“金屬塑性成形原理”配套課程設計改革與實踐

王武榮　韋習成

摘要：針對金屬材料工程專業(yè)本科學生普遍反映，“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”支持下進行課程設計開發(fā)和教學方法改革，配套實踐環(huán)節(jié)與課程學習進行同步，強化理論在實踐中的應用，實現(xiàn)了平面書本知識的立體映像化教學。在教學實踐中，這種綜合教學方法更加受到學生的認可，教學效果良好。

關鍵詞：金屬塑性成形原理；課程設計；改革與實踐

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：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各專業(yè)的一門專業(yè)基礎課，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和規(guī)律的一門學科。其目的在于科學地、系統(tǒng)地闡明這些基礎和規(guī)律，為學習后續(xù)的工藝課程作理論準備，也為合理制定塑性成形工藝規(guī)范及選擇設備、設計模具奠定理論基礎[1-3]。上海大學材料科學與工程學院將“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)本科大三學生，其先修課程有工程力學、材料科學基礎、金屬材料學等，使教學時學生已有一定的基礎。課程的主要內容包括以下幾方面。

1.金屬塑性變形的物理基礎：金屬塑性的測定方法、相關指標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基礎：變形體內質點的應力、應變分析方法；應力平衡微分方程的推導過程，平面應力、平面應變、軸對稱應力狀態(tài)的特點和表達形式；“小應變”、“無限小應變”及“大應變”等基本概念，小變形幾何方程和變形連續(xù)方程，全量應變和應變增量以及應變速率的概念；應力應變關系、屈服準則等塑性理論基本知識；全量理論和增量理論的概念；本構關系（塑性變形時應力—應變關系）的特點，列維—密席斯方程和普朗特—勞斯方程；屈服、屈服準則的概念，屈雷斯加屈服準則和密席斯屈服準則，屈服準則的幾何表達——屈服軌跡和屈服表面；屈服準則的驗證方法，應變硬化材料的屈服準則。真實應力應變曲線及相關概念；通過實驗來確定真實應力—應變曲線的方法，其中包括不同溫度、速度條件對真實應力—應變曲線的影響以及常用金屬材料真實應力—應變曲線的近似表達方程。

3.塑性成形問題的主應力法（切塊法）的理論基礎和解題思路，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、主應力法的基本假設和解題步驟、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和解題思路。

由此可見，“金屬塑性成形原理”課程涉及內容較多且抽象復雜，如何在有限的課程教學時間內將教學內容傳輸給學生，并易于讓學生消化和吸收是課程教學的難點之一。而課程講授中數(shù)學理論推導又較多，且公式推導和證明求解與高等數(shù)學聯(lián)系較緊密，因而課程難度較大，這同樣為課程的教學和學生的學習帶來了困難。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成敗的關鍵。

二、教學方法改革與實踐

“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、適應經(jīng)濟社會發(fā)展需要的高質量各類型工程技術人才。上海大學是“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，同時針對上述總結的“金屬塑性成形原理”課程教學中的主要難點以及學生課堂的實際反應，在“卓越工程師培養(yǎng)計劃”支持下進行課程設計開發(fā)，提出了以下三條課程講授改進措施。

1.多媒體教學與板書教學有機結合。課程教學中充分利用多媒體傳輸信息量大、表達直接形象的優(yōu)勢，結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，而且還提高了學生的課堂學習效率，方便課后回顧課件進行復習。但由于本課程講授中數(shù)學理論推導較多，且公式推導和證明求解與高等數(shù)學聯(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，容易造成學生走馬觀花，無法留下深刻印象，以致后續(xù)課程教與學的脫節(jié)。因此，在重點公式推導和典型例題的證明解題上，通過板書引導學生跟隨進行逐步推導和求解，以便較好的掌握。例如教材第六章“主應力法及其應用”章節(jié)中平面應變鐓粗型的變形力和軸對稱鐓粗型的變形力的求解，在其教學中通過設計立體切片法，將抽象的應力問題轉化為物理中的簡單力平衡問題。如此一來，多媒體教學與板書教學的有機結合，既有效解決了課程內容多且抽象復雜的問題，也合理處理了煩瑣的公式推導和證明求解的難點，使得課程能夠有序高效的教與學。

2.配套實踐環(huán)節(jié)與同步課程設計。本課程在總共40學時教學中采用30學時進行課堂理論教學，同時安排10學時在理論教學途中穿插進行配套實驗實踐以及同步課程設計。配套實踐環(huán)節(jié)內容包括（流程如圖1所示）：①板材拉伸真實應力應變曲線試驗：按照板材厚度或者板材類型的不同對學生進行分組，完成單向拉伸試驗；學習使用制圖軟件繪制條件應力—應變曲線，再進行條件應力—應變曲線與真實應力—應變曲線的轉換和硬化模型近似數(shù)學表達式的擬合與對比。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；對照零件實物學習使用鈑金沖壓數(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)真實應力—應變曲線和屈服方程的應用。從數(shù)值模擬演示結果學習各個塑性指標，包括各方向應力、應變、減薄率等效塑性應力和等效塑性應變、主次應變等指標的云圖讀取。③U型件塑性彎曲沖壓試驗，對比分析實際試驗成形結果與數(shù)值模擬成形結果，如應變分布、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計教學，創(chuàng)建金屬塑性成型原理課程中應變、硬化、屈服、增量變形等抽象理論的形象化教學，以板料沖壓成型為依托，將理論應用于板材塑性成型課程設計中，實際案例見圖2。通過此課程設計和案例教學，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在邏輯；同時又將關鍵的理論知識有機地組合在一起，并應用于實際案例，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)了應用基礎理論知識進行產(chǎn)品工藝分析和設計的能力。就教學效果及學生反饋情況可見，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.分組展示課程設計報告。在本課程教學理念中，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)值模擬過程和結果分析進行展示。不僅鍛煉了學生制作PPT報告及演講的能力，還將抽象理論運用于產(chǎn)品工藝分析和設計過程中。與此同時，在展示的過程中，學生運用了所學到的理論知識，從而加深了印象。

三、結語

上述教學方法改革后，在上海大學2014學年課程教學中進行試運行。

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學年課程平均分數(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”（上海大學金屬材料工程專業(yè)）支持下進行課程設計開發(fā)后，采用配套課程設計、理論聯(lián)系實際的教學改革后，課程教學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，當然成績的進步和班級整體學風、同學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”課程的教學探索[J].安陽工學院學報，2011，（52）：95-97.

[3]耿鐵，閆麗群.“塑性成形原理”課程教學方法探討[J].科技創(chuàng)新導報，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.