夯實理論基礎、實現原始創新

溫彤　陳霞　王夢寒　李軍超

[摘 要]如何提高塑性成形原理基礎理論課程的教學質量是一個系統工程。在課程內容豐富但學時有限的情況下，需要本著加強理論基礎、融通共性知識和拓寬知識的原則，按照“基礎實、知識博、能力強、素質高”的總體目標，通過優化課程內容、實施分層次教學，引用塑性成形領域“源頭創新”的典型案例，應用多種教學手段，結合教學與科研來培養學生的創新思想等方式不斷加強學生分析能力、歸納能力和知識滲透能力的培養。

[關鍵詞]基礎理論；塑性成形；課程建設

[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2019）05-0060-03

一、引言

改革開放以來，經過多年的快速發展，我國經濟既面臨巨大的機會又面臨巨大的挑戰。改革初期，我們“摸著石頭過河”，經過了汽車行業的“市場換技術”以及IT領域所謂“貿工技”和“技工貿”的路線斗爭。今天，我們的經濟總量已不可同日而語，但在許多關鍵領域仍受制于人，存在被“卡脖子”的現象。2018年世界經貿領域發生的許多重大事件，就是相關問題的集中體現與爆發。如何培育新的經濟增長點、實現新的突破，是擺在我們面前一個刻不容緩的問題。國務院發布的《國家創新驅動發展戰略綱要》明確指出：“我國經濟必須依靠創新驅動打造發展新引擎，大力發展先進制造技術和引領產業變革的顛覆性技術，推動制造業向價值鏈高端攀升。”

基礎理論對促進技術發展、掌握核心科技具有重要作用。縱觀歷史，從人造衛星上天到原子彈、氫彈爆炸，再到汽車無人駕駛、高速鐵路……無論是重大還是局部的技術創新，都是建立在對基礎理論的突破和科學的應用上。大量實踐已經證明，核心科技是無法靠購買或者開放市場等途徑獲取的。開展基礎研究，是掌握核心科技、提高原始創新能力的重要途徑，也是產業誕生和振興的根本，是我們躋身世界科技強國的必要條件[1-2]。

塑性成形是一種具有悠久歷史的金屬制造工藝，在現代工業領域的應用極其廣泛[3-5]。本文以塑性成形原理課程為例，對如何在高層次工科專業技術人才培養中加強基礎理論教學、促進原始創新進行了探討。結合新時期科學技術的發展潮流與國家建設需要，通過塑性成型領域的典型案例，闡述了基礎理論對掌握科技核心、實現原始創新的重要意義，并針對如何強化塑性成形原理課程的基礎理論教學，幫助學生掌握基礎理論知識，從內容設置、教學方式等方面提出了一些思考和建議。

二、塑性成形原理課程的內容與特點

塑性成形理論是材料成型、材料加工以及冶金等相關專業的專業基礎理論課，旨在為學生后續的專業學習和研究奠定理論基礎[6-8]。其核心內容是圍繞材料的成分、組織結構、加工工藝與性能之間關系，科學、系統地闡明金屬塑性變形的物理學和力學的基礎與共同規律；研究和探討塑性成形典型工藝的相關問題，以獲得最佳加工狀態、最高變形效率和優質的性能。課程教學的內容，可以理解為是從三個不同的角度來認識塑性變形：1.塑性變形的物理基礎——從微觀角度認識塑性變形；2.塑性力學——從宏觀角度認識塑性變形；3.塑性成形工藝——從實踐應用的角度認識塑性變形。

塑性成形原理涵蓋力學、材料學、成形工藝與裝備等方面的知識，內容涉及面廣，同時也是一門理論與實踐緊密結合的課程。課程總體上偏重塑性力學理論，教學內容具有抽象、難度相對較大的特點。此外，由于技術的不斷發展，各種塑性成形的新方法大量涌現，還需要結合最新的技術動向對傳統塑性成形理論進行更新和補充[9-11]。

三、提高塑性成形原理課程教學質量的實踐與探索

如何提高基礎理論課程的教學質量是一個系統工程。在課程內容豐富但學時有限的情況下，如何滿足研究型工科專業人才培養目標及模式的基本要求，緊跟本學科領域的最新理論與技術發展，都是任課教師要著重考慮的問題。教師需要本著加強理論基礎、融通共性知識和拓寬知識的原則，按照“基礎實、知識博、能力強、素質高”的總體目標，不斷加強學生分析能力、歸納能力和知識滲透能力的培養。下面筆者結合自身的教學經驗，談談對提高基礎理論課程教學質量的一些體會。

