彈塑性力學一流課程建設的探索與實踐

張鵬 王傳杰 朱強 陳剛 崔令江

[關(guān)鍵詞]彈塑性力學;一流本科課程;課程改革;一流本科專業(yè)

根據(jù)教育部發(fā)布的《教育部關(guān)于加快建設高水平本科教育全面提高人才培養(yǎng)能力的意見》[1]，目前我國本科教育改革著力推進兩個“雙萬計劃”，即2019～2021年，建設1萬個左右國家級和1萬個左右省級一流本科專業(yè)點[2]，以及建設1萬門左右國家級和1萬門左右省級一流本科課程[3]，以推動我國本科教育質(zhì)量整體提升。一流課程是一流專業(yè)的基礎，一流專業(yè)是一流本科的核心，而課程是人才培養(yǎng)的核心要素，課程質(zhì)量直接決定人才培養(yǎng)質(zhì)量。

彈塑性力學是工科專業(yè)重要的基礎理論課程，是理論力學、材料力學和結(jié)構(gòu)力學的延伸，研究變形體在力、位移、溫度等載荷作用下的彈塑性變形規(guī)律，內(nèi)容包括應力、應變、物理方程、本構(gòu)方程、屈服準則以及解析方法等。彈塑性力學課程內(nèi)容理論性和工程實踐性強、公式概念抽象、解析計算復雜，學生難以理解掌握課程知識并有效應用到工藝實踐中。本文以哈爾濱工業(yè)大學（威海）材料科學與工程學院彈塑性力學課程教學改革探索為例，立足材料科學與工程學科的一流本科專業(yè)和新工科專業(yè)人才培養(yǎng)的根本目標，介紹一個根本、兩向維度、三層位面、四元融合的彈塑性力學課程教學理念及實踐。

一、彈塑性力學課程教學理念

《教育部關(guān)于一流本科課程建設的實施意見》要求：樹立課程建設新理念，推進課程改革創(chuàng)新，實施科學的課程評價，嚴格課程管理，立起教授上課、消滅“水課”、取消“清考”等硬規(guī)矩，夯實基層教學組織，提高教師教學能力，完善以質(zhì)量為導向的課程建設激勵機制，形成多類型、多樣化的教學內(nèi)容與課程體系[3]。因此，課程建設要立足專業(yè)建設，要堅持提升高階性、突出創(chuàng)新性、增加挑戰(zhàn)度的建設導向，要以提升學生發(fā)展能力為重點，要以培養(yǎng)學生實踐能力為目標，重塑課程內(nèi)容，科學設計課程考核內(nèi)容和方式，創(chuàng)新教學方法，實現(xiàn)課堂教學延展，堅持立德樹人，將思政教育貫穿課程建設全過程。

彈塑性力學課程是材料成型及控制工程專業(yè)的核心基礎課，課程內(nèi)容比較抽象、難懂，不但需要前期學習的數(shù)學及力學課程知識為基礎，還需要開展物理實驗增加實際認識，這導致教師難教、學生難學的普遍現(xiàn)象產(chǎn)生。借鑒先進的以成果為導向的OBE（Outcome-BasedEducation）[4]教育理念和CDIO（Conceive， Design， Imple?ment， Operate）工程教育模式[5-6]，并結(jié)合專業(yè)工程教育認證[7-9]，彈塑性力學課程教學團隊立足哈爾濱工業(yè)大學（威海）材料科學與工程學院一流本科專業(yè)建設和新工科專業(yè)建設的人才培養(yǎng)目標，經(jīng)過系列教學改革和實踐，形成了一個根本、兩向維度、三層位面、四元融合的彈塑性力學課程教學理念，其架構(gòu)如圖1所示，包括以下幾方面。

一個根本：立足一流本科專業(yè)和新工科人才培養(yǎng)的根本目標，使學生具備運用彈塑性力學課程知識分析及解決問題的能力，提升卓越工程師和工程領軍人才培養(yǎng)質(zhì)量。

