夯實理論基礎(chǔ)、實現(xiàn)原始創(chuàng)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(chǔ)理論課程的教學(xué)質(zhì)量是一個系統(tǒng)工程。在課程內(nèi)容豐富但學(xué)時有限的情況下，需要本著加強理論基礎(chǔ)、融通共性知識和拓寬知識的原則，按照“基礎(chǔ)實、知識博、能力強、素質(zhì)高”的總體目標，通過優(yōu)化課程內(nèi)容、實施分層次教學(xué)，引用塑性成形領(lǐng)域“源頭創(chuàng)新”的典型案例，應(yīng)用多種教學(xué)手段，結(jié)合教學(xué)與科研來培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思想等方式不斷加強學(xué)生分析能力、歸納能力和知識滲透能力的培養(yǎng)。

[關(guān)鍵詞]基礎(chǔ)理論；塑性成形；課程建設(shè)

[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(jīng)過多年的快速發(fā)展，我國經(jīng)濟既面臨巨大的機會又面臨巨大的挑戰(zhàn)。改革初期，我們“摸著石頭過河”，經(jīng)過了汽車行業(yè)的“市場換技術(shù)”以及IT領(lǐng)域所謂“貿(mào)工技”和“技工貿(mào)”的路線斗爭。今天，我們的經(jīng)濟總量已不可同日而語，但在許多關(guān)鍵領(lǐng)域仍受制于人，存在被“卡脖子”的現(xiàn)象。2018年世界經(jīng)貿(mào)領(lǐng)域發(fā)生的許多重大事件，就是相關(guān)問題的集中體現(xiàn)與爆發(fā)。如何培育新的經(jīng)濟增長點、實現(xiàn)新的突破，是擺在我們面前一個刻不容緩的問題。國務(wù)院發(fā)布的《國家創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略綱要》明確指出：“我國經(jīng)濟必須依靠創(chuàng)新驅(qū)動打造發(fā)展新引擎，大力發(fā)展先進制造技術(shù)和引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)變革的顛覆性技術(shù)，推動制造業(yè)向價值鏈高端攀升?！?/p>

基礎(chǔ)理論對促進技術(shù)發(fā)展、掌握核心科技具有重要作用?？v觀歷史，從人造衛(wèi)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(shù)創(chuàng)新，都是建立在對基礎(chǔ)理論的突破和科學(xué)的應(yīng)用上。大量實踐已經(jīng)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(chǔ)研究，是掌握核心科技、提高原始創(chuàng)新能力的重要途徑，也是產(chǎn)業(yè)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(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)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(yè)技術(shù)人才培養(yǎng)中加強基礎(chǔ)理論教學(xué)、促進原始創(chuàng)新進行了探討。結(jié)合新時期科學(xué)技術(shù)的發(fā)展潮流與國家建設(shè)需要，通過塑性成型領(lǐng)域的典型案例，闡述了基礎(chǔ)理論對掌握科技核心、實現(xiàn)原始創(chuàng)新的重要意義，并針對如何強化塑性成形原理課程的基礎(chǔ)理論教學(xué)，幫助學(xué)生掌握基礎(chǔ)理論知識，從內(nèi)容設(shè)置、教學(xué)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(nèi)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(guān)專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)理論課，旨在為學(xué)生后續(xù)的專業(yè)學(xué)習和研究奠定理論基礎(chǔ)[6-8]。其核心內(nèi)容是圍繞材料的成分、組織結(jié)構(gòu)、加工工藝與性能之間關(guān)系，科學(xué)、系統(tǒng)地闡明金屬塑性變形的物理學(xué)和力學(xué)的基礎(chǔ)與共同規(guī)律；研究和探討塑性成形典型工藝的相關(guān)問題，以獲得最佳加工狀態(tài)、最高變形效率和優(yōu)質(zhì)的性能。課程教學(xué)的內(nèi)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(chǔ)——從微觀角度認識塑性變形；2.塑性力學(xué)——從宏觀角度認識塑性變形；3.塑性成形工藝——從實踐應(yīng)用的角度認識塑性變形。

塑性成形原理涵蓋力學(xué)、材料學(xué)、成形工藝與裝備等方面的知識，內(nèi)容涉及面廣，同時也是一門理論與實踐緊密結(jié)合的課程。課程總體上偏重塑性力學(xué)理論，教學(xué)內(nèi)容具有抽象、難度相對較大的特點。此外，由于技術(shù)的不斷發(fā)展，各種塑性成形的新方法大量涌現(xiàn)，還需要結(jié)合最新的技術(shù)動向?qū)鹘y(tǒng)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(xué)質(zhì)量的實踐與探索

