“焊接過程數值模擬”課程教學建設與實踐

湛蘭 廖平 馬振 莊明輝 秦湘閣

摘?要：應國際工程教育認證的畢業要求，在對傳統工科教育持續改革的過程中，借助計算機輔助手段，開設“焊接過程數值模擬”課程，培養學生獨立預測并解決復雜工程問題的能力。本文從教學目標的建立、教材的選用、導向性教學內容的優化設計、教學成果的監測等方面，建立以學生為中心的“焊接過程數值模擬”實踐課程，為學生與企業接軌奠定了良好的基礎。

關鍵詞：焊接技術與工程專業；復雜工程問題；課程建設；教學改革

隨著高科技信息化時代的飛速發展，材料學科也迅速與計算機結合，其交叉學科已成為科學研究的重點方向。同時利用計算機輔助教學、分析數據已成為材料學科實踐教學不可或缺的環節，也是目前工程專業認證和新工科背景下理論與實踐教學改革的重要手段［1］。在教學過程中，我校為了學科發展建設，在焊接技術與工程專業開設了“計算機在材料中的應用”課程。該課程可輔助學生提高實驗數據處理和圖像分析的能力，幫助學生增強復雜工程問題的分析和解決能力。

然而，由于焊接技術作為金屬材料連接的方法，目前還沒有其他方法能夠代替，因此其不但應用范圍廣（如造船、航空航天、鐵路交通、儲運等領域），而且一些重要結構對焊接質量要求非常高，一旦焊接接頭出現問題，將會造成無法挽回的事故，因此，我們不但要培養學生解決復雜焊接工程問題的能力，還要培養學生預測和模擬并排除可能會發生的工程問題。我校為了對接企業的需求，培養出符合新時代新工科背景下的復合型人才，對焊接專業的實踐課進行改革，在“計算機在材料中的應用”課堂基礎上開設了“焊接過程數值模擬”實踐課程，專為提升焊接專業學生的結構設計能力和預測及解決復雜工程問題能力，建立了全新的課程內容。

1?數值模擬在焊接過程中的研究進展

焊接過程具有局部溫度高、弧光強、速度快等特點，對于焊接過程的觀察帶來了難度，從而無法使學生深入理解焊接專業中的基本理論。同時焊接工藝參數的選取，不斷實驗帶來了材料上的浪費。隨著高校先進教學手段和教學方法逐漸受到重視，利用計算機軟件模擬焊接過程，不僅可以再現實驗中無法觀測到的現象，還可不斷重復，成為焊接專業教學過程和實驗過程中的重要補充［2］。因此焊接過程仿真模擬依靠計算機技術的革新也不斷發展壯大，目前可進行焊接過程數值模擬的軟件有ABAQUS、ANSYS、SYSWELD、SIMUFCATWELDING、DEFORM、COMSOL等。同時，根據熱源模型的選擇可模擬各種熔焊焊接過程中溫度分布、殘余應力分布及變形，還可以模擬攪拌摩擦焊、壓力焊及爆炸焊等特種焊接方法。這對于學生理解焊接理論知識及解決復雜工程問題尤為重要，同時利用生動形象的模擬結果可提高教學質量。

2?“焊接過程數值模擬”的課程設置

2.1?準確定位課程目標

課程目標作為專業教育的靈魂，它是確定課程內容、教學目標和教學方法的基礎［3］。因此，課程目標對于整個課程的設置起到指導作用?！昂附舆^程數值模擬”是佳木斯大學焊接技術與工程專業的專業課程之一。在新工科建設和工程教育認證的背景下，本課程以專業培養目標為指導，首先較系統地介紹焊接的數值模擬技術及應用領域，讓學生全面地了解該領域國內外的研究現狀和進展。進而從服務企業和繼續深造兩個角度，制定相應的課程目標，為焊接技術與工程專業的高質量人才培養提供了有力支撐，為學生具備解決工程問題能力提供實踐平臺。本課程的課程目標具體設置如下：

