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【中图分类号】G623.58 【文献标识码】A 【文章编号】1009-9646(2009)12-0037-02
【摘要】《计算机在材料科学中的应用》是随着计算机和材料科学发展而形成的一门交叉课程,具有较强的综合性和实践性。理论教学中,注重理论知识与科研成果的结合;实践教学中,采用Origin、Photoshop、Thermo-Calc 和ANSYS专业软件加强上机练习。通过本课程的学习,培养学生应用计算机解决实际问题的能力。本文介绍了作者在讲授本课过程中的一些经验和体会。
【关键词】计算机应用;材料科学;教学体会
Teaching Experience of the Course “Application of Computer in Materials Science”
Zhang YutuoYuan XiaJia DanWang Chengzhi
【Abstract】“Application of computer in materials science” is an intercross course which forms based on the development of computer and materials science. It is an integrated and practical course. The combination of theory with research achievement was emphasized during teaching lessons. The Origin, Photoshop, Thermo-Calc and ANSYS software were used in experiment teaching.The aim of this course is to culture the ability of students to solve practical problem using computer technology. The teaching experience is also introduced in this paper.
【Key words】computer application;materials science;teaching experience
材料科学与工程是一门研究材料的组成、结构、性能、制备工艺、使用性能以及它们之间的相互关系的科学。在材料科学研究的各个领域,计算机都得到了广泛应用,为材料科学家和工程技术人员提供了一种强有力的工具,极大地促进了材料科学研究的深入发展。《计算机在材料科学中的应用》是随着计算机和材料科学发展而形成的一门交叉课程,具有较强的综合性和实践性。通过本课程的学习,培养学生应用计算机解决实际问题的能力。几年来的教学活动,我们对这门课程在优化教学内容、改进教学手段等方面进行了一些有益的探索。
1教学特点和要求
本课程是我校金属材料工程专业的专业基础课、必修。通过本课程的学习,使学生掌握计算机在材料科学中应用的一些基本概念和基本方法;能够进行一般计算;了解计算机在材料科学与 工程中的新技术和基本应用。教材采用许鑫华、叶卫平主编的《计算机在材料科学中的应用》(机械工业出版社,2003)。48学时,其中10学时为上机操作。
计算机在材料科学中的应用主要体现在以下几个方面:一是计算机材料设计,目的在于优化新材料的设计方法;二是材料制备工艺的计算机模拟,目的在于优化材料制品的组织和性能。计算机模拟能够将材料的成分、工艺、组织和性能和使用性能有机结合起来,避免了材料研制与应用的脱节。三是材料研究科学中的数据和图形处理。四是材料检测方面的应用,目前主要集中于材料的成分、组织结构与物相、物理性能的检测,以及机械零件的无损检测等方面。五是材料加工的计算机自动化控制。六是材料数据库及基于Web的材料信息应用等。这些无论是基本的操作技能还是应用技术方面对教师都提出了较高的要求。
第一、任课教师不仅要懂得计算机的相关知识,还必须熟悉材料科学与工程的专业技术知识,掌握计算机在材料科学与工程中应用的领域和现状、计算机应用的原理和操作方法以及计算机在本专业的发展趋势等。
第二,要求任课教师要掌握计算机语言和一些专业软件的应用,熟悉这些软件的基本功能和操作,并具有从事计算机应用的基础等。
2优化教学内容,合理调整各章内容
结合本专业的具体情况,理论教学重点介绍了计算机模拟的基本概念和基本知识、温度场与浓度场计算、相图计算、数据处理与图形分析以及材料数据库等,注重理论知识与科研成果的结合。教学中我们对各章节内容进行了调整和补充,例如第一章材料科学研究中的数学模型中,补充了模型、模拟、模拟的尺度以及模拟中常用的方法等基本知识。第二章材料科学研究中常用的数值分析方法与第三章中的温度场的计算相结合。有限差分法的差分格式以温度场方程为例,讲解显示差分格式、完全隐式差分格式、六点差分格式以及带权差分格式。第三章温度场计算中的边界条件,除了讲授教材上三种换热条件外,另外结合金属凝固与材料加工过程的生产实际,列举了一些常见的边界条件,例如绝热边界条件,在处理涉及保温材料有关的问题时,有时对与保温材料接触的某些部位可应用这个边界条件。这些调整把联系密切的知识结合在一起,使学生通过系统的学习与分析,了解这些基本技术与原理,起到了良好的教学效果。
