化工機械專業碩士生彈塑性力學課程改革實踐

鄭茂盛，滕海鵬，王 怡，劉姣姣

（西北大學 化工學院，陜西西安 710069）

1 概述

1）“彈塑性力學”是西北大學化工過程機械專業碩士學位研究生的核心基礎課程。徐秉業和劉信聲編寫的《應用彈塑性力學》是目前國內較為流行的教材[1]，是一部成功實現了從實踐到理論提升和抽象的基礎性教科書。正如徐秉業、王曉純先生所指出的“力學是從工程實際中來的，而工程實際經常是非常復雜的，要用分析的方法解決這類問題，是非常困難的。因此，在研究這類問題時，需要對問題進行簡化”[2]。

（1）“彈塑性力學”就是通過一些重要的假設和簡化，形成了抽象的