“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“卓越工程師培養計劃”支持下進行課程設計開發和教學方法改革，配套實踐環節與課程學習進行同步，強化理論在實踐中的應用，實現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的一門專業基礎課，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律的一門學科。其目的在于科學地、系統地闡明這些基礎和規律，為學習后續的工藝課程作理論準備，也為合理制定塑性成形工藝規范及選擇設備、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的一門基礎必修課，課程的教材選用機械工業出版社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、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。而課程講授中數學理論推導又較多，且公式推導和證明求解與高等數學聯系較緊密，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計劃”是國家教育部貫徹落實《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（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，旨在培養造就一大批創新能力強、適應經濟社會發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計劃”的入選首批高校，在金屬材料工程本科專業進行實施。為契合其培養理念，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“卓越工程師培養計劃”支持下進行課程設計開發，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學理論推導較多，且公式推導和證明求解與高等數學聯系較緊密，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，以致后續課程教與學的脫節。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.配套實踐環節與同步課程設計。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。配套實踐環節內容包括（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學表達式的擬合與對比。②薄板沖壓成形及有限元數值模擬試驗：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，從中掌握對數真實應力—應變曲線和屈服方程的應用。從數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。

在配套實踐環節，采用與課程同步進行的課程設計教學，創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，有效實現了課程理論的再現與重組，展現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系實際的難點，提升了本門課程的可理解性，也進一步培養了應用基礎理論知識進行產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，這一環節在課程改革優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，配套實踐環節與同步課程設計進行后，分組對薄板沖壓成形有限元數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、后成績分布可以發現，成績在90分以上和80～90分區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“卓越工程師培養計劃”（上海大學金屬材料工程專業）支持下進行課程設計開發后，采用配套課程設計、理論聯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：機械工業出版社，2010.