王武榮　韋習(xí)成

摘要：針對(duì)金屬材料工程專業(yè)本科學(xué)生普遍反映，“金屬塑性成形原理”課程概念抽象、理論深?yuàn)W、難以掌握。在教育部“卓越工程師培養(yǎng)計(jì)劃”支持下進(jìn)行課程設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)和教學(xué)方法改革，配套實(shí)踐環(huán)節(jié)與課程學(xué)習(xí)進(jìn)行同步，強(qiáng)化理論在實(shí)踐中的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了平面書本知識(shí)的立體映像化教學(xué)。在教學(xué)實(shí)踐中，這種綜合教學(xué)方法更加受到學(xué)生的認(rèn)可，教學(xué)效果良好。

關(guān)鍵詞：金屬塑性成形原理；課程設(shè)計(jì)；改革與實(shí)踐

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2016）16-0019-03

一、課程介紹

金屬塑性成形原理是高等工科院校材料類及加工相關(guān)各專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，該課程是研究和探討金屬在各種塑性加工工程中可遵循的基礎(chǔ)和規(guī)律的一門學(xué)科。其目的在于科學(xué)地、系統(tǒng)地闡明這些基礎(chǔ)和規(guī)律，為學(xué)習(xí)后續(xù)的工藝課程作理論準(zhǔn)備，也為合理制定塑性成形工藝規(guī)范及選擇設(shè)備、設(shè)計(jì)模具奠定理論基礎(chǔ)[1-3]。上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院將“金屬塑性成形原理”作為本科金屬材料專業(yè)的一門基礎(chǔ)必修課，課程的教材選用機(jī)械工業(yè)出版社2010年出版的俞漢青、陳金德編著的《金屬塑性成形原理》[4]。課程面向金屬材料專業(yè)本科大三學(xué)生，其先修課程有工程力學(xué)、材料科學(xué)基礎(chǔ)、金屬材料學(xué)等，使教學(xué)時(shí)學(xué)生已有一定的基礎(chǔ)。課程的主要內(nèi)容包括以下幾方面。

1.金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)：金屬塑性的測(cè)定方法、相關(guān)指標(biāo)及主要影響因素以及金屬斷裂的過(guò)程。

2.金屬塑性變形的力學(xué)基礎(chǔ)：變形體內(nèi)質(zhì)點(diǎn)的應(yīng)力、應(yīng)變分析方法；應(yīng)力平衡微分方程的推導(dǎo)過(guò)程，平面應(yīng)力、平面應(yīng)變、軸對(duì)稱應(yīng)力狀態(tài)的特點(diǎn)和表達(dá)形式；“小應(yīng)變”、“無(wú)限小應(yīng)變”及“大應(yīng)變”等基本概念，小變形幾何方程和變形連續(xù)方程，全量應(yīng)變和應(yīng)變?cè)隽恳约皯?yīng)變速率的概念；應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系、屈服準(zhǔn)則等塑性理論基本知識(shí)；全量理論和增量理論的概念；本構(gòu)關(guān)系（塑性變形時(shí)應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系）的特點(diǎn)，列維—密席斯方程和普朗特—?jiǎng)谒狗匠蹋磺?、屈服?zhǔn)則的概念，屈雷斯加屈服準(zhǔn)則和密席斯屈服準(zhǔn)則，屈服準(zhǔn)則的幾何表達(dá)——屈服軌跡和屈服表面；屈服準(zhǔn)則的驗(yàn)證方法，應(yīng)變硬化材料的屈服準(zhǔn)則。真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線及相關(guān)概念；通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定真實(shí)應(yīng)力—應(yīng)變曲線的方法，其中包括不同溫度、速度條件對(duì)真實(shí)應(yīng)力—應(yīng)變曲線的影響以及常用金屬材料真實(shí)應(yīng)力—應(yīng)變曲線的近似表達(dá)方程。

3.塑性成形問(wèn)題的主應(yīng)力法（切塊法）的理論基礎(chǔ)和解題思路，其中重點(diǎn)在于塑性問(wèn)題的基本方程、平衡微分方程和屈服條件聯(lián)立求解法、主應(yīng)力法的基本假設(shè)和解題步驟、矩形和圓柱形工件鐓粗變形力的計(jì)算、兩種常用摩擦條件、接觸面的分區(qū)、鐓粗變形功的計(jì)算。