（1）熟練運用ABAQUS等大型有限元模擬軟件，為學生拓寬就業環境或進一步學習深造奠定基礎。

（2）基于焊接方法的工作原理，結合材料熱物理性能和力學性能建立焊接過程有限元模型，為學生開展焊接專業創新大賽及畢業設計增加技術研究手段。

（3）通過建立不同焊接方法的焊接過程數值模擬實例，能夠獨立解決焊接傳熱過程對焊接接頭影響的分析，以及對焊后焊縫變形及殘余應力的分析為學生解決復雜焊接工程問題的實際應用提供性能預測、結構分析等數據支持，設計滿足特定需求的焊接工藝參數，培養學生參與材料學相關工作的實踐應用能力。

2.2?教材選用

教材是課程的核心，選擇一本好的教材對于完成課程目標尤為重要。為了讓本科生也可以對焊接數值模擬有所了解，大連交通大學金成編著了《焊接過程的數值模擬》，以實操及實例為主介紹了熔焊、攪拌摩擦焊、壓力焊等焊接方法的模擬過程。我們把這本書作為本科“焊接過程數值模擬”這門課程的教材。本書主要以ABAQUS軟件為例，介紹了ABAQUS軟件的使用及在焊接過程中的應用。此外，我們在教學過程中還增加了SYSWELD和SIMUFCATWELDING的軟件安裝及應用，并讓學生采用三個軟件模擬并進行結果對比。

2.3?教學內容優化設計

基于工程教育專業認證的基本理念——“以學生為中心，以學習成果為導向，持續改進”，即OBE理念［45］，利用學科交叉，輔助專業課程鞏固基礎，夯實專業知識，提升應用能力，建立解決工程問題的思維是本課程的基本教學思路。教學內容設計上，以學生未來的就業和繼續深造需求為導向，結合企業對人才的需求和科研對學生素養的要求，合理優化教學內容，將大學四年所學的相關課程基礎知識進行高度融合，包括材料學與物理學、化學、力學、計算機、制圖等學科知識，體現課程對所學知識的整合，實現培養學生綜合應用能力的目標。

我校最新制定的教學大綱中，“焊接過程數值模擬”課程在第七學期開設，總學時為32，其中理論教學為16學時，實踐學時為16學時。教學內容主要包括焊接物理過程基礎、有限元軟件基礎、材料熱物理性能設置、焊接熱力模擬過程建立、結果可視化以及模擬結果數據分析等。通過大量實踐讓同學們熟練地操作軟件的同時，充分地理解課程在工程中的應用。每部分內容具體如下：

（1）在回顧焊接熱物理過程中不但涉及焊接冶金學、材料焊接性、電弧焊方法、焊接結構等專業知識，還包括材料力學性能等專業基礎知識，將整個焊接專業所學知識進行精細融合，學生通過這些知識對每種焊接過程進行充分理解，將焊接過程的每一個細節進行拆分，如對CO2氣體保護焊板板對接過程進行模擬，其中兩個板的位置、熱源形狀、焊接過程中的熱擴散、板的邊界條件等都需要學生對其詳細分析，整個過程學生增強了利用本專業知識構建合理的模型。

（2）在有限元軟件學習過程中，主要學習有限元軟件的基本原理和使用方法，并通過第一部分對各種熔焊方法焊接過程的分析，在ABAQUS軟件中建模。本部分作為實踐課，采用上機+實例教學的模式講授。實例中包括柵管的散熱過程中涉及的熱傳導和鋁合金TIG焊焊縫處的溫度場、應力場分析等實踐操作練習，使學生逐步理解軟件的功能。并通過實例對網格劃分、分析步的建立和邊界條件設置進行講解，學生可以在實踐中理解各個步驟的意義。在求解過程中，針對結果介紹軟件的求解原理，讓學生對軟件的計算過程有更深刻的理解。