实践教学中,采用Origin、Photoshop、Thermo-Calc 和ANSYS专业软件加强上机练习。重点强化Origin和Thermo-Calc软件的使用。Origin软件具有强大的数据处理、绘图分析功能以及非线性曲线拟合和寻求经验公式等。掌握Origin软件的使用,可以实现对几乎所有的实验数据的快速处理,且绘出的图形精致美观。相图广泛应用于材料研究及材料工程,用以了解材料的组成,微结构和工艺条件之间的关系。Thermo-Calc软件是一款始于1981年的计算软件,可用于计算相平衡、相图、相变以及相应的热力学性质,被广泛应用于化学、冶金、材料科学、合金设计、生物化学、半导体等领域。相图在材料学中的主要作用是指导材料设计,人们称它是材料科学的“地图”。要求学生上机时能够利用Thermo-Calc软件绘制Fe-C和Fe-Cr-C相图,并利用Origin软件把Fe-C相图中奥氏体到铁素体转变开始温度曲线Ae3拟合分析。通过课堂教学与上机实践,学生掌握了一些相图的计算,能够做出常见的二元和三元相图。
此外,充分发挥多媒体课件的优势,激发学生学习热情。目前的教学过程中,多媒体教学已成为常规教学手段,制作精美的幻灯对教学起到了很好的辅助作用。在进行绪论学习时,我们并没有一上课就直入计算机在材料科学中的应用,而是通过幻灯展示了以计算机模拟为基础的材料科学与工程的新四面体关系,通过图例讲解模拟的尺度与对应的模拟方法及其应用领域,计算机工艺模拟常用的软件及其描述。这样使学生摆脱了课本枯燥无味的感觉,极大地激发了学生的学习热情。
3教学与科研成果相结合
在授课过程中将基础理论中的知识点和学科发展的前沿有机的结合起来,把与课程相关的科研成果与教学结合。例如第四章材料科学与行为的计算机模拟中组织转变的计算机模拟与热轧带钢组织与性能预科研成果结合。结合以前课题“新一代钢铁材料的成分、工艺、组织、性能集成模拟”的软件开发。重点讲解了钢的冷却相变模块的建模和相变模拟。利用物理冶金、热加工、相变等规律,建立热轧带钢冷却过程中奥氏体向铁素体和珠光体的相变模型和连续冷却过程中相变的计算方法。在讲授计算机模拟在材料科学中应用时,阐述了计算机模拟的主要目的是通过建立模型将理论与实验工作直接结合起来。模拟进一步完善理论和实验研究。实验研究仅能揭示材料真实性的小部分内容,其余内容需要借助于计算机模拟技术。例如钢在高温成形中的组织变化,很难采用实验的手段获得,需要根据理论建立模型;通过模型模拟进行材料设计或工艺设计,以达到提高性能和使用性能、节约资源、减少环境污染或降低成本的最佳状态,这是材料科学与工程最终努力目标。计算机模拟提供了高质量、无实物消耗的设计和电脑生产,可以部分或全部地替代耗资费时的实验过程,实现“新产品的一次研发成功”和大型关键铸件的“一次制造成功”,从而节省人力和物力,改善环境,符合科学的发展观。例如三峡水轮机转轮铸件,由于大件形大体重,迫切要求“一次制造成功”,一旦报废,损失惨重,无法挽回。如果依靠传统的经验、半经验试错法,事半功倍,甚至耗费大量的人力和物力,无功而返。通过课本知识与科研结合,科研成果进课堂,不仅激发了学生的学习热情,而且增强了学生的学习自信心。
总之,注重本课程的特点,强调计算机在材料科学与工程研究中的实用性,通过多媒体技术辅助教学,教学方式、手段多样化,提高了学习兴趣,调动了学生学习的积极性,将理论知识与生产实际有机地结合,科研成果融入课堂,培养学生的基本技能和科研意识,从而提高了教学效果。
参考文献
[1]樊新民, 孔见, 孙斐,编著. 材料科学与工程中的计算机技术[M].徐州:中国矿业大学出版社, 2000.12
[2]杨全, 张真编著.金属凝固与铸造过程数值模拟[M].杭州:浙江大学出版社, 1998.10
[3]李依依, 李殿中, 朱苗勇等著.金属材料制备工艺的计算机模拟[M].北京:科学出版社,2006.6
[4]陈文革, 魏劲松, 谷臣清. 计算机在材料科学中的应用[J].《材料导报》, 2000年, 14(2):20-21
【摘要】《计算机在材料科学中的应用》是随着计算机和材料科学发展而形成的一门交叉课程,具有较强的综合性和实践性。理论教学中,注重理论知识与科研成果的结合;实践教学中,采用Origin、Photoshop、Thermo-Calc 和ANSYS专业软件加强上机练习。通过本课程的学习,培养学生应用计算机解决实际问题的能力。本文介绍了作者在讲授本课过程中的一些经验和体会。
【关键词】计算机应用;材料科学;教学体会
Teaching Experience of the Course “Application of Computer in Materials Science”
Zhang YutuoYuan XiaJia DanWang Chengzhi
【Abstract】“Application of computer in materials science” is an intercross course which forms based on the development of computer and materials science. It is an integrated and practical course. The combination of theory with research achievement was emphasized during teaching lessons. The Origin, Photoshop, Thermo-Calc and ANSYS software were used in experiment teaching.The aim of this course is to culture the ability of students to solve practical problem using computer technology. The teaching experience is also introduced in this paper.
