機(jī)械基礎(chǔ)課程思政設(shè)計(jì)與實(shí)施*

趙冉 韓校粉 程兆剛 黃海英 王凌英

陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū) 石家莊 050003

0 引言

全面推進(jìn)課程思政建設(shè)是落實(shí)立德樹人根本任務(wù)的戰(zhàn)略舉措，也是提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的重要任務(wù)。如何推進(jìn)課程思政建設(shè)，擺脫課程、思政“兩張皮”[1]，將育德與育知相結(jié)合，在“潤(rùn)物無(wú)聲”中賦予知識(shí)和能力正確的價(jià)值取向，是機(jī)械基礎(chǔ)等專業(yè)背景課程亟待解決的問(wèn)題。結(jié)合課程特點(diǎn)，挖掘課程思政建設(shè)的目標(biāo)，本著“潤(rùn)物無(wú)聲”“如鹽入水”的效果對(duì)“加工硬化”一講進(jìn)行課程思政設(shè)計(jì)。

1 課程概況

機(jī)械基礎(chǔ)課程是本科教育的一門專業(yè)背景課程，開設(shè)在大三學(xué)年的秋季學(xué)期，共78 學(xué)時(shí)。該課程主要研究產(chǎn)品設(shè)計(jì)到制造的一般原理、方法，是一門運(yùn)用理論解決工程實(shí)際中機(jī)械共性問(wèn)題的課程，對(duì)檢查、維護(hù)、保養(yǎng)等技術(shù)勤務(wù)的組織實(shí)施和科學(xué)思維能力的培養(yǎng)起著重要的支撐作用。

1.1 課程特點(diǎn)

該課程具有“三多兩重”的特點(diǎn)，“三多”即符號(hào)多、公式多、概念多；“兩重”即重實(shí)踐、重綜合，將知識(shí)內(nèi)容化繁為簡(jiǎn)，抓住問(wèn)題的關(guān)鍵，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的遷移，最終解決工程實(shí)際問(wèn)題是本課程的核心。

1.2 內(nèi)容設(shè)計(jì)

課程內(nèi)容圍繞著“一個(gè)中心，三個(gè)融入，六個(gè)環(huán)節(jié)，多元評(píng)價(jià)”進(jìn)行建設(shè)。一個(gè)中心，即學(xué)生是教學(xué)的主體，時(shí)刻調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性和求知欲，教員起組織、引導(dǎo)、梳理作用；三個(gè)融入即融入思政、融入裝備案例、融入實(shí)操訓(xùn)練；六個(gè)環(huán)節(jié)即教學(xué)采用創(chuàng)設(shè)情景、提出問(wèn)題、共同探究、合作交流、總結(jié)反思、應(yīng)用遷移，內(nèi)化知識(shí)，解決工程問(wèn)題。為檢驗(yàn)授課效果加大了過(guò)程性考核的比重，采用了實(shí)操、工程問(wèn)題解決方案、第二課堂等多元評(píng)價(jià)代替單一的終結(jié)性成績(jī)。

2 課程思政挖掘

在深度研學(xué)新時(shí)代教育方針和人才培養(yǎng)目標(biāo)的基礎(chǔ)上，結(jié)合課程特點(diǎn)，并構(gòu)建了課程的思政案例庫(kù)，將課程思政目標(biāo)設(shè)計(jì)為科學(xué)思維、工匠品質(zhì)、家國(guó)情懷三個(gè)方面。

2.1 科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)奶骄克季S

工程實(shí)際中的機(jī)械，如圖1 所示，雖然表現(xiàn)出來(lái)的結(jié)構(gòu)不同、形式不同、功能不同，但它們運(yùn)動(dòng)的本質(zhì)卻是相同的，都是四桿機(jī)構(gòu)。要抓住事物的本質(zhì)，深挖知識(shí)體系中的辯證思維和創(chuàng)新思維，如表1 所示，培養(yǎng)學(xué)生正確認(rèn)識(shí)問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。

表1 常見的探究思維

圖1 常見機(jī)械舉例

2.2 精益求精的工匠品質(zhì)

機(jī)械設(shè)計(jì)、制造過(guò)程本身蘊(yùn)含不斷突破的創(chuàng)新意識(shí)、決定成敗的質(zhì)量意識(shí)、團(tuán)結(jié)協(xié)作的合作意識(shí)，所以發(fā)揮課程特色，無(wú)論在課程教學(xué)還是指導(dǎo)學(xué)生參加課外創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)中，都要具有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)和精益求精的工匠品質(zhì)，將其烙印在日常工作學(xué)習(xí)中。教學(xué)及參加實(shí)踐活動(dòng)的師生如圖2 所示。

