“金屬塑性成形原理”配套課程設(shè)計改革與實踐

王武榮　韋習(xí)成

摘要：針對金屬材料工程專業(yè)本科學(xué)生普遍反映，“金屬塑性成形原理”課程概念抽象、理論深奧、難以掌握。在教育部“卓越工程師培養(yǎng)計劃”支持下進行課程設(shè)計開發(fā)和教學(xué)方法改革，配套實踐環(huán)節(jié)與課程學(xué)習(xí)進行同步，強化理論在實踐中的應(yīng)用，實現(xiàn)了平面書本知識的立體映像化教學(xué)。在教學(xué)實踐中，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；改革與實踐

中圖分類號：G642.0 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：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)：金屬塑性的測定方法、相關(guān)指標(biāo)及主要影響因素以及金屬斷裂的過程。

2.金屬塑性變形的力學(xué)基礎(chǔ)：變形體內(nèi)質(zhì)點的應(yīng)力、應(yīng)變分析方法；應(yīng)力平衡微分方程的推導(dǎo)過程，平面應(yīng)力、平面應(yīng)變、軸對稱應(yīng)力狀態(tài)的特點和表達(dá)形式；“小應(yīng)變”、“無限小應(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)變增量以及應(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；全量理論和增量理論的概念；本構(gòu)關(guān)系（塑性變形時應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系）的特點，列維—密席斯方程和普朗特—勞斯方程；屈服、屈服準(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)則的驗證方法，應(yīng)變硬化材料的屈服準(zhǔn)則。真實應(yīng)力應(yīng)變曲線及相關(guān)概念；通過實驗來確定真實應(yīng)力—應(yīng)變曲線的方法，其中包括不同溫度、速度條件對真實應(yīng)力—應(yīng)變曲線的影響以及常用金屬材料真實應(yīng)力—應(yīng)變曲線的近似表達(dá)方程。

3.塑性成形問題的主應(yīng)力法（切塊法）的理論基礎(chǔ)和解題思路，其中重點在于塑性問題的基本方程、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算、兩種常用摩擦條件、接觸面的分區(qū)、鐓粗變形功的計算。

4.塑性成形問題的滑移線場法的理論基礎(chǔ)和解題思路。

由此可見，“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)方法改革與實踐

“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”是國家教育部貫徹落實《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020年）》的重大改革項目，也是促進我國由工程教育大國邁向工程教育強國的重大舉措，旨在培養(yǎng)造就一大批創(chuàng)新能力強、適應(yīng)經(jīng)濟社會發(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)計劃”的入選首批高校，在金屬材料工程本科專業(yè)進行實施。為契合其培養(yǎng)理念，同時針對上述總結(jié)的“金屬塑性成形原理”課程教學(xué)中的主要難點以及學(xué)生課堂的實際反應(yīng)，在“卓越工程師培養(yǎng)計劃”支持下進行課程設(shè)計開發(fā)，提出了以下三條課程講授改進措施。

1.多媒體教學(xué)與板書教學(xué)有機結(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，結(jié)合教材理論進行講授，既不浪費過多時間于繪圖同時又形象地反映出立體圖像和動態(tài)過程，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，一味地追求多媒體講授雖能加快課程進度，但效果可能適得其反，容易造成學(xué)生走馬觀花，無法留下深刻印象，以致后續(xù)課程教與學(xué)的脫節(jié)。因此，在重點公式推導(dǎo)和典型例題的證明解題上，通過板書引導(dǎo)學(xué)生跟隨進行逐步推導(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稱鐓粗型的變形力的求解，在其教學(xué)中通過設(shè)計立體切片法，將抽象的應(yīng)力問題轉(zhuǎn)化為物理中的簡單力平衡問題。如此一來，多媒體教學(xué)與板書教學(xué)的有機結(jié)合，既有效解決了課程內(nèi)容多且抽象復(fù)雜的問題，也合理處理了煩瑣的公式推導(dǎo)和證明求解的難點，使得課程能夠有序高效的教與學(xué)。

