理论知识、软件操作知识，注重学生的有限元基础知识，注重仿真实践训练。

2.2.3利用工程课题研究提升学生的仿真能力

开展多种形式的产学研合作，在合作研究中发现企业需要解决的工程问题，鼓励学生对具体工程实践问题进行仿真分析，以培养学生主动学习、自我管理、不断创新的能力。

2.2.4建立定量评价体系

评价体系的重要性，在于它既是培养质量好坏的评判依据，又关系到教学主体的积极性。高级仿真人才能力培养模式效果不能简单地用课题组鉴定、教师评分或学生评价来衡量。学生的独立探索和创新能力是否得到提高，虽然很难进行定量评判，但是可以运用高级仿真人才能力培养模式的评价指标谱图，分析材料加工有限元数值模拟仿真教学模式的普适性及其相互关系。

2.3 教学特色

提升学生高级仿真能力的多样性教育模式和训练方法，符合现代加工制造类工业发展对高级人才创新能力的培养要求。

强化材料、机械、电气、计算机等知识交叉，由此凝练具体的仿真需求，以课题为高级仿真实践培养主要依托，鼓励研究生在具体工程实际问题的仿真实践中强化主动学习、自我管理、不断创新，深刻体会多场多尺度动态耦合高级仿真思想并持续提升仿真水平。

3 多样化训练模式实践

3.1 软件和硬件建设

已建立基于研究所的硕博教学科研基地，形成了基于仿真训练内容多样性和训练形式多样性的训练模式，培养毕业具备高级成形仿真能力的硕士80余名、博士10名；12年来研究所团队获得四项成形仿真软件在西南地区的代理权，在国内塑性成形仿真方面工程案例最多，拥有中国塑性成形仿真领域首席专家（中国锻压行业协会授予），受邀主编行业丛书《锻造工艺模拟》、参编《中国锻压行业研究进展》。

2000年，依托“材料加工工程”硕士及博士点、“材料学”国家重点学科、“材料加工工程”重庆市重点学科，创办重庆大学先进成形技术及装备研究所，开展成形工艺与装备方面的科研与教学工作，长期致力于应用信息化、数字化、绿色化技术改造和提升汽车、摩托车、航空航天、船舶等制造业。同美国SFC、美国ETA、韩国ANYCAST、德国Simufact展开战略合作，先后取得了体积成形仿真软件Deform、板料成形仿真软件Dynaform、铸造成形仿真软件Anycasting、轧制成形仿真软件Simufact在西南地区的代理权，承担对这些软件最新版本的率先应用体验，承担对这些软件的大范围推广及各种技术支撑。

3.2 仿真类课程体系建设

以最先进的成形仿真分析软件为教学科研资源，重庆大学成为继上海交大国家模具工程技术中心、华中科技大学塑性成形模拟国家重点实验室之后，在国内较早开办材料成形数值模拟仿真类研究生教育的高校之一。在国内较早开设了硕士专业学位课程 《塑性成形模拟技术》、《液态与连接成形模拟技术》、《计算机在材料科学工程中的应用》、《计算机辅助设计》以及博士学位课程《有限元法》，并且在本科生中开设了《塑性成形数值模拟》、《铸造成形模拟技术》、《材料成形CAD/CAM/CAE》选修课。近12年来，研究所针对“当前形势下工科研究生需面向现代工业发展需要”的培养新要求，完善架构了冲压、锻造、粉体成型、铸造、焊接和特种塑性加工有限元仿真教学理论知识、软件操作知识及实践训练内容体系，对硕博创新人才培养模式、培养方案进行改革与实践，开展形式多样的产学研合作，如实习制、科研项目制、联合研发中心制、联合硕士/博士/博士后工作站制、企业挂职制等，以合作研究项目为主要培养依托，在项目研究过程中从事大量具体工程实际问题的仿真分析，学生运用软件分析解决具体成形质量问题的能力迅速提高，由此不断推动成形工艺的创新及优化。由此，构建出高层次仿真创新人才培养链条。

3.3 教研改革创新的部分成果

经过2011年重庆市高等教育教学改革项目《体验式教学模式下的工科素质拓展研究》、2006年重庆市高等教育教学改革项目《材料成形及控制工程专业与校外实践教育基地改革创新的研究与实践》、2005年重庆大学实验教学改革项目《模具 CAD/CAE实验教学体系》、2010年重庆大学重点教学改革项目《研究型大学材料-机械学科交叉专业设计中多维联动、并行把握的指导模式及实践》、2010年度“重庆大学精品课程”《材料成形CAD/CAE/CAM》的开展，取得了一系列的教研成果，也积累了宝贵的实践经验。

已经在材料加工工程学科的研究生教育教学实践中开展了形式多样的教学改革、课题研究与实践探索的教研活动。发表了研究生教育教学研究论文7篇，主编出版了研究生课程《塑性成形模拟》的教材《锻造工艺模拟》，独著出版专著（研究生课程教辅）《镁合金热塑性变形行为数值表征》，获得2005年和2010年重庆大学教学改革项目、2006和2011年重庆市高等教育教学改革项目、第四届中国教育教学创新成果奖一等奖、全国创新教育教学科研成果奖大赛一等奖的支持。指导2008年研究生科技创新基金《可控拉深筋对高强度板盒形件拉深性能的影响》、2011年研究生科技创新基金《与800MN水压机工作特性匹配的TA15钛合金DRX-流变动态耦合模型》、2012年重庆大学研究生科技创新基金自主研究项目《基于DMM-FEM的耐热/难变形合金热塑性稳健变形参数与组织演化的协调控制机理研究》。并已经将多样性训练的培养方法贯穿于课堂教学、工程应用实践、学位论文指导等各个环节和部分，教学效果良好，由此受到校、学院、系等各级领导、教师和学生的良好评价。

4 结论

通过实践与研究认为，对于具有典型的材料-机械学科交叉特色的材料加工工程学科研究生，要提升仿真分析能力，一方面要大力推行研究型学习的教学训练方法，还要针对本专业的特色与市场需求，结合学生特点，着力进行多样性教学训练模式实践研究，以完善材料加工学科专业现代创新人才培养体系，促进材料加工工程领域多层次、多种类人才的成长。

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