全国统编教材“计算机在材料科学与工程中的应用”编写指导思想及特点

【摘要】为适应材料科学与工程专业的教学需要,教材的内容在针对性的选择材料科学与工程中计算机应用的共性,兼顾材料科学与研究领域的广泛性、前瞻性和多学科渗透的特殊性,选择有代表性的应用领域进行介绍。内容包括:数值模拟中应用基础有限差分法和有限元法,物理场分析中的温度场及浓度扩散场分析,计算机在材料科学与工程控制中的应用从直接控制、模糊控制、多变量复杂控制、集散控制、控制管理一体化到虚拟仪表以及计算机在企业管理中的应用,计算机辅助设计、人工神经网络在材料设计、无机材料工业、有机材料工业、金属材料及复合材料应用实例及专家系统等。

【关键词】材料科学与工程 全国统编教材 计算机应用

【中图分类号】G64【文献标识码】A【文章编号】1009-9646(2008)11(a)-0127-02

1 前言

材料科学的发展是人类对客观物质世界的认识不断深化的结果。长期以来,人们一直按照材料的化学属性将其分为金属、无机和有机材料三大类。各类材料具有不同的化学键,因而具有不同的结构和特性。随着与材料性能和结构有关的学科的出现和现代测试技术的发展,使人类对材料的认识深入到了原子－电子层次,从而揭示了材料的组织、结构和性能之间的关系,为材料科学的建立奠定了基础。在此基础上,发现具有不同化学属性的材料之间仍存在着共同或相似的基础理论和规律。于是,金属材料、无机非金属材料和有机高分子材料已不再是孤立存在的学科,相互间的联系更趋密切,相互渗透更趋明显。人们不仅仅从原子、分子性能、化学键性来区分材料,更注重对大量材料性能与结构、制备工艺等关系的了解,因而既可以由材料的组成和结构来解释或推测其具有的性能,也可以通过改变材料的组成和结构来改变其性能,还可能根据对材料性能的预定要求来设计材料的组成和结构。这也使得原来可以比较容易区分的材料属性变得模糊起来。材料的宏观性能、材料的微观结构状态和材料的制备工艺技术及计算机在材料学科中的应用等均表现出相互联系、交叉和渗透的趋势。在材料科学的形成和发展过程中,理论上的新概念、技术上的新构思、工艺上的新方法不断涌现,各分支学科彼此间的交叉渗透更加普遍,这就从客观上对材料学科专业的人才培养以及对计算机在材料科学中的应用提出了更高的要求,不仅需要掌握本专业的基础理论和工业控制技术,还需要了解相邻专业的有关知识,即拓宽专业口径,以材料科学为基础研究和开发新材料、控制新材料的工业工程。与此相适应,材料科学与工程教育也处在不断改革和发展之中,专业口径拓宽和共同基础的加强以及更好的发挥先进的计算机技术为材料类专业教学改革的必然趋势。从材料类专业设置的原则及发展趋势来看,从窄口径向宽口径发展,从“小材料”或“中材料”向“大材料”过渡,从二级学科专业向一级学科专业发展是必然的方向,与此相应的教材也一定要适应这种发展的需要。

2 材料类各学科计算机应用课程设置的现状

由于过去各高等院校对材料类专业均是设立二级学科与专业方向。故各院校均采用根据本校的专业特点开设各有关的计算机应用课程,如原来华东理工大学干大川编著、孙承绪审校的“计算机在玻璃工艺计算中的应用” (由《玻璃》编辑部出版,1988年); 原武汉理工大学吴锡琪、李立华编著的《玻璃工业计算机应用技术》(武汉工业大学出版社出版,1989年);张钦柟 、甘潮元编译的《硅酸盐工业电子计算机应用》(中国建筑工业出版社出版,1982年);由原山东轻工业学院胡昌盛、刘永杰编著的?计算机在无机材料学与工程中的应用》(山东科技出版社出版,1994年);由黄稳山编著的《水泥厂中央控制室微机及仪表》(武汉理工大学出版社,1995年);郭献军主编的《微机在硅酸盐工业中的应用》(武汉理工大学出版社,1997年), 凡此种种都是针对某一小专业方向或某一应用对象要求而编写的,在内容编排上均有所偏重,这样的小专业教材已经无法适应大专业教材的要求.