4.塑性成形問(wèn)題的滑移線場(chǎng)法的理論基礎(chǔ)和解題思路。

由此可見(jiàn)，“金屬塑性成形原理”課程涉及內(nèi)容較多且抽象復(fù)雜，如何在有限的課程教學(xué)時(shí)間內(nèi)將教學(xué)內(nèi)容傳輸給學(xué)生，并易于讓學(xué)生消化和吸收是課程教學(xué)的難點(diǎn)之一。而課程講授中數(shù)學(xué)理論推導(dǎo)又較多，且公式推導(dǎo)和證明求解與高等數(shù)學(xué)聯(lián)系較緊密，因而課程難度較大，這同樣為課程的教學(xué)和學(xué)生的學(xué)習(xí)帶來(lái)了困難。除此之外，如何將本課程高密度的抽象理論聯(lián)系實(shí)際也是本課程教學(xué)成敗的關(guān)鍵。

二、教學(xué)方法改革與實(shí)踐

“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”是國(guó)家教育部貫徹落實(shí)《國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020年）》的重大改革項(xiàng)目，也是促進(jìn)我國(guó)由工程教育大國(guó)邁向工程教育強(qiáng)國(guó)的重大舉措，旨在培養(yǎng)造就一大批創(chuàng)新能力強(qiáng)、適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需要的高質(zhì)量各類型工程技術(shù)人才。上海大學(xué)是“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”的入選首批高校，在金屬材料工程本科專業(yè)進(jìn)行實(shí)施。為契合其培養(yǎng)理念，同時(shí)針對(duì)上述總結(jié)的“金屬塑性成形原理”課程教學(xué)中的主要難點(diǎn)以及學(xué)生課堂的實(shí)際反應(yīng)，在“卓越工程師培養(yǎng)計(jì)劃”支持下進(jìn)行課程設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，提出了以下三條課程講授改進(jìn)措施。

1.多媒體教學(xué)與板書教學(xué)有機(jī)結(jié)合。課程教學(xué)中充分利用多媒體傳輸信息量大、表達(dá)直接形象的優(yōu)勢(shì)，結(jié)合教材理論進(jìn)行講授，既不浪費(fèi)過(guò)多時(shí)間于繪圖同時(shí)又形象地反映出立體圖像和動(dòng)態(tài)過(guò)程，而且還提高了學(xué)生的課堂學(xué)習(xí)效率，方便課后回顧課件進(jìn)行復(fù)習(xí)。但由于本課程講授中數(shù)學(xué)理論推導(dǎo)較多，且公式推導(dǎo)和證明求解與高等數(shù)學(xué)聯(lián)系較緊密，此時(shí)，一味地追求多媒體講授雖能加快課程進(jìn)度，但效果可能適得其反，容易造成學(xué)生走馬觀花，無(wú)法留下深刻印象，以致后續(xù)課程教與學(xué)的脫節(jié)。因此，在重點(diǎn)公式推導(dǎo)和典型例題的證明解題上，通過(guò)板書引導(dǎo)學(xué)生跟隨進(jìn)行逐步推導(dǎo)和求解，以便較好的掌握。例如教材第六章“主應(yīng)力法及其應(yīng)用”章節(jié)中平面應(yīng)變鐓粗型的變形力和軸對(duì)稱鐓粗型的變形力的求解，在其教學(xué)中通過(guò)設(shè)計(jì)立體切片法，將抽象的應(yīng)力問(wèn)題轉(zhuǎn)化為物理中的簡(jiǎn)單力平衡問(wèn)題。如此一來(lái)，多媒體教學(xué)與板書教學(xué)的有機(jī)結(jié)合，既有效解決了課程內(nèi)容多且抽象復(fù)雜的問(wèn)題，也合理處理了煩瑣的公式推導(dǎo)和證明求解的難點(diǎn)，使得課程能夠有序高效的教與學(xué)。

2.配套實(shí)踐環(huán)節(jié)與同步課程設(shè)計(jì)。本課程在總共40學(xué)時(shí)教學(xué)中采用30學(xué)時(shí)進(jìn)行課堂理論教學(xué)，同時(shí)安排10學(xué)時(shí)在理論教學(xué)途中穿插進(jìn)行配套實(shí)驗(yàn)實(shí)踐以及同步課程設(shè)計(jì)。配套實(shí)踐環(huán)節(jié)內(nèi)容包括（流程如圖1所示）：①板材拉伸真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線試驗(yàn)：按照板材厚度或者板材類型的不同對(duì)學(xué)生進(jìn)行分組，完成單向拉伸試驗(yàn)；學(xué)習(xí)使用制圖軟件繪制條件應(yīng)力—應(yīng)變曲線，再進(jìn)行條件應(yīng)力—應(yīng)變曲線與真實(shí)應(yīng)力—應(yīng)變曲線的轉(zhuǎn)換和硬化模型近似數(shù)學(xué)表達(dá)式的擬合與對(duì)比。②薄板沖壓成形及有限元數(shù)值模擬試驗(yàn)：分組采用各自在拉伸試驗(yàn)中的板材，在金屬單動(dòng)液壓拉深機(jī)上進(jìn)行U型件薄板沖壓彎曲試驗(yàn)；對(duì)照零件實(shí)物學(xué)習(xí)使用鈑金沖壓數(shù)值模擬仿真軟件對(duì)U型件薄板沖壓成形進(jìn)行過(guò)程演示，從中掌握對(duì)數(shù)真實(shí)應(yīng)力—應(yīng)變曲線和屈服方程的應(yīng)用。從數(shù)值模擬演示結(jié)果學(xué)習(xí)各個(gè)塑性指標(biāo)，包括各方向應(yīng)力、應(yīng)變、減薄率等效塑性應(yīng)力和等效塑性應(yīng)變、主次應(yīng)變等指標(biāo)的云圖讀取。③U型件塑性彎曲沖壓試驗(yàn)，對(duì)比分析實(shí)際試驗(yàn)成形結(jié)果與數(shù)值模擬成形結(jié)果，如應(yīng)變分布、開(kāi)裂情況、厚度分布等。