（一）優化課程內容、實施分層次教學

總體上，我們對塑性成形原理教學內容的要求分為掌握和了解兩個層次。塑性變形的物理基礎部分主要涉及材料學的理論部分，這在工程材料等其他課程已經學習過。為此，本課程主要介紹和回顧與塑性變形有關的內容，如塑性變形的微觀機理、加工硬化等概念，而塑性成形缺陷控制等內容，因后續專業課會集中學習，因此本課程中僅要求學生了解。考慮到超塑性的實際應用不多，因此這部分內容也僅要求學生了解。但屈服準則、本構方程等塑性力學的核心內容，就要求學生全面掌握。一些陳舊的內容需要合理取舍、甚至不做講解。如塑性成形的滑移線法、能量法等求解方法，實際的應用已經很少，僅作為一種概念讓學生了解。但解析方法里的主應力方法，因實際中具有一定的應用價值，因此要求學生對主應力法的基本求解過程能夠掌握。

針對塑性成形原理課程的內容抽象、理解難度大等問題，要盡量避免枯燥的理論公式推導，應側重物理概念的理解和應用，同時注重知識點講解的循序漸進。一些核心概念需要反復強調，讓學生真正掌握其精髓。例如，為什么單向拉伸得出的屈服應力，可以應用到任意復雜受力狀態下的屈服準則？等效應力、等效應變的實質是什么？

塑性力學中涉及許多公式的推導。推導過程主要是一些數學工具的應用，通常大三的學生已基本完成相關技能的學習，而詳細講解推導過程將花費大量時間，這個過程容易讓學生感覺枯燥，因此對一些公式的推導我們在講解中會大大簡化。

但需要指出的是，公式作為定量化的數學理論模型，在科學技術研究和應用中是不可缺少的重要工具，因此不可能完全回避。我們采用了劃重點、列出重要公式等方式，讓學生掌握公式中的關鍵內容，如Tresca與Mises兩個屈服準則。為了便于學生理解抽象公式，需要對一些典型的公式加以解釋和說明，讓學生“知其然”，還要“知其所以然”。結合公式的規律與對稱性，可以讓學生更好地理解和記憶重點公式。概念方面，需要引導學生深入思考：為什么這些數學公式能夠反映力學的基本概念？例如，為什么兩個屈服準則的公式可以反映不計靜水應力以及只考慮應力偏張量的作用？

（二）塑性成形領域“源頭創新”的典型案例

在生產實踐中，塑性成形常常被理解為一門“技藝”，人們對相關基礎理論的關注不多。但在塑性成形技術的發展歷史中，出現過大量工程創新的案例。這些案例充分證明，只有從“原理”的層面進行思考，才能深刻理解并解決工程實際問題，才能實現“顛覆式”革新。在教學中，這些案例不僅可以讓學生開闊眼界，也使其充分認識到基礎理論的重要意義，從而能大大提高他們的學習興趣。

1.小設備干大事的“等溫鍛造”

航空航天等領域常常用到許多大型、復雜的結構件，為保證質量和使用壽命，其理想的制造工藝是整體塑性成形，但這需要特大噸位的壓力機。目前，世界上最大的壓力機是我國二重公司研發的8萬噸壓力機。該設備的研制成功，為國產C919大飛機、蛟龍號載人潛水器等一系列重大裝備的制造提供了有力的支撐。在這之前，世界上最大的壓力機是俄羅斯生產的兩臺7.5萬噸模鍛壓力機。據資料顯示，美國并未有更大的壓力機。那么，美國人是如何生產出諸多航空、航天器上的大型核心結構部件呢？

事實上，蘇聯的7.5萬噸大型壓機之后，美國也曾經有研制20萬噸壓機的方案，僅上橫梁就有10層樓高。因技術難度大、成本太高，后來美國的重點放在了研發“等溫鍛造”等新的成形工藝上。“等溫鍛造”可以大幅降低鍛件的成形載荷，因此美國原有的5萬噸壓機一直沿用至今。而“等溫鍛造”能夠使成形力降低的實質，就是利用了非牛頓流體的流變特性，即應力隨應變速率的降低而降低的原理，采用非常低的速度對鍛件進行成形。由于金屬通常要在高溫下才具有顯著的非牛頓流體的流變特性，因此“等溫鍛造”過程需要長時間保持在高溫狀態，這對整個成形模具系統提出了很高的要求。

流變體的特性還可以應用于其他不同的場合。我們在上課時經常對學生提出一個問題：“小廣告”號稱城市的“牛皮癬”。貼上不干膠貼紙十分簡單，但要去除就很麻煩。那么，如果用機械方法即如用手一一揭掉一個不干膠貼紙，是快速還是慢速好？另外一個例子，就是西班牙Badennove公司發明的一款智能液體減速帶BIV，它能夠自適應車輛行駛速度并做出不同反應：只要在減速帶前放慢車速，慢慢碾壓上去，BIV就會是柔軟的，車內的顛簸感也會減到最低。其玄機，就在于BIV里裝的非牛頓流體。