如何提高基礎(chǔ)理論課程的教學(xué)質(zhì)量是一個系統(tǒng)工程。在課程內(nèi)容豐富但學(xué)時有限的情況下，如何滿足研究型工科專業(yè)人才培養(yǎng)目標及模式的基本要求，緊跟本學(xué)科領(lǐng)域的最新理論與技術(shù)發(fā)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(chǔ)、融通共性知識和拓寬知識的原則，按照“基礎(chǔ)實、知識博、能力強、素質(zhì)高”的總體目標，不斷加強學(xué)生分析能力、歸納能力和知識滲透能力的培養(yǎng)。下面筆者結(jié)合自身的教學(xué)經(jīng)驗，談?wù)剬μ岣呋A(chǔ)理論課程教學(xué)質(zhì)量的一些體會。

（一）優(yōu)化課程內(nèi)容、實施分層次教學(xué)

總體上，我們對塑性成形原理教學(xué)內(nèi)容的要求分為掌握和了解兩個層次。塑性變形的物理基礎(chǔ)部分主要涉及材料學(xué)的理論部分，這在工程材料等其他課程已經(jīng)學(xué)習過。為此，本課程主要介紹和回顧與塑性變形有關(guān)的內(nèi)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(nèi)容，因后續(xù)專業(yè)課會集中學(xué)習，因此本課程中僅要求學(xué)生了解?？紤]到超塑性的實際應(yīng)用不多，因此這部分內(nèi)容也僅要求學(xué)生了解。但屈服準則、本構(gòu)方程等塑性力學(xué)的核心內(nèi)容，就要求學(xué)生全面掌握。一些陳舊的內(nèi)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(yīng)用已經(jīng)很少，僅作為一種概念讓學(xué)生了解。但解析方法里的主應(yīng)力方法，因?qū)嶋H中具有一定的應(yīng)用價值，因此要求學(xué)生對主應(yīng)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(nèi)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(dǎo)，應(yīng)側(cè)重物理概念的理解和應(yīng)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(fù)強調(diào)，讓學(xué)生真正掌握其精髓。例如，為什么單向拉伸得出的屈服應(yīng)力，可以應(yīng)用到任意復(fù)雜受力狀態(tài)下的屈服準則？等效應(yīng)力、等效應(yīng)變的實質(zhì)是什么？

塑性力學(xué)中涉及許多公式的推導(dǎo)。推導(dǎo)過程主要是一些數(shù)學(xué)工具的應(yīng)用，通常大三的學(xué)生已基本完成相關(guān)技能的學(xué)習，而詳細講解推導(dǎo)過程將花費大量時間，這個過程容易讓學(xué)生感覺枯燥，因此對一些公式的推導(dǎo)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(shù)學(xué)理論模型，在科學(xué)技術(shù)研究和應(yīng)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(xué)生掌握公式中的關(guān)鍵內(nèi)容，如Tresca與Mises兩個屈服準則。為了便于學(xué)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(xué)生“知其然”，還要“知其所以然”。結(jié)合公式的規(guī)律與對稱性，可以讓學(xué)生更好地理解和記憶重點公式。概念方面，需要引導(dǎo)學(xué)生深入思考：為什么這些數(shù)學(xué)公式能夠反映力學(xué)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(yīng)力以及只考慮應(yīng)力偏張量的作用？

（二）塑性成形領(lǐng)域“源頭創(chuàng)新”的典型案例

在生產(chǎn)實踐中，塑性成形常常被理解為一門“技藝”，人們對相關(guān)基礎(chǔ)理論的關(guān)注不多。但在塑性成形技術(shù)的發(fā)展歷史中，出現(xiàn)過大量工程創(chuàng)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(xiàn)“顛覆式”革新。在教學(xué)中，這些案例不僅可以讓學(xué)生開闊眼界，也使其充分認識到基礎(chǔ)理論的重要意義，從而能大大提高他們的學(xué)習興趣。

1.小設(shè)備干大事的“等溫鍛造”

航空航天等領(lǐng)域常常用到許多大型、復(fù)雜的結(jié)構(gòu)件，為保證質(zhì)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(fā)的8萬噸壓力機。該設(shè)備的研制成功，為國產(chǎn)C919大飛機、蛟龍?zhí)栞d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(chǎn)的兩臺7.5萬噸模鍛壓力機。據(jù)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(chǎn)出諸多航空、航天器上的大型核心結(jié)構(gòu)部件呢？

事實上，蘇聯(lián)的7.5萬噸大型壓機之后，美國也曾經(jīng)有研制20萬噸壓機的方案，僅上橫梁就有10層樓高。因技術(shù)難度大、成本太高，后來美國的重點放在了研發(fā)“等溫鍛造”等新的成形工藝上?！暗葴劐懺臁笨梢源蠓档湾懠某尚屋d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(zhì)，就是利用了非牛頓流體的流變特性，即應(yīng)力隨應(yīng)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(tài)，這對整個成形模具系統(tǒng)提出了很高的要求。