圖2 教學(xué)及參加實(shí)踐活動(dòng)中

2.3 涵養(yǎng)深沉的家國(guó)情懷

機(jī)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(fā)的洲際戰(zhàn)略導(dǎo)彈東風(fēng)41和99A 坦克的艱辛付出，再到邁向世界強(qiáng)國(guó)的不斷努力，在增強(qiáng)民族自豪感和文化自信的同時(shí)，激發(fā)學(xué)生“功成不必在我，功成必然有我”的責(zé)任擔(dān)當(dāng)。機(jī)械加工制造的案例如圖3 所示。

圖3 機(jī)械加工制造的案例

學(xué)生通過(guò)學(xué)習(xí)形成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)思維，具備精益求精的工匠品質(zhì)，勇往直前、攻堅(jiān)克難的勇氣擔(dān)當(dāng)，解決一個(gè)個(gè)工程問(wèn)題，將“小我”融入科技強(qiáng)國(guó)興軍的“大我”之中。

3 課程思政設(shè)計(jì)

以機(jī)械基礎(chǔ)課程中材料成型中的“加工硬化”一講為例，內(nèi)容主要由機(jī)理的探究到工程的實(shí)際應(yīng)用。思政設(shè)計(jì)主要從科學(xué)探索、辯證思維和學(xué)生成長(zhǎng)三個(gè)方面展開。具體內(nèi)容主線，如圖4 所示。由加工硬化微觀機(jī)理探究，養(yǎng)成科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)奶剿骶瘢挥杉庸び不睦煤拖?，培養(yǎng)學(xué)生一分為二的辯證思維；通過(guò)薄壁筒狀工件的一次次引伸，一次次鍛合缺陷，最后達(dá)到內(nèi)部完美、性能合格的產(chǎn)品，引導(dǎo)學(xué)生不懼困難，在歷練中完善自我，成長(zhǎng)為一名新時(shí)代合格人才。

圖4 “加工硬化”內(nèi)容及思政設(shè)計(jì)主線

3.1 引入

鐵絲反復(fù)彎折，在塑性的大變形后斷裂。這是為什么呢？斷裂是現(xiàn)象，要研究其內(nèi)部機(jī)理，正如毛主席所說(shuō)，我們看事情必須要看它的實(shí)質(zhì)，而把它的現(xiàn)象只看作入門的向?qū)В贿M(jìn)了門就要抓住它的實(shí)質(zhì)，這才是可靠的科學(xué)的分析方法[2]。透過(guò)現(xiàn)象抓住事物的本質(zhì)，方可以見微知著，防患于未然。

3.2 微觀機(jī)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(lái)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(zhǎng)，并伴有碎晶。當(dāng)然，晶粒內(nèi)部的變化可以用現(xiàn)在非常先進(jìn)的掃描隧道顯微鏡觀察其原子排列情況，但對(duì)于100 年前的人類來(lái)說(shuō)，這是可望而不可即的，盡管如此，科學(xué)家們進(jìn)行了大膽的猜測(cè)，教學(xué)過(guò)程中，可以跟隨他們的足跡，感受科學(xué)探究的魅力。

圖5 顯微鏡下的微觀組織

早期人們普遍認(rèn)為構(gòu)成金屬的原子排列是有序的，塑性變形是通過(guò)原子掙脫化學(xué)鍵后又重新建立連接?；谶@個(gè)模型，科學(xué)家Frankl 于1926 年通過(guò)計(jì)算得出理論切變強(qiáng)度為104～105MPa，而實(shí)驗(yàn)實(shí)際獲得切變強(qiáng)度僅為1 ～10 MPa，數(shù)值竟然相差了3 ～4 個(gè)數(shù)量級(jí)，這樣巨大的差異一直無(wú)法解釋[3]。直到1934 年Taylor 大膽猜測(cè)晶體中存在不完美的情況，如圖6 所示，局部出現(xiàn)原子的錯(cuò)排，將其稱為位錯(cuò)，由于位錯(cuò)的不均勻排列，使其能量較高，當(dāng)受到一個(gè)較小的剪切力時(shí)，它會(huì)首先沿原子面滑移，大量位錯(cuò)的滑移會(huì)產(chǎn)生塑性變形，這便是材料產(chǎn)生永久性變形，不可恢復(fù)的根本原因。