兩向維度：基于彈塑性力學課程教學目標的厚基礎、強實踐，實行學校教師和企業(yè)工程師兩向維度的理論與實踐協(xié)同教學模式。

三層位面：基于彈塑性力學課程教學的全過程，實行課堂教學、實驗教學、實踐教學三層位面的一體化教學體系。

四元融合：基于彈塑性力學課程教學內(nèi)容求創(chuàng)新，實行政教融合、科教融合、賽教融合、產(chǎn)教融合四元融合的多元化教學設計。

二、彈塑性力學課程教學實踐

彈塑性力學作為機械設計、機械制造、材料加工領域研究開發(fā)工作的理論基礎，其課程的教學目標是使學生掌握彈性力學和塑性力學的基礎知識，如應力分析、應變分析、平衡微分方程及應變協(xié)調(diào)方程、廣義虎克定律和彈性力學解題的基本方程與方法，以及塑性屈服準則與塑性應力應變關(guān)系理論、塑性力學解題的基本方法及應用，從而建立用力學思維解決工程實際問題的數(shù)學框架，厘清平衡方程、幾何方程、物理方程之間的物理意義，掌握平面問題、空間問題的基本步驟和方法，熟悉有限元軟件的應用，以提高學生從事科學研究和工程設計的能力。

彈塑性力學是固體力學的一個重要分支學科，是研究固體材料彈塑性變形規(guī)律的一門科學，是分析和解決許多學科領域工程問題的基礎和依據(jù)。通過本課程的學習，學生要了解彈塑性力學的基本任務、研究對象，明確彈塑性力學分析問題解決問題的基本思路和基本方法。彈塑性力學課程是材料成型及控制工程專業(yè)的基礎理論課，為后續(xù)的塑性加工工藝課程提供理論基礎。材料成型及控制工程專業(yè)是材料科學、成型工藝與自動控制技術(shù)的綜合與交叉，培養(yǎng)具有材料成型加工基礎理論與應用能力的工程技術(shù)人才，涉及國民經(jīng)濟發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)，是工科院校開設的重要專業(yè)。哈爾濱工業(yè)大學（威海）材料成型及控制工程專業(yè)分為模具制造和軋制工藝兩個方向，專業(yè)建設按照一流本科專業(yè)建設和新工科建設要求，通過卓越工程師和工程領軍人才計劃，培養(yǎng)學生具備彈塑性力學理論、材料成型技術(shù)、模具設計和制造、金屬材料軋制技術(shù)及組織控制等方面的基本理論基礎與實踐能力，培養(yǎng)研究、創(chuàng)新的基本素質(zhì)，為進入生產(chǎn)制造、科學研究及教學領域打下堅實的基礎;同時，也要培養(yǎng)學生具備較強的自然科學基礎，掌握系統(tǒng)的材料科學基本理論和必要的材料工程應用技術(shù)及科學研究方法，具有創(chuàng)新精神和實踐能力，成為在材料成型方面從事科學研究、加工工藝設計及生產(chǎn)組織管理的高級科技人才。立足一流本科專業(yè)和新工科專業(yè)人才培養(yǎng)的根本目標，彈塑性力學課程進行了以下方面的教學實踐，如表1所示。

（一）兩向維度的教學模式

針對彈塑性力學課程的厚基礎、強實踐教學，基于專業(yè)知識和專業(yè)技能相輔相成，組建了學校教師和企業(yè)工程師兩向維度的理論與實踐協(xié)同教學團隊，根據(jù)課程和學生特點以及工程實際需要，并結(jié)合專業(yè)背景進行授課。課程教學采取單元化教學方式，將課程體系內(nèi)容分為應力理論、幾何理論、屈服準則、彈塑性應力應變關(guān)系、主應力法、滑移線場理論等單元。教師引導學生理解和掌握課程的重點、難點，按照知識結(jié)構(gòu)脈絡構(gòu)建各單元的教學內(nèi)容，進行多角度講解，并注重各單元之間的聯(lián)系，實現(xiàn)理論和工藝知識點的交叉貫通。教學環(huán)節(jié)分為理論知識、工藝實驗、工程實踐，學校教師主要講授理論知識、指導工藝實驗，企業(yè)工程師主要指導工程實踐。課程考核采取單元測試、實驗報告、實踐報告、試卷考試的累加式成績綜合評定方式。

（二）三層位面的教學情境

針對彈塑性力學課程的全過程教學，按照教學情境的課堂、實驗室、企業(yè)三層位面，建構(gòu)理論知識、工藝實驗、工程實踐的一體化教學體系。課堂教學在教室進行，教師采取板書和多媒體相結(jié)合的方式，講授彈塑性力學課程各單元的基本理論知識，進行理論要點分析、理論解析應用等，通過板書進行公示推導和例題解析，通過多媒體播放圖形繪制和工藝錄像，同時以單元知識點脈絡進行問題導向的互動式研討。實驗教學在實驗室進行，采取實驗錄像和實驗操作相結(jié)合的方式，指導課程各單元涉及的拉伸、壓縮、彎曲、剪切、扭轉(zhuǎn)等實驗內(nèi)容。實踐教學在企業(yè)進行，采取工藝案例現(xiàn)場講解和分組實踐相結(jié)合的方式，指導課程各單元涉及的應力狀態(tài)判別、應變狀態(tài)判定、利用屈服準則控制塑性變形區(qū)、彈塑性應力應變關(guān)系在塑性成型工序中的應用、主應力法和滑移線法在塑性成形工藝中的應用等實踐內(nèi)容。