2.拉彎成形

彎曲是把金屬板材、管材和型材等坯料彎成一定曲率、形狀和尺寸的塑性成形工藝，應用十分廣泛。彎曲成形時，由于變形區內各部分的應力狀態不同，特別是中性層內外側的應力和應變方向相反，當卸掉載荷后，兩側材料的彈性回復方向相反，從而導致回彈變形，并對彎曲件精度造成不同程度的負面影響。

針對上述彎曲回彈的產生機理，人們提出了拉彎工藝，通過將彎曲與拉伸相復合，使得拉彎時厚度上都受到同方向的拉力作用，卸載彈復變形小，從而達到提高成形精度的目的。

3.攪拌摩擦焊

傳統上，焊接和塑性成形是兩種截然不同的材料加工工藝，他們在原理、方法與設備等方面存在著本質的差異。但英國焊接研究所（The Welding Institute，TWI）1991年發明的攪拌摩擦焊（Friction Stir Welding，FSW），卻是將塑性變形與連接技術進行了有機的結合。FSW在焊接過程中，攪拌頭在旋轉的同時伸入工件的接縫中，旋轉攪拌頭（主要是軸肩部位）與工件之間的摩擦熱，使攪拌頭前的材料發生強烈塑性變形；然后隨著攪拌頭的移動，高度塑性變形的材料逐漸沉積在攪拌頭的背后，形成FSW焊縫。

FSW在焊接過程中不需要焊條、焊絲、焊劑及保護氣體等其他焊接消耗材料，同時由于FSW焊接時溫度相對較低，因此結構的殘余應力或變形也較熔化焊小得多。目前，FSW主要是用于熔點較低的鋁合金、鎂合金等有色金屬，近年來在高熔點材料領域也獲得了一定的發展。

（三）應用多種教學手段

目前，我校塑性成形原理課程的教學仍是以主講教師的課堂教學為主，其中結合多媒體進行教學。在教學過程中，適當穿插一些課堂練習、專題報告。針對該課程概念多、相對抽象的特點，除了在課堂上重點介紹相關理論以外，還安排了真實應力-應變曲線、塑性成形摩擦參數測試等幾個實驗。通過實驗，可以讓學生多動手、多思考，能提出問題。另外，每部分的教學內容結束后，布置有作業讓學生在課后教學學習。需要指出的是，雖然“翻轉課堂”等一些創新教學模式近年來比較受關注，但操作中還需要考慮學時、教學資源等條件的實際情況。

（四）結合教學與科研，培養學生的創新思想

教師是實施教學的主體。對于課程的教學，只有任課教師先融會貫通，才能夠讓學生舉一反三，否則只能照本宣科。因此，教師除了要認真備課、不斷提高授課技巧以外，還需要加強自身學習，不斷提高專業素養，保證知識結構的與時俱進。在教學過程中，要注重學科知識的交叉，盡量給學生展示本行業最新的技術動向、新概念和新理論。

目前，國內大多數的高校教師對科研活動都有著很高的參與度。做好科研工作的前提，是對專業理論有著深刻的理解。實踐證明，教學中結合一些科研課題和前沿的研究內容，給學生介紹一些書本以外的新思想和新概念，能夠極大地開拓學生的視野、培養其創新意識。例如，在介紹影響塑性成形過程表面摩擦的因素時，我們結合已開展的科研項目，補充說明了“載荷特性”對塑性成形過程的影響，特別是疊加超聲波振動以后的所謂“表面效應”，這些內容在現有的教材中均未涉及。這些雖然是教材以外補充的內容，也不是考試的重點，但一些學生非常有興趣，部分學生下課以后還專門就此問題找任課教師咨詢。

四、結論

要實現我國經濟的成功轉型，不能靠“組裝”“山寨”，更不能靠“忽悠”，需要站在新的歷史起點，腳踏實地、努力奮斗。基礎理論研究是科學之本和創新之源，是國家核心競爭力的重要組成部分，是提升原始創新能力的根本途徑。高等學校作為科技第一生產力、人才第一資源和創新第一動力的結合點，是我國基礎研究的主力軍、原始創新的主戰場和創新人才培育的主陣地。

近年來，我國高等學校基礎研究“量增質升”，創新能力持續增強。但整體上，高校的基礎研究與新時代建設世界科技強國和教育強國的要求相比，仍有一定的差距。專業基礎理論課程作為培養學生掌握基礎理論的重要環節，需要得到進一步的重視并從多方面加強。近期，教育部啟動實施了“高等學校基礎研究珠峰計劃”。我們有理由相信，在各級部門的重視和支持下，我國高等學校的基礎研究將得到進一步的推動，高校的創新也將邁上新的臺階。

[ 參 考 文 獻 ]

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[責任編輯：陳 明]