圖6 位錯(cuò)引起的滑移

滑移后的位錯(cuò)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(cuò)及其滑移過(guò)程。由于位錯(cuò)的位向不同，在滑移過(guò)程中，位錯(cuò)發(fā)生反應(yīng)，也就是說(shuō)滑移后的位錯(cuò)沒(méi)有消失，反而纏結(jié)、堆積在一起，使運(yùn)動(dòng)受阻，表現(xiàn)出的宏觀性能為強(qiáng)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(qiáng)度、硬度提高，塑性韌性下降的現(xiàn)象稱為加工硬化。這正是科學(xué)探索過(guò)程，通過(guò)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題—大膽猜測(cè)—科學(xué)求證—最終獲得位錯(cuò)的纏結(jié)和堆積是加工硬化的原因。工程問(wèn)題的解決過(guò)程亦是如此。

3.3 消除、利用和工程應(yīng)用

鐵絲折斷的例子便是因?yàn)樗苄源笞冃?，產(chǎn)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(qiáng)度、硬度不斷升高，進(jìn)一步加工越發(fā)困難，甚至出現(xiàn)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(chǎn)生加工硬化的材料，由于內(nèi)部的畸變，它是一種不穩(wěn)定的狀態(tài)，而這種不穩(wěn)定的狀態(tài)不會(huì)在常溫下自動(dòng)消除，只有當(dāng)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(dāng)加熱溫度不高的時(shí)候，原子的擴(kuò)散能力較弱，組織沒(méi)有變化，主要消除了變形產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，這個(gè)階段稱為回復(fù)，由于內(nèi)部組織幾乎沒(méi)有變化，微觀組織決定宏觀性能，所以強(qiáng)度略有下降，塑性略有上升。

圖7 變形金屬加熱時(shí)組織和性能變化示意圖

隨著加熱溫度的繼續(xù)升高，當(dāng)大于某一個(gè)溫度后，以碎晶為核，原子重新排列，重新結(jié)晶，缺陷也重新排列，這個(gè)過(guò)程稱為再結(jié)晶。再結(jié)晶消除了加工硬化，原子重新排列，所以強(qiáng)度快速下降，塑性快速上升。當(dāng)熱溫度再提高一些，出現(xiàn)了過(guò)猶不及、物極必反的結(jié)果，晶粒合并，形成粗大的過(guò)熱組織，使得其性能不但不會(huì)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(jié)晶階段。由此可見，只要方法得當(dāng)，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(shuō)，世界上任何事物的內(nèi)部和事物之間都包含矛盾的兩個(gè)方面，加工硬化會(huì)阻礙材料的進(jìn)一步加工，但加工硬化有其有利的一面。

一個(gè)實(shí)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(jié)構(gòu)，該工件是如何加工而來(lái)的呢？由毛坯棒料通過(guò)塑性成形，體積轉(zhuǎn)移而獲得。如此之大的塑性變形，材料必然有著嚴(yán)重的加工硬化，容易產(chǎn)生斷裂，為了避免這種現(xiàn)象，薄壁筒狀工件的實(shí)際加工工藝經(jīng)過(guò)多次引伸。

圖8 加工實(shí)例

第一次引伸之后由于加工硬化存在，使得進(jìn)一步加工存在困難，再通過(guò)再結(jié)晶退火消除加工硬化影響，使得第二次引伸順利進(jìn)行，經(jīng)過(guò)多道引伸、消除加工硬化處理，直到達(dá)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(jìn)行再結(jié)晶退火，巧妙地利用加工硬化滿足了薄壁筒狀工件高強(qiáng)度要求，這是采用切削加工或焊接這種方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。

3.4 思政升華

通過(guò)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(shí)際案例，正如人生總會(huì)遇到坎坷、困難、挫折與挑戰(zhàn)，讓學(xué)生無(wú)懼風(fēng)雨，主動(dòng)“引伸”，砥礪前行，在歷練中成長(zhǎng)，最終成長(zhǎng)為一名優(yōu)秀的工程技術(shù)人員。

4 結(jié)束語(yǔ)

教育是一項(xiàng)全局性工程，將思政融入教學(xué)中，將顯性知識(shí)教育與隱形育人教育相統(tǒng)一，教師要認(rèn)真設(shè)計(jì)謀劃，在潛移默化中賦予知識(shí)和能力正確的價(jià)值取向，結(jié)合課程知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以點(diǎn)帶面，從而構(gòu)建全員全程全方位育人大格局。