2.配套實踐環(huán)節(jié)與同步課程設(shè)計。本課程在總共40學(xué)時教學(xué)中采用30學(xué)時進行課堂理論教學(xué)，同時安排10學(xué)時在理論教學(xué)途中穿插進行配套實驗實踐以及同步課程設(shè)計。配套實踐環(huán)節(jié)內(nèi)容包括（流程如圖1所示）：①板材拉伸真實應(yīng)力應(yīng)變曲線試驗：按照板材厚度或者板材類型的不同對學(xué)生進行分組，完成單向拉伸試驗；學(xué)習(xí)使用制圖軟件繪制條件應(yīng)力—應(yīng)變曲線，再進行條件應(yīng)力—應(yīng)變曲線與真實應(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)式的擬合與對比。②薄板沖壓成形及有限元數(shù)值模擬試驗：分組采用各自在拉伸試驗中的板材，在金屬單動液壓拉深機上進行U型件薄板沖壓彎曲試驗；對照零件實物學(xué)習(xí)使用鈑金沖壓數(shù)值模擬仿真軟件對U型件薄板沖壓成形進行過程演示，從中掌握對數(shù)真實應(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，對比分析實際試驗成形結(jié)果與數(shù)值模擬成形結(jié)果，如應(yīng)變分布、開裂情況、厚度分布等。

在配套實踐環(huán)節(jié)，采用與課程同步進行的課程設(shè)計教學(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)計中，實際案例見圖2。通過此課程設(shè)計和案例教學(xué)，有效實現(xiàn)了課程理論的再現(xiàn)與重組，展現(xiàn)了分散的課程知識之間的內(nèi)在邏輯；同時又將關(guān)鍵的理論知識有機地組合在一起，并應(yīng)用于實際案例，從而合理解決了本課程高密度的抽象理論聯(lián)系實際的難點，提升了本門課程的可理解性，也進一步培養(yǎng)了應(yīng)用基礎(chǔ)理論知識進行產(chǎn)品工藝分析和設(shè)計的能力。就教學(xué)效果及學(xué)生反饋情況可見，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)計報告。在本課程教學(xué)理念中，始終秉承“聽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，配套實踐環(huán)節(jié)與同步課程設(shè)計進行后，分組對薄板沖壓成形有限元數(shù)值模擬過程和結(jié)果分析進行展示。不僅鍛煉了學(xué)生制作PPT報告及演講的能力，還將抽象理論運用于產(chǎn)品工藝分析和設(shè)計過程中。與此同時，在展示的過程中，學(xué)生運用了所學(xué)到的理論知識，從而加深了印象。

三、結(jié)語

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)中進行試運行。

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

圖4為“金屬塑性成形原理”課程歷年成績分布圖，對比分析改革前、后成績分布可以發(fā)現(xiàn)，成績在90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)計劃”（上海大學(xué)金屬材料工程專業(yè)）支持下進行課程設(shè)計開發(fā)后，采用配套課程設(shè)計、理論聯(lián)系實際的教學(xué)改革后，課程教學(xué)中的難點便迎刃而解了，同時課程成績呈現(xiàn)出較顯著進步，當(dāng)然成績的進步和班級整體學(xué)風(fēng)、同學(xué)們的平時努力分不開，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)的不斷進步，“金屬塑性成形原理”課程的改革必將繼續(xù)進行下去，以不斷獲取最佳的教學(xué)效果。

參考文獻：

[1]李強，于寶義，李潤霞，等.“金屬塑性成形原理”課程教學(xué)方法改革與實踐[J].中國電力教育，2010，（25）：59-60.

[2]趙亞東，郝安林.“金屬塑性成形原理”課程的教學(xué)探索[J].安陽工學(xué)院學(xué)報，2011，（52）：95-97.

[3]耿鐵，閆麗群.“塑性成形原理”課程教學(xué)方法探討[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2012，（19）：156-158.

[4]俞漢青，陳金德.金屬塑性成形原理[M].北京：機械工業(yè)出版社，2010.