在配套實(shí)踐環(huán)節(jié)，采用與課程同步進(jìn)行的課程設(shè)計(jì)教學(xué)，創(chuàng)建金屬塑性成型原理課程中應(yīng)變、硬化、屈服、增量變形等抽象理論的形象化教學(xué)，以板料沖壓成型為依托，將理論應(yīng)用于板材塑性成型課程設(shè)計(jì)中，實(shí)際案例見(jiàn)圖2。通過(guò)此課程設(shè)計(jì)和案例教學(xué)，有效實(shí)現(xiàn)了課程理論的再現(xiàn)與重組，展現(xiàn)了分散的課程知識(shí)之間的內(nèi)在邏輯；同時(shí)又將關(guān)鍵的理論知識(shí)有機(jī)地組合在一起，并應(yīng)用于實(shí)際案例，從而合理解決了本課程高密度的抽象理論聯(lián)系實(shí)際的難點(diǎn)，提升了本門課程的可理解性，也進(jìn)一步培養(yǎng)了應(yīng)用基礎(chǔ)理論知識(shí)進(jìn)行產(chǎn)品工藝分析和設(shè)計(jì)的能力。就教學(xué)效果及學(xué)生反饋情況可見(jiàn)，這一環(huán)節(jié)在課程改革優(yōu)化中起到舉足輕重的作用。

3.分組展示課程設(shè)計(jì)報(bào)告。在本課程教學(xué)理念中，始終秉承“聽(tīng)一遍不如做一遍有效，做一遍不如講一遍深刻”的原則，在課程的尾端，配套實(shí)踐環(huán)節(jié)與同步課程設(shè)計(jì)進(jìn)行后，分組對(duì)薄板沖壓成形有限元數(shù)值模擬過(guò)程和結(jié)果分析進(jìn)行展示。不僅鍛煉了學(xué)生制作PPT報(bào)告及演講的能力，還將抽象理論運(yùn)用于產(chǎn)品工藝分析和設(shè)計(jì)過(guò)程中。與此同時(shí)，在展示的過(guò)程中，學(xué)生運(yùn)用了所學(xué)到的理論知識(shí)，從而加深了印象。

三、結(jié)語(yǔ)

上述教學(xué)方法改革后，在上海大學(xué)2014學(xué)年課程教學(xué)中進(jìn)行試運(yùn)行。

圖3為“金屬塑性成形原理”課程歷年成績(jī)走勢(shì)圖。由圖可知，2014學(xué)年課程平均分?jǐn)?shù)和平均績(jī)點(diǎn)較改革前成績(jī)有明顯提升。

圖4為“金屬塑性成形原理”課程歷年成績(jī)分布圖，對(duì)比分析改革前、后成績(jī)分布可以發(fā)現(xiàn)，成績(jī)?cè)?0分以上和80～90分區(qū)間改革后的學(xué)生比例較改革前顯著增大，并且改革后及格率為100%。

綜合分析，在教育部“卓越工程師培養(yǎng)計(jì)劃”（上海大學(xué)金屬材料工程專業(yè)）支持下進(jìn)行課程設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)后，采用配套課程設(shè)計(jì)、理論聯(lián)系實(shí)際的教學(xué)改革后，課程教學(xué)中的難點(diǎn)便迎刃而解了，同時(shí)課程成績(jī)呈現(xiàn)出較顯著進(jìn)步，當(dāng)然成績(jī)的進(jìn)步和班級(jí)整體學(xué)風(fēng)、同學(xué)們的平時(shí)努力分不開(kāi)，但是也在一定程度上反映了課程改革的效果。隨著現(xiàn)代教育技術(shù)的不斷進(jìn)步，“金屬塑性成形原理”課程的改革必將繼續(xù)進(jìn)行下去，以不斷獲取最佳的教學(xué)效果。

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