（3）為了鍛煉學生獨立解決問題的能力，在實踐課程后，對每個實例要進行舉一反三，更換不同焊接方法或對其他材料進行相同的焊接過程。由于不同材料的熱物理性能不同，需要同學們自己查閱文獻或通過其他軟件計算，給學生更多的發揮空間，增強自學能力。此外，讓同學們接觸到企業實際遇到的焊接問題，使學生提前體驗為企業解決復雜工程問題的過程，在結果分析過程中還將用到“計算機在材料中的應用”課程中學到的Origin、Photoshop等數據分析軟件，最終每一個完成的問題要用PPT進行匯報總結，實現對學生綜合能力的培養。

2.4?教學過程設置

由于學生在本科教學中沒有學習到數值解析課程，因此對本課程中數值模擬的理論部分難于理解，在教學過程中需盡可能結合學生已有的知識和淺顯的案例，也可更好地理解數值解析中的一些公式。例如，在數值模擬方法的講解中，引入由哈工大畢業生萬龍創辦的萬洲焊接技術有限公司的簡介，結合該公司智能裝備研究中應用數值模擬的案例視頻，直觀了解什么是數值模擬及其應用，激發學生的學習興趣，并鼓勵學生創新創業。在講授過程中，通過提問引發學生對已學知識與課堂內容進行關聯，從而實現對課堂內容的理解和掌握，讓學生從中體驗專業知識與計算機知識的交叉融合。此外，在實踐教學中，采用翻轉課堂的教學模式，由4～6名學生組成一個學習小組，分配給每個小組相同的焊接工程問題，每個小組選出負責人，并進行分工合作，查閱相關文獻確定問題中所涉及的數據參數，小組內進行對案例的研討，結合前期案例分析過程，提出“如何設計模型，采用哪種方法來解決存在的問題”“根據所做模擬結果得出什么結論”和“還有哪些問題可以采用同樣的方法解決”三個問題，各個小組為競爭關系，每個小組通過組員的配合，爭奪成為第一個解決問題的小組，這種模式既培養了學生之間的溝通能力，又鍛煉了他們解決問題的能力，拓寬視野，熟練模擬操作方法。

2.5?多種教學方法的相互結合

“焊接過程數值模擬”是一門綜合知識應用很強的課程，在當前大環境下，線上線下結合已經成為教學的常態，借助互聯網，本課程的實踐課內容也可順利進行，通過共享軟件界面，隨時可查看學生的模擬進度。作業答疑可采用騰訊會議等完成，學生遇到問題也能夠隨時通過網絡發給老師。具體的教學方法如下。

2.5.1?案例教學法和創造性教學法相結合

在上課初期，學生對該課程的學習目的不是很明確，并且覺得課程難度大，從開始上課就失去信心。在這種情況下，我們采用企業中的真實案例與教材內容相互融合，如高速軌道客車側墻焊接中為防止焊接變形焊接方法如何選擇的問題。通過多媒體教學，學生從觀看案例視頻到親自動手解決問題，切實感受通過學習本課程，在企業中可發揮的作用。在案例教學法中，通過校企合作和校友支持，還可獲得企業的最新動態，在大量案例中選出適合學生解決的問題，在分組完成過程中，鼓勵學生在解決方案上創新，同一個問題由2～3個小組同時且采用不同方法或不同的模擬軟件進行解答，學生發揮自己對所學知識的理解并加以應用。這種案例法與創造性教學法相融合的方法，可開拓學生的思路，在發散思維中獲得更多的可能性，既培養學生的學習興趣，調動學生的學習積極性，又為學生就業奠定了基礎。

2.5.2?項目驅動與任務教學法相結合

項目驅動是以問題的形式引發學生對問題的思考，以問題為導向，激發學生的學習興趣，然后將每個問題轉變為任務，學生通過對問題的興趣程度，自由組隊領取任務。每個小組對任務內的問題進行組內討論及分工，借助互聯網查閱和收集資料，進行模擬計算及數據分析，最終將結果以PPT的形式進行匯報，此外，總結歸納這一類問題的解決方案。該模式既可以鍛煉學生的自主思考能力，開拓學生的思維，鼓勵學生進行創造，同時又增加了學生之間的信任與合作，對于創新型人才的培養有積極意義。學生通過這種形式的鍛煉，都變得更加自信，面對問題不再迷茫，常常要挑戰更高難度的項目。