流變體的特性還可以應(yīng)用于其他不同的場合。我們在上課時經(jīng)常對學(xué)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(fā)明的一款智能液體減速帶BIV，它能夠自適應(yīng)車輛行駛速度并做出不同反應(yīng)：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(nèi)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(yīng)用十分廣泛。彎曲成形時，由于變形區(qū)內(nèi)各部分的應(yīng)力狀態(tài)不同，特別是中性層內(nèi)外側(cè)的應(yīng)力和應(yīng)變方向相反，當卸掉載荷后，兩側(cè)材料的彈性回復(fù)方向相反，從而導(dǎo)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(chǎn)生機理，人們提出了拉彎工藝，通過將彎曲與拉伸相復(fù)合，使得拉彎時厚度上都受到同方向的拉力作用，卸載彈復(fù)變形小，從而達到提高成形精度的目的。

3.攪拌摩擦焊

傳統(tǒng)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(shè)備等方面存在著本質(zhì)的差異。但英國焊接研究所（The Welding Institute，TWI）1991年發(fā)明的攪拌摩擦焊（Friction Stir Welding，F(xiàn)SW），卻是將塑性變形與連接技術(shù)進行了有機的結(jié)合。FSW在焊接過程中，攪拌頭在旋轉(zhuǎn)的同時伸入工件的接縫中，旋轉(zhuǎn)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(fā)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(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力或變形也較熔化焊小得多。目前，F(xiàn)SW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(lǐng)域也獲得了一定的發(fā)展。

（三）應(yīng)用多種教學(xué)手段

目前，我校塑性成形原理課程的教學(xué)仍是以主講教師的課堂教學(xué)為主，其中結(jié)合多媒體進行教學(xué)。在教學(xué)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(guān)理論以外，還安排了真實應(yīng)力-應(yīng)變曲線、塑性成形摩擦參數(shù)測試等幾個實驗。通過實驗，可以讓學(xué)生多動手、多思考，能提出問題。另外，每部分的教學(xué)內(nèi)容結(jié)束后，布置有作業(yè)讓學(xué)生在課后教學(xué)學(xué)習。需要指出的是，雖然“翻轉(zhuǎn)課堂”等一些創(chuàng)新教學(xué)模式近年來比較受關(guān)注，但操作中還需要考慮學(xué)時、教學(xué)資源等條件的實際情況。

（四）結(jié)合教學(xué)與科研，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思想

教師是實施教學(xué)的主體。對于課程的教學(xué)，只有任課教師先融會貫通，才能夠讓學(xué)生舉一反三，否則只能照本宣科。因此，教師除了要認真?zhèn)湔n、不斷提高授課技巧以外，還需要加強自身學(xué)習，不斷提高專業(yè)素養(yǎng)，保證知識結(jié)構(gòu)的與時俱進。在教學(xué)過程中，要注重學(xué)科知識的交叉，盡量給學(xué)生展示本行業(yè)最新的技術(shù)動向、新概念和新理論。

目前，國內(nèi)大多數(shù)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(yè)理論有著深刻的理解。實踐證明，教學(xué)中結(jié)合一些科研課題和前沿的研究內(nèi)容，給學(xué)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(xué)生的視野、培養(yǎng)其創(chuàng)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(jié)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(yīng)”，這些內(nèi)容在現(xiàn)有的教材中均未涉及。這些雖然是教材以外補充的內(nèi)容，也不是考試的重點，但一些學(xué)生非常有興趣，部分學(xué)生下課以后還專門就此問題找任課教師咨詢。

四、結(jié)論

要實現(xiàn)我國經(jīng)濟的成功轉(zhuǎn)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?；A(chǔ)理論研究是科學(xué)之本和創(chuàng)新之源，是國家核心競爭力的重要組成部分，是提升原始創(chuàng)新能力的根本途徑。高等學(xué)校作為科技第一生產(chǎn)力、人才第一資源和創(chuàng)新第一動力的結(jié)合點，是我國基礎(chǔ)研究的主力軍、原始創(chuàng)新的主戰(zhàn)場和創(chuàng)新人才培育的主陣地。

近年來，我國高等學(xué)?；A(chǔ)研究“量增質(zhì)升”，創(chuàng)新能力持續(xù)增強。但整體上，高校的基礎(chǔ)研究與新時代建設(shè)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(yè)基礎(chǔ)理論課程作為培養(yǎng)學(xué)生掌握基礎(chǔ)理論的重要環(huán)節(jié)，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(xué)?；A(chǔ)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(xué)校的基礎(chǔ)研究將得到進一步的推動，高校的創(chuàng)新也將邁上新的臺階。

[ 參 考 文 獻 ]

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[責任編輯：陳 明]