【Key words】computer application;materials science;teaching experience
材料科学与工程是一门研究材料的组成、结构、性能、制备工艺、使用性能以及它们之间的相互关系的科学。在材料科学研究的各个领域,计算机都得到了广泛应用,为材料科学家和工程技术人员提供了一种强有力的工具,极大地促进了材料科学研究的深入发展。《计算机在材料科学中的应用》是随着计算机和材料科学发展而形成的一门交叉课程,具有较强的综合性和实践性。通过本课程的学习,培养学生应用计算机解决实际问题的能力。几年来的教学活动,我们对这门课程在优化教学内容、改进教学手段等方面进行了一些有益的探索。
1教学特点和要求
本课程是我校金属材料工程专业的专业基础课、必修。通过本课程的学习,使学生掌握计算机在材料科学中应用的一些基本概念和基本方法;能够进行一般计算;了解计算机在材料科学与 工程中的新技术和基本应用。教材采用许鑫华、叶卫平主编的《计算机在材料科学中的应用》(机械工业出版社,2003)。48学时,其中10学时为上机操作。
计算机在材料科学中的应用主要体现在以下几个方面:一是计算机材料设计,目的在于优化新材料的设计方法;二是材料制备工艺的计算机模拟,目的在于优化材料制品的组织和性能。计算机模拟能够将材料的成分、工艺、组织和性能和使用性能有机结合起来,避免了材料研制与应用的脱节。三是材料研究科学中的数据和图形处理。四是材料检测方面的应用,目前主要集中于材料的成分、组织结构与物相、物理性能的检测,以及机械零件的无损检测等方面。五是材料加工的计算机自动化控制。六是材料数据库及基于Web的材料信息应用等。这些无论是基本的操作技能还是应用技术方面对教师都提出了较高的要求。
第一、任课教师不仅要懂得计算机的相关知识,还必须熟悉材料科学与工程的专业技术知识,掌握计算机在材料科学与工程中应用的领域和现状、计算机应用的原理和操作方法以及计算机在本专业的发展趋势等。
第二,要求任课教师要掌握计算机语言和一些专业软件的应用,熟悉这些软件的基本功能和操作,并具有从事计算机应用的基础等。
2优化教学内容,合理调整各章内容
结合本专业的具体情况,理论教学重点介绍了计算机模拟的基本概念和基本知识、温度场与浓度场计算、相图计算、数据处理与图形分析以及材料数据库等,注重理论知识与科研成果的结合。教学中我们对各章节内容进行了调整和补充,例如第一章材料科学研究中的数学模型中,补充了模型、模拟、模拟的尺度以及模拟中常用的方法等基本知识。第二章材料科学研究中常用的数值分析方法与第三章中的温度场的计算相结合。有限差分法的差分格式以温度场方程为例,讲解显示差分格式、完全隐式差分格式、六点差分格式以及带权差分格式。第三章温度场计算中的边界条件,除了讲授教材上三种换热条件外,另外结合金属凝固与材料加工过程的生产实际,列举了一些常见的边界条件,例如绝热边界条件,在处理涉及保温材料有关的问题时,有时对与保温材料接触的某些部位可应用这个边界条件。这些调整把联系密切的知识结合在一起,使学生通过系统的学习与分析,了解这些基本技术与原理,起到了良好的教学效果。