（三）四元融合的教學內(nèi)容

針對彈塑性力學課程的求創(chuàng)新教學，按照教學內(nèi)容實行政教融合、科教融合、賽教融合、產(chǎn)教融合的多元化教學設計。政教融合：將國之重器元素融入教學，將彈塑性力學理論知識在航天器、深潛器、大飛機、高鐵等國家重器中核心關(guān)鍵構(gòu)件成型成性以及服役可靠性評價等方面的應用作為案例教學，引導學生掌握并運用彈塑性力學課程知識制訂關(guān)鍵構(gòu)件成型工藝路線以及評價使役性能，學有所用，以專業(yè)本領報效國家。科教融合：將科學研究元素融入教學，利用彈塑性力學理論知識、工藝實驗、工程實踐內(nèi)容構(gòu)建材料本構(gòu)關(guān)系模型、彈塑性變形機制圖、平面問題與軸對稱問題求解策略等系列理論與實踐專題，融合科研的育人性和教學的學術(shù)性，以研討課的方式，引導學生通過探究和辯論深入理解課程內(nèi)容，重組課堂教學、實驗教學、實踐教學三層位面知識體系，提升自主學習能力。賽教融合：將取工藝仿真元素融入教學，圍繞知識點，結(jié)合工藝實際精選課程內(nèi)容設置例題和習題，并設計體積成型和板材成型工藝的仿真案例，通過指導學生參加專業(yè)工藝仿真大賽，引導學生掌握課程知識體系并使用有限元軟件分析成型工藝變形機制，優(yōu)化設計工藝參數(shù)，提升知識應用能力，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新意識。產(chǎn)教融合：將工程實踐元素融入教學，將彈塑性力學課程的材料處理方法、實驗方法、工藝方法等方面的相關(guān)國家、行業(yè)標準和專業(yè)技能培訓融入教學，以生產(chǎn)工藝項目實訓的方式，引導學生熟知知識到工藝的操作規(guī)程和知識到技能的崗位職責，提升學生的工程實踐能力。

三、實踐效果

彈塑性力學課程教學改革已在多輪本科教學中探索應用，授課教師團隊由學校教師和企業(yè)工程師組成，參與改革的學生規(guī)模已達千余人。教師在教學過程中既注重了學生對理論知識的學習與理解，又加大了學生的應用實踐能力的鍛煉與培養(yǎng)。課程教學實踐取得了明顯成效，教學過程中引入工程問題背景講解，提高了學生的學習主動性和積極性;通過知識脈絡與工藝應用聯(lián)動講授，培養(yǎng)了學生的知識綜合運用能力和創(chuàng)新思維;通過工程現(xiàn)場案例講解互動，增強了學生的理論聯(lián)系實際分析、解決問題能力。

通過課程教學實踐，教學團隊將一個根本、兩向維度、三層位面、四元融合的彈塑性力學課程教學理念融入教材建設，出版了《彈塑性力學基礎理論與解析應用》教材[10]，重點闡述了彈塑性力學的應力理論及其解析應用、幾何理論及其解析應用、屈服準則及其解析應用、彈塑性應力應變關(guān)系理論及其解析應用、主應力法及其解析應用、滑移線場理論及其解析應用等內(nèi)容，按基本理論概述、理論要點分析、理論解析應用、實驗方法模塊編寫，便于學生掌握彈塑性力學理論要領與解析應用，從而提高學生分析問題、解決問題的能力。本教材出版以來，已被國內(nèi)多所高校采用。

四、結(jié)語

彈塑性力學是工科專業(yè)重要的基礎理論課程，內(nèi)容理論性和工程實踐性強，公式概念抽象，解析計算復雜，學生難以理解掌握課程知識并有效運用。教學團隊經(jīng)過多年教學實踐，立足一流本科專業(yè)和新工科人才培養(yǎng)的根本目標，形成一個根本、兩向維度、三層位面、四元融合的彈塑性力學課程教學理念，實踐表明，學生能夠在教學過程中掌握理論知識、工藝實驗、工程實踐的彈塑性力學內(nèi)容。