由于计算机在现代工业中应用日益普遍并取得明显的成效.随着现代化建设的需要,原有计算机应用课程与专业的教育的联系显得很不适应,而在某些院校的专业设置中有的尚未有与专业直接相关的计算机应用课程更缺乏适用的教材。随着科学技术的发展,计算机软硬件技术的不断更新换代,计算机的应用技术也向深层次发展,应用的范围越来越广,应用的技术水平也越来越多。鉴于此,1988年5月在 武汉召开全国无机非金属材料类专业教材编审委员会,并决定统编“计算机在硅酸盐工业中的应用”教材。继而在1998年6月在广州华南理工大学召开的会议上编审小组确定了该书的编写要求和编审人员。由华东理工大学孙承绪主编、本人等参与编写硅酸盐类统编教材问世。然而由于专业范围也只是针对硅酸盐类专业如陶瓷、水泥、玻璃类适用更谈不上涵盖有机高分子材料、金属材料及复合材料等专业内容,故无法适应现在形势发展对大材料专业课程内容的需求。

3 新教材编写的指导思想

本课程的教学目的是使材料科学与工程类本科生或低年级硕士生对计算机应用于材料科学与工程方面有一定的认识,了解计算机应用于材料工程的思路、方法和手段。通过本课程的学习,使学生提高对计算机应用领域的了解,以及应用的理论水平和能力。为了适应材料科学与工程大专业发展的趋势、针对性的选择材料科学与工程中计算机应用的共性、兼顾材料科学与研究领域的广泛性、前瞻性和多学科渗透的特殊性,选择有代表性的应用领域进行介绍。具体编写中应体现如下:

(1)立足“材料科学与工程”大专业,加强学生对计算机应用的基础知识、基本方法的掌握,重在应用的思路和效果。既要考虑材料专业各研究方向的共性,又要兼顾材料科学研究领域的广泛性和与多学科的相互渗透性给计算机在材料科学中应用带来的复杂性和特殊性。

(2)要加强解决实际应用中出现问题能力的培养,让学生通过本课程的学习了解怎样将计算机技术用于解决材料科学与工程领域中的实际问题并使之能初步将计算机应用于后续专业课程学习和专业设计中去,培养学生应用计算机的动手能力。

(3)要体现计算机技术在材料领域取得的最新成果和最新动向。通过学习计算机技术这一强有力的工具在材料学科的应用,促进学生们对学习的兴趣,培养和引导学生的创新意识,为学生们在以后的工作中应用计算机解决实际问题打下一定的基础。

4 需要解决的问题

(1)本课程为材料类专业学生学习计算机应用的入门教材,故编写时应避免过多过深,尽量不出现电路、原理、结构类的详细分析和介绍。

(2)本书因涉及内容广泛,既要保持本书的完整性和系统性,又要避免与有关课程如计算机语言及操作、计算机应用基础、电工与电子技术、化工仪表与自动化、模拟电子技术、超导材料、计算机专业应用(高分子材料与工程)与计算机辅助设计、实验数据课等内容的重复。

(3)书中涉及计算机应用的例子应尽量提供各小专业中使用的共性例子,以适应个别院校小专业作为教材应用。

(4)各章节要求附上相关的思考题以便加深学生对各章节内容的复习和理解。

5 课程内容安排

全书共分6章,各章的内容分别如下:

①常用计算方法和数值模拟基础

②材料科学与工程中的物理场计算机分析

③计算机在材料科学与工程控制中的应用

④计算机在企业管理中的应用

⑤计算机辅助设计

⑥神经网络和专家系统在材料科学与工程中的应用

5.1 第一章

在第一章中重点介绍正交试验和数据处理技术,在实验设计中优选法主要用于只存在一个固定影响(决定)某一事物的特性或性能。而一般材料领域中的每一组分的变化都可能影响其变化即影响材料的性能的因素有多个,解决这些问题的最好方法是正交设计。通过正交设计的基本原理、基本方法、分析方法、水平不同的正交试验设计及有交互作用的正交试验设计和正交试验设计方差分析方法。正交试验设计的插值法和曲线拟合与最小二乘法、高斯消去法解线性方程组等学习,使学生对正交设计方法有比较全面的认识,对提供的有关程序编写可大大简化正交设计过程。

5.2 第二章

在第二章中介绍了材料科学与工程中都会接触到的有关温度场的概念,通过对导热方程的推导确定了求解一切导热问题的出发点并对导热微分方程初始条件和三边界条件进行了主要的介绍,并对平面稳态温度场和非稳态导热的有限差分求解方法进行分析和比较。在浓度场的内容中对扩散方程及用数值方法求解扩散方程的基本过程进行分析,并用生产中低碳钢渗碳过程作为例子对求解过程和实验结果进行对比。

5.3 第三章

在第三章中介绍了计算机控制系统的基本概念,包括在线控制和离线控制、实时控制、闭环控制和开环控制、直接数字控制和监督控制。从计算机的参数结构分析计算机作为工业控制所具备的特点。输入输出过程通道及抑制通道所产生干扰的方法。从材料工业应用比较多的PID控制、串级控制、前馈控制、模糊控制、多变量控制、集散控制到新型的控制管理一体化,虚拟仪器是指关于具有虚拟仪器面板的个人计算机,它由通用的个人计算机、模块化功能硬件和控制软件组成。操作人员通过友好的图形界面及图形化编程语言控制仪器的运行,完成对被测量的采集、分析、判断、显示、存储及数据生成。在虚拟仪器系统中,硬件仅仅是为了解决信号的输入、输出,软件才是整个仪表的关键。操作者可以通过修改软件的方法,方便地改变、增减仪器系统的功能和规模,所以NI (National Instruments)提出了:“软件即仪器”(The Software is the Instruments.”)的口号也不足为奇。

