塑性成形力學(xué)課程教學(xué)方法探討

沈曉輝，章曉峰，閆 軍

（安徽工業(yè)大學(xué) 冶金工程學(xué)院，安徽 馬鞍山243002）

塑性成形力學(xué)是塑性成形理論的重要內(nèi)容之一，是材料成型及控制工程專業(yè)的核心基礎(chǔ)課，也是很多高校材料加工工程專業(yè)的研究生入學(xué)考試科目。該課程主要內(nèi)容是塑性力學(xué)基本理論及其在金屬塑性形成中的應(yīng)用方法。通過該課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生不僅能夠掌握塑性成形力學(xué)基本理論，更為重要的是掌握塑性成形問題的分析方法，提高解決實際問題的能力。塑性成形力學(xué)還是材料成型及控制工程專業(yè)的相關(guān)專業(yè)課程如塑性成形計算機模擬、軋制理論、沖壓工藝學(xué)的基礎(chǔ)，塑性成形力學(xué)課程的教學(xué)效果的改進對本專業(yè)學(xué)生夯實學(xué)科基礎(chǔ)、培養(yǎng)創(chuàng)新能力具有重要作用。塑性成形力學(xué)理論比較抽象，該課程的學(xué)習(xí)對學(xué)生的高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、工程力學(xué)等方面的基礎(chǔ)知識要求較高，而目前采用的雙語教學(xué)模式，客觀上增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)難度；加之大班授課、課時壓縮以及部分學(xué)生尚未養(yǎng)成良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣，以致該課程的教學(xué)難以取得滿意的效果。我們結(jié)合塑性成形力學(xué)課程組多年教學(xué)實踐，探討教學(xué)過程中的具體改進措施。

一、正確處理教與學(xué)的關(guān)系

教學(xué)關(guān)系中，主體是學(xué)生、主導(dǎo)是教師。［1］傳統(tǒng)的教學(xué)方式中主要突出“教”，習(xí)慣于把學(xué)生置于被動學(xué)習(xí)地位，忽視學(xué)生學(xué)習(xí)積極性的培養(yǎng)。事實上學(xué)生是教學(xué)過程中信息加工的主體。教師的主導(dǎo)作用體現(xiàn)在教師的引導(dǎo)和指導(dǎo)上。教師應(yīng)該創(chuàng)造性地設(shè)計教學(xué)各環(huán)節(jié)，不斷改進教學(xué)方法，以生動活潑的教學(xué)方式抓住學(xué)生的注意力，以簡潔明快的節(jié)奏調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和主動性，使其勤于思考，主動投入精力去消化、理解和掌握知識。

教師的引導(dǎo)過程實質(zhì)是師生的互動過程。如何引導(dǎo)學(xué)生是教師在教學(xué)過程中需要精心設(shè)計的重要內(nèi)容。授課過程中，應(yīng)合理安排重點、難點的講解方式，分層次設(shè)問、討論交流，并時刻關(guān)注學(xué)生反應(yīng)，引導(dǎo)學(xué)生通過自己的思考發(fā)現(xiàn)規(guī)律，糾正認識偏差，得出結(jié)論；鼓勵學(xué)生積極思考并勇于表達自己的觀點，強化他們探索新知識、新理論的積極性。比如在介紹“等效應(yīng)力”概念時，先從簡單受力狀態(tài)下的軸向應(yīng)力是否達到屈服應(yīng)力作為判斷材料是否屈服依據(jù)，引導(dǎo)學(xué)生考慮在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下是否發(fā)生屈服，學(xué)生自然想到用屈服條件。接著設(shè)問，復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下是否可以定義一個應(yīng)力指標來判斷材料是否屈服，引導(dǎo)學(xué)生考慮用屈服函數(shù)的表達式來定義這一指標，然后指出這一指標就是等效應(yīng)力。針對教材上選用Mises屈服函數(shù)來定義等效應(yīng)力，啟發(fā)學(xué)生考慮可否采用其他屈服函數(shù)來定義。通過引導(dǎo)思維，讓學(xué)生自己理解“等效應(yīng)力”的意義以及“等效”的方法。

