機械基礎課程思政設計與實施*

趙冉 韓校粉 程兆剛 黃海英 王凌英

陸軍工程大學石家莊校區 石家莊 050003

0 引言

全面推進課程思政建設是落實立德樹人根本任務的戰略舉措，也是提高人才培養質量的重要任務。如何推進課程思政建設，擺脫課程、思政“兩張皮”[1]，將育德與育知相結合，在“潤物無聲”中賦予知識和能力正確的價值取向，是機械基礎等專業背景課程亟待解決的問題。結合課程特點，挖掘課程思政建設的目標，本著“潤物無聲”“如鹽入水”的效果對“加工硬化”一講進行課程思政設計。

1 課程概況

機械基礎課程是本科教育的一門專業背景課程，開設在大三學年的秋季學期，共78 學時。該課程主要研究產品設計到制造的一般原理、方法，是一門運用理論解決工程實際中機械共性問題的課程，對檢查、維護、保養等技術勤務的組織實施和科學思維能力的培養起著重要的支撐作用。

1.1 課程特點

該課程具有“三多兩重”的特點，“三多”即符號多、公式多、概念多；“兩重”即重實踐、重綜合，將知識內容化繁為簡，抓住問題的關鍵，實現知識的遷移，最終解決工程實際問題是本課程的核心。

1.2 內容設計

課程內容圍繞著“一個中心，三個融入，六個環節，多元評價”進行建設。一個中心，即學生是教學的主體，時刻調動學生的積極性和求知欲，教員起組織、引導、梳理作用；三個融入即融入思政、融入裝備案例、融入實操訓練；六個環節即教學采用創設情景、提出問題、共同探究、合作交流、總結反思、應用遷移，內化知識，解決工程問題。為檢驗授課效果加大了過程性考核的比重，采用了實操、工程問題解決方案、第二課堂等多元評價代替單一的終結性成績。

2 課程思政挖掘

在深度研學新時代教育方針和人才培養目標的基礎上，結合課程特點，并構建了課程的思政案例庫，將課程思政目標設計為科學思維、工匠品質、家國情懷三個方面。

2.1 科學嚴謹的探究思維

工程實際中的機械，如圖1 所示，雖然表現出來的結構不同、形式不同、功能不同，但它們運動的本質卻是相同的，都是四桿機構。要抓住事物的本質，深挖知識體系中的辯證思維和創新思維，如表1 所示，培養學生正確認識問題、分析問題和解決問題的能力。

表1 常見的探究思維

圖1 常見機械舉例

2.2 精益求精的工匠品質

機械設計、制造過程本身蘊含不斷突破的創新意識、決定成敗的質量意識、團結協作的合作意識，所以發揮課程特色，無論在課程教學還是指導學生參加課外創新實踐活動中，都要具有嚴謹的工作作風和精益求精的工匠品質，將其烙印在日常工作學習中。教學及參加實踐活動的師生如圖2 所示。

圖2 教學及參加實踐活動中

2.3 涵養深沉的家國情懷

機械有著輝煌的歷史和燦爛的文明，從古代精湛技藝的傳承到自主研發的洲際戰略導彈東風41和99A 坦克的艱辛付出，再到邁向世界強國的不斷努力，在增強民族自豪感和文化自信的同時，激發學生“功成不必在我，功成必然有我”的責任擔當。機械加工制造的案例如圖3 所示。

圖3 機械加工制造的案例

學生通過學習形成嚴謹的科學思維，具備精益求精的工匠品質，勇往直前、攻堅克難的勇氣擔當，解決一個個工程問題，將“小我”融入科技強國興軍的“大我”之中。

3 課程思政設計

以機械基礎課程中材料成型中的“加工硬化”一講為例，內容主要由機理的探究到工程的實際應用。思政設計主要從科學探索、辯證思維和學生成長三個方面展開。具體內容主線，如圖4 所示。由加工硬化微觀機理探究，養成科學嚴謹的探索精神；由加工硬化的利用和消除，培養學生一分為二的辯證思維；通過薄壁筒狀工件的一次次引伸，一次次鍛合缺陷，最后達到內部完美、性能合格的產品，引導學生不懼困難，在歷練中完善自我，成長為一名新時代合格人才。

圖4 “加工硬化”內容及思政設計主線

3.1 引入

鐵絲反復彎折，在塑性的大變形后斷裂。這是為什么呢？斷裂是現象，要研究其內部機理，正如毛主席所說，我們看事情必須要看它的實質，而把它的現象只看作入門的向導，一進了門就要抓住它的實質，這才是可靠的科學的分析方法[2]。透過現象抓住事物的本質，方可以見微知著，防患于未然。

3.2 微觀機理探究

如圖5 所示，金相顯微鏡下微觀組織形貌，變形前組織是顆粒狀的，看起來非常飽滿，富有彈性，隨著塑性變形量的增加，晶粒不斷被拉長，并伴有碎晶。當然，晶粒內部的變化可以用現在非常先進的掃描隧道顯微鏡觀察其原子排列情況，但對于100 年前的人類來說，這是可望而不可即的，盡管如此，科學家們進行了大膽的猜測，教學過程中，可以跟隨他們的足跡，感受科學探究的魅力。