虚拟仪器的出现,彻底打破传统仪器由厂家定义,用户无法改变的模式。虚拟仪器给用户一个充分发挥自己才能、想象力的空间,设计自己的仪器系统,满足多种多样的应用要求,所需要的只是一些必要的硬件、软件和个人计算机。

由于虚拟仪器不但在全世界的几十个国家和地方广泛的用来测量和控制电压-电流,功率等电信号,以及温度、压力、速度和扰动等物理现象,特别是在工厂自动化、通暖控制、通讯及空调监控系统、油田探测监视系统、柴油机生产的监控系统及实验室监控系统等均有广泛应用,已成为计算机应用的一大主流,其已经在国内很多高等院校及研究机构广泛地使用,故在本章也介绍了虚拟仪器系统及其广泛应用。

5.4 第四章

第四章结合材料行业大量使用的计算机技术现代管理信息系统,介绍管理信息系统的概念。结构组成及其在企业不同管理层次的应用情况、信息系统所涉及的技术。在此基础上重点介绍数据库技术的构成、结构、数据库管理系统和数据库设计的步骤,并结合材料科学与工程专业的特点,给出了材料数据库、生产、技术管理数据库的应用实例以及完整地开发一个企业管理信息系统所需的具体阶段和步骤,并给出了具体的开发实例。

5.5 第五章

在材料领域,以前的CAD(计算机辅助设计)主要集中在金属材料领域,现在高分子材料和无机非金属材料领域的应用也在不断加深。从造型、模具、工艺设备、相图以及微观结构模拟,CAD应用的层次也在不断深化。在第五章中以大量实例介绍了CAD技术在材料领域中的应用及其发展趋势,对材料设计、相图设计、工业过程设计、设备设计、陶瓷工业热工设备辅助设计、材料微观结构设计及模拟进行了专题讨论,并简要介绍了材料模拟软件及其在材料学中的应用,包括晶体结构研究、液晶态研究、分子链构型的研究、薄膜的研究、高分子溶液研究、三维定量构效关系研究及吸附性能研究等。

5.6 第六章

人工神经网络和专家系统是被引入材料研究中的两种先进的计算机应用技术。人工神经网络具有自学习自适应能力很强,能够模拟一切线性或非线性函数,容错性好,具有较强的预测功能等优点;目前材料研究的专家系统已朝建立大型数据库发展,具有综合性知识、功能强大、研究水平较高等特点。两种技术的应用范围已经涉及到材料的组成、结构与性能,制备工艺的优化,材料性能预测等材料研究的各个方面。

本章简要介绍人工神经网络的概念、发展史、模型结构及学习算法;着重介绍使用广泛的BP人工神经网络的设计,以及神经网络在材料的结构、性能、设计、预测等方面的应用。详细讨论了BP神经网络设计中影响因素的选取如网络的层数、初始值的选取、学习的速度等。简单介绍专家系统的概念、特征、类型以及构成,较详细的介绍专家系统如材料设计专家系统、焊接专家系统、合金材料设计专家系统、陶瓷产品质量分析专家系统、化学合成专家系统、纤维增强树脂基复合材料设计专家系统的开发,对几种专家系统的应用实例进行详细的分析。

6 结语

由于计算机技术的发展日新月异,材料科学的应用范围很广泛,新的应用不断出现,这给我们编写本书带来了一定的困难,虽然作者力求把多年来积累的数学经验及科研成果、最新的应用知识和信息奉献给读者,但本书所介绍的内容和信息还远不能函盖计算机在材料科学中所有方面的应用领域,加上参编者自身的教学实践和工作经验有限,本书难免存在许多不足之处,只能在教学实践中不断积累、不断更新、不断完善以弥补本书之不足,也希望广大同行读者不吝指正。

参考文献

[1] 曾令可.计算机在材料科学与工程中的应用.武汉理工大学出版社.2004.

[2] 孙承绪.计算机在硅酸盐工业中的应用.华东理工大学出版社.1994.

[3] 郭献军.微机在硅酸盐工业中的应用.武汉工业大学出版社.1999.

[4] 王世峰等.陶瓷工业热工设备CAD系统开发及应用.硅酸盐通报.1997(6):71-74.

[5] 李英君等.计算机在材料热工领域中的应用.机械工业出版社.2001.6.

推荐访问:材料科学 指导思想 编写 教材 计算机