二、重視理論概念的邏輯聯(lián)系

人們對理論的認知過程是對問題的抽象及理解過程，清晰概念的掌握和扎實的基本功是提高創(chuàng)新能力的重要前提。塑性成形力學(xué)中概念、公式多，理論抽象，容易產(chǎn)生枯燥感。為使學(xué)生對課程的知識理論體系有清晰的把握，需要學(xué)生理解每個知識點在知識結(jié)構(gòu)中的地位、作用以及和其他知識點的聯(lián)系。因此，在教案和課件編排時注重理論知識體系的邏輯結(jié)構(gòu)、重點及難點的安排，教學(xué)過程中適時給出該章內(nèi)容知識結(jié)構(gòu)體系，幫助學(xué)生理解知識點之間的聯(lián)系，有助于分析問題時思路的厘清。比如，在第一章關(guān)于“應(yīng)力分析”的講授時，給出圖1所示的知識結(jié)構(gòu)，使知識點的聯(lián)系一目了然，抓住核心環(huán)節(jié)，便于理論知識的學(xué)習(xí)和理解。

圖1 應(yīng)力分析中的理論結(jié)構(gòu)

為提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，授課過程中還注意強調(diào)相關(guān)知識點與其它課程的聯(lián)系，加強對知識點或?qū)嵗臋M向擴展討論，培養(yǎng)學(xué)生對專業(yè)理論橫向聯(lián)系的思維和習(xí)慣。比如將“主應(yīng)力、主方向”與線性代數(shù)中矩陣的“特征值、特征向量”相聯(lián)系，從數(shù)學(xué)角度加深對物理概念的理解；講解偏應(yīng)變張量的第三不變量時，將其取值的情況（正、負或零）與塑性加工金屬學(xué)中的變形圖示相聯(lián)系（本專業(yè)把變形圖示納入塑性加工金屬學(xué)課程中的塑性加工熱力學(xué)條件中介紹）；講解靜水壓力對塑性變形不產(chǎn)生影響時，交代清楚靜水壓力與金屬塑性的關(guān)系，引導(dǎo)學(xué)生聯(lián)系塑性加工金屬學(xué)中關(guān)于金屬塑性的相關(guān)知識，利于學(xué)生對專業(yè)基礎(chǔ)理論整體把握；講解“主應(yīng)力法”時，與軋制理論中關(guān)于軋制壓力、沖壓工藝學(xué)中的沖壓力理論計算相聯(lián)系；上界法中關(guān)于圓環(huán)鐓粗分析的結(jié)果在摩擦系數(shù)測定中的應(yīng)用與“摩擦與潤滑”課程中的相關(guān)內(nèi)容相聯(lián)系。通過橫向聯(lián)系也更突出塑性成形力學(xué)的基礎(chǔ)作用。

此外，為引導(dǎo)學(xué)生在平時學(xué)習(xí)中對基本概念的理解充分重視，我們在考核內(nèi)容上加大基本概念題的分量，增加了選擇題、判斷題，考察學(xué)生平時對理論概念的理解程度，尤其強調(diào)塑性成形力學(xué)中的數(shù)學(xué)公式所反映的物理概念。

三、加強理論與工程實際的聯(lián)系

塑性成形力學(xué)基本理論主要由一系列力學(xué)基本方程構(gòu)成，如圖2所示，每一個方程都定量描述了塑性成形理論中的關(guān)鍵問題。如果僅從方程的推導(dǎo)來講解，必然會容易使學(xué)生陷入繁瑣的數(shù)學(xué)公式演算中。因此，在講解力學(xué)方程時，結(jié)合教師的研究背景，使用問題（可以是工程實踐中的問題，也可是學(xué)科理論中問題）引入的方式。通過提出問題（工程實例）、抽象問題、闡述理論、再回到工程問題的解決上來。

圖2 塑性成形力學(xué)中的基本方程

問題的引入，必然會引起學(xué)生的主動思考。通過分析工程實際問題中涉及的相關(guān)理論要素，突出理論在解決實際問題中的重要應(yīng)用，不僅可以吸引學(xué)生注意力，還有助于培養(yǎng)學(xué)生的科研潛能和創(chuàng)新意識。［2］再通過條件假設(shè)、問題抽象，引導(dǎo)學(xué)生的思維向力學(xué)方程逼近，不但加深學(xué)生對理論的認識，還能突出每個方程的物理意義并理解其應(yīng)用要點。