圖5 顯微鏡下的微觀組織

早期人們普遍認為構成金屬的原子排列是有序的，塑性變形是通過原子掙脫化學鍵后又重新建立連接。基于這個模型，科學家Frankl 于1926 年通過計算得出理論切變強度為104～105MPa，而實驗實際獲得切變強度僅為1 ～10 MPa，數值竟然相差了3 ～4 個數量級，這樣巨大的差異一直無法解釋[3]。直到1934 年Taylor 大膽猜測晶體中存在不完美的情況，如圖6 所示，局部出現原子的錯排，將其稱為位錯，由于位錯的不均勻排列，使其能量較高，當受到一個較小的剪切力時，它會首先沿原子面滑移，大量位錯的滑移會產生塑性變形，這便是材料產生永久性變形，不可恢復的根本原因。

圖6 位錯引起的滑移

滑移后的位錯消失了嗎？1956 年人類終于在透射電子顯微鏡下第一次捕捉到位錯及其滑移過程。由于位錯的位向不同，在滑移過程中，位錯發生反應，也就是說滑移后的位錯沒有消失，反而纏結、堆積在一起，使運動受阻，表現出的宏觀性能為強度、硬度提高，塑性、韌性下降。常溫下，金屬隨著塑性變形程度的增加，材料的強度、硬度提高，塑性韌性下降的現象稱為加工硬化。這正是科學探索過程，通過發現問題—大膽猜測—科學求證—最終獲得位錯的纏結和堆積是加工硬化的原因。工程問題的解決過程亦是如此。

3.3 消除、利用和工程應用

鐵絲折斷的例子便是因為塑性大變形，產生加工硬化，最終斷裂。工程中，加工硬化使得在冷軋、滾壓、冷拔、拉深工藝中，隨著變形量增大，強度、硬度不斷升高，進一步加工越發困難，甚至出現斷裂。人們渴望一種能夠消除加工硬化的方法。

如何消除加工硬化呢？產生加工硬化的材料，由于內部的畸變，它是一種不穩定的狀態，而這種不穩定的狀態不會在常溫下自動消除，只有當原子的能量足夠高，組織重新排列，才可以消除加工硬化，提高原子能量最常用的一種方法就是加熱。如圖7 所示，當加熱溫度不高的時候，原子的擴散能力較弱，組織沒有變化，主要消除了變形產生的內應力，這個階段稱為回復，由于內部組織幾乎沒有變化，微觀組織決定宏觀性能，所以強度略有下降，塑性略有上升。

圖7 變形金屬加熱時組織和性能變化示意圖

隨著加熱溫度的繼續升高，當大于某一個溫度后，以碎晶為核，原子重新排列，重新結晶，缺陷也重新排列，這個過程稱為再結晶。再結晶消除了加工硬化，原子重新排列，所以強度快速下降，塑性快速上升。當熱溫度再提高一些，出現了過猶不及、物極必反的結果，晶粒合并，形成粗大的過熱組織，使得其性能不但不會增高，反而下降。所以消除加工硬化要控制加熱的溫度處于再結晶階段。由此可見，只要方法得當，任何困難都可以解決。

事物往往具有兩面性，正如黑格爾所說，世界上任何事物的內部和事物之間都包含矛盾的兩個方面，加工硬化會阻礙材料的進一步加工，但加工硬化有其有利的一面。

一個實際的工程案例如圖8 所示，材料為深沖15 鋼，外形為薄壁筒狀結構，該工件是如何加工而來的呢？由毛坯棒料通過塑性成形，體積轉移而獲得。如此之大的塑性變形，材料必然有著嚴重的加工硬化，容易產生斷裂，為了避免這種現象，薄壁筒狀工件的實際加工工藝經過多次引伸。

圖8 加工實例

第一次引伸之后由于加工硬化存在，使得進一步加工存在困難，再通過再結晶退火消除加工硬化影響，使得第二次引伸順利進行，經過多道引伸、消除加工硬化處理，直到達到所要尺寸。需要注意的是最后一次引伸，為了提高材料性能，并未進行再結晶退火，巧妙地利用加工硬化滿足了薄壁筒狀工件高強度要求，這是采用切削加工或焊接這種方法無法實現的。

3.4 思政升華

通過塑性成形中薄壁筒狀工件的一次次加工硬化、一次次消除，最終獲得大變形和高性能的實際案例，正如人生總會遇到坎坷、困難、挫折與挑戰，讓學生無懼風雨，主動“引伸”，砥礪前行，在歷練中成長，最終成長為一名優秀的工程技術人員。

4 結束語

教育是一項全局性工程，將思政融入教學中，將顯性知識教育與隱形育人教育相統一，教師要認真設計謀劃，在潛移默化中賦予知識和能力正確的價值取向，結合課程知識點進行設計，以點帶面，從而構建全員全程全方位育人大格局。