3?“焊接過程數值模擬”課程的教學監測與后期評價

“焊接過程數值模擬”作為以實踐為主的專業選修課，在課程考核方面更注重實踐操作環節，因此，期末考試不采用筆試的方式，而是設定不同的項目，學生以抽簽的方式獲得題目，在一周內完成設計方案，得到模擬結果并分析，最終以課程報告的形式上交。期末總成績便由平時上機實踐成績和期末課程報告兩部分構成，其中，平時成績占40%，期末上機考試占60%。平時成績包括出勤、上機實踐和作業，這部分主要根據每位學生上機實踐和平時作業的表現加以評判，并且將分數細化到基本操作的得分，課堂出勤和互動問答的得分，外延操作的得分以及報錯信息修正能力的得分，來全面衡量學生的實際操作能力。課程報告部分則根據每位學生解決問題的方案、模擬步驟是否正確、模擬結果分析是否到位、報告的詳細程度及表達是否準確五部分得分。通過以上方式全面考核學生在本課程中的學習程度，從而反映出學生在解決工程問題方面的能力是否得到明顯提高。除了通過期末考核檢測教學效果，還包括教學院長和督導的聽評課，以及教師在網絡平臺的作業、教學資源、答疑次數等數據對本課程的教學質量和教學效果進行評價。

當然最直觀的效果則是學生在參加比賽和完成畢業設計過程中明顯表現出動手能力有了很大的提升。目前，大一、大二、大三的學生對本課程都非常期待，并且對模擬軟件產生了濃厚的興趣，有些學生甚至在課余時間自學或者到課堂上聽課。此外，由于會使用模擬軟件，學生在就業和考研時也更具競爭力。學校在對用人單位回訪調研中發現，企業普遍反映，學習過焊接模擬軟件的學生在解決和分析問題方面的能力更強，得到了企業的高度認可。

結語

在工程教育和新工科背景下，為了提高學生解決復雜工程問題的能力而設立的“焊接過程數值模擬”課程，通過優化課程教學內容及對教學方式的探索，加強實踐教學與企業需求相結合，注重解決工程問題的能力和創新意識的培養，解放固定思維，鼓勵多視角看待問題、多種手段解決問題，最終建立了較為完善的課程教學體系。通過教學課程評價獲得了較好的反饋。隨著我國新材料研發、材料基因組計劃和人工智能預測的新科技革命的到來，焊接專業人才必將掌握計算機仿真手段預測和優化產品。因此，對于實用性極強的“焊接過程數值模擬”這門課，我們仍然需要不斷地根據企業的實際情況及時調整教學內容，同時嘗試更有效的教學方法，以培養出適應時代發展、滿足社會需求的大學生。

參考文獻：

［1］李美艷，韓濤，韓彬，等.數值模擬在焊接技術實驗課教學中的應用［J］.實驗技術與管理，2015，32（10）：5255.

［2］張強.工程教育認證下《計算機在材料科學中的應用》教學改革與探索［J］.廣州化工，2020，48（2）：156158.

［3］馬馳，于智，王濤，等.高分子材料專業《計算機在材料研究中的應用》課程教學改革與實踐［J］.高分子通報，2021，7：9498.

［4］高文斌，顧小燕，黎文航.工程教育OBE理念下的《材料力學性能》課程教學改革的探討［J］.科技視界，2021，05：32.

［5］李佳.以能力導向的材料成型專業實踐課程體系構建研究［J］.產學研理論與實踐，2020，28（17）：167.

基金來源：黑龍江省教育科學“十四五”規劃2022年度重點課題“新工科框架下材料類專業應用創新型人才培養模式研究”（項目編號：GJB1422680）；佳木斯大學教育教學改革研究項目“基于復雜焊接工程問題預測與模擬能力培養的教學改革與實踐”（項目編號：2021JY201）

*通訊作者：湛蘭（1985—?），女，漢族，吉林九臺人，博士，講師，研究方向：焊接專業課堂教學及實踐教學改革研究。