实践教学中,采用Origin、Photoshop、Thermo-Calc 和ANSYS专业软件加强上机练习。重点强化Origin和Thermo-Calc软件的使用。Origin软件具有强大的数据处理、绘图分析功能以及非线性曲线拟合和寻求经验公式等。掌握Origin软件的使用,可以实现对几乎所有的实验数据的快速处理,且绘出的图形精致美观。相图广泛应用于材料研究及材料工程,用以了解材料的组成,微结构和工艺条件之间的关系。Thermo-Calc软件是一款始于1981年的计算软件,可用于计算相平衡、相图、相变以及相应的热力学性质,被广泛应用于化学、冶金、材料科学、合金设计、生物化学、半导体等领域。相图在材料学中的主要作用是指导材料设计,人们称它是材料科学的“地图”。要求学生上机时能够利用Thermo-Calc软件绘制Fe-C和Fe-Cr-C相图,并利用Origin软件把Fe-C相图中奥氏体到铁素体转变开始温度曲线Ae3拟合分析。通过课堂教学与上机实践,学生掌握了一些相图的计算,能够做出常见的二元和三元相图。
此外,充分发挥多媒体课件的优势,激发学生学习热情。目前的教学过程中,多媒体教学已成为常规教学手段,制作精美的幻灯对教学起到了很好的辅助作用。在进行绪论学习时,我们并没有一上课就直入计算机在材料科学中的应用,而是通过幻灯展示了以计算机模拟为基础的材料科学与工程的新四面体关系,通过图例讲解模拟的尺度与对应的模拟方法及其应用领域,计算机工艺模拟常用的软件及其描述。这样使学生摆脱了课本枯燥无味的感觉,极大地激发了学生的学习热情。
3教学与科研成果相结合
在授课过程中将基础理论中的知识点和学科发展的前沿有机的结合起来,把与课程相关的科研成果与教学结合。例如第四章材料科学与行为的计算机模拟中组织转变的计算机模拟与热轧带钢组织与性能预科研成果结合。结合以前课题“新一代钢铁材料的成分、工艺、组织、性能集成模拟”的软件开发。重点讲解了钢的冷却相变模块的建模和相变模拟。利用物理冶金、热加工、相变等规律,建立热轧带钢冷却过程中奥氏体向铁素体和珠光体的相变模型和连续冷却过程中相变的计算方法。在讲授计算机模拟在材料科学中应用时,阐述了计算机模拟的主要目的是通过建立模型将理论与实验工作直接结合起来。模拟进一步完善理论和实验研究。实验研究仅能揭示材料真实性的小部分内容,其余内容需要借助于计算机模拟技术。例如钢在高温成形中的组织变化,很难采用实验的手段获得,需要根据理论建立模型;通过模型模拟进行材料设计或工艺设计,以达到提高性能和使用性能、节约资源、减少环境污染或降低成本的最佳状态,这是材料科学与工程最终努力目标。计算机模拟提供了高质量、无实物消耗的设计和电脑生产,可以部分或全部地替代耗资费时的实验过程,实现“新产品的一次研发成功”和大型关键铸件的“一次制造成功”,从而节省人力和物力,改善环境,符合科学的发展观。例如三峡水轮机转轮铸件,由于大件形大体重,迫切要求“一次制造成功”,一旦报废,损失惨重,无法挽回。如果依靠传统的经验、半经验试错法,事半功倍,甚至耗费大量的人力和物力,无功而返。通过课本知识与科研结合,科研成果进课堂,不仅激发了学生的学习热情,而且增强了学生的学习自信心。
总之,注重本课程的特点,强调计算机在材料科学与工程研究中的实用性,通过多媒体技术辅助教学,教学方式、手段多样化,提高了学习兴趣,调动了学生学习的积极性,将理论知识与生产实际有机地结合,科研成果融入课堂,培养学生的基本技能和科研意识,从而提高了教学效果。
参考文献
[1]樊新民, 孔见, 孙斐,编著. 材料科学与工程中的计算机技术[M].徐州:中国矿业大学出版社, 2000.12
[2]杨全, 张真编著.金属凝固与铸造过程数值模拟[M].杭州:浙江大学出版社, 1998.10
[3]李依依, 李殿中, 朱苗勇等著.金属材料制备工艺的计算机模拟[M].北京:科学出版社,2006.6
[4]陈文革, 魏劲松, 谷臣清. 计算机在材料科学中的应用[J].《材料导报》, 2000年, 14(2):20-21