課堂上補充實例分析有助于學(xué)生對關(guān)鍵內(nèi)容的理解。例題的選擇，一方面要體現(xiàn)理論重點，另一方面需聯(lián)系工程實際，以此來培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力。解題實質(zhì)是對已有知識的檢索、分析、組合、應(yīng)用的過程，理出正確的思路是解題的關(guān)鍵所在。解決問題的能力很大程度上取決于將實際問題抽象為力學(xué)模型的能力。塑性成形力學(xué)教學(xué)過程中，在介紹各種工程方法時，應(yīng)注意強調(diào)問題的抽象過程和方法，而不只是對簡單例題的解決。問題解決后，還要進行結(jié)果分析及延伸討論，提高學(xué)生的綜合分析能力以及創(chuàng)新思維能力。比如，當(dāng)前異步軋制在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界又得到了廣泛的重視和研究，可以就異步軋制時軋制力的顯著降低現(xiàn)象引導(dǎo)學(xué)生用屈服條件解釋其原因。

塑性成形力學(xué)關(guān)于工程中的應(yīng)用介紹了三種方法：主應(yīng)力法、滑移線法及上界法。這部分內(nèi)容主要是通過工程實例分析，重點介紹每種方法的思路、解題步驟和特點及應(yīng)用條件。對同一實例，嘗試用不同方法求解，突出每種方法的要點，并比較求解的結(jié)果；對同一問題，通過變化邊界條件或假設(shè)前提，還可衍生不同的問題，從而加深學(xué)生對每種方法的理解。

四、注意激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣

為了激發(fā)學(xué)生求知欲望，在緒論課中結(jié)合學(xué)科領(lǐng)域的科學(xué)技術(shù)發(fā)展，以讓學(xué)生明確該門課程在教學(xué)計劃中的地位、作用，該課程的理論知識能夠解決哪些專業(yè)問題，學(xué)習(xí)之后能夠在哪些方面的能力得到提升。讓學(xué)生帶著清晰的目標去學(xué)習(xí)。當(dāng)然這些刺激需要在整個課程教學(xué)過程中結(jié)合每一章節(jié)的內(nèi)容，適時不斷強化，不斷提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性。此外，教學(xué)過程中適當(dāng)加入塑性力學(xué)科學(xué)史及科學(xué)家的智力活動介紹，介紹問題的來龍去脈和理論的發(fā)展過程，這一方面能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，另外一方面有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)方法和科學(xué)精神。

注意多媒體與板書推演的結(jié)合。多媒體演示通過視頻、圖片、文字及生動交互的方式，使原本單一靠文字表達的概念變得生動具體。通過課件的精心準備，不但增大了授課信息量，還節(jié)省了板書或講解的時間。但需要注意的是，多媒體教學(xué)的信息量過大、速度較快，容易使學(xué)生產(chǎn)生疲勞，難以長時間注意力集中；屏幕切換過快，不利于學(xué)生對知識的深化理解。為此，需要教師自如掌握授課節(jié)奏，洞察學(xué)生反應(yīng)，要留足夠的時間用于啟發(fā)、引導(dǎo)學(xué)生思考。傳統(tǒng)的板書推演在力學(xué)理論講授時有時比多媒體演示有優(yōu)勢，板書推演更容易將學(xué)生思維和教師的授課思想融為一體。因此在關(guān)鍵方程推演時，在幻燈屏幕上給出大致思路，拋開教材采用板書形式，板書過程中帶動學(xué)生一起思考，更能使學(xué)生感到貼心，拉近教與學(xué)的距離。

五、結(jié)語

針對塑性成形力學(xué)課程教學(xué)中現(xiàn)階段存在的主要問題，我們從教與學(xué)的關(guān)系、理論概念邏輯關(guān)系、理論與工程實際的聯(lián)系、學(xué)習(xí)興趣的激發(fā)幾個方面展開教學(xué)方法的探討和改革，取得較為理想的效果。今后，為進一步突出培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實踐能力，抓住塑性成形力學(xué)教學(xué)過程中的主要矛盾，要繼續(xù)強調(diào)教師的主導(dǎo)作用，提高自身教學(xué)認識和素養(yǎng)，不斷改進教學(xué)方法，提高教學(xué)質(zhì)量。

［1］ 劉放鳴．對“教為主導(dǎo)，學(xué)為主體”理論的哲學(xué)反思［J］．湖南社會科學(xué)，2005（4）：138－140．

［2］ 石志飛．對力學(xué)課程研究型教學(xué)中幾個基本問題的思考［J］．力學(xué)與實踐，2009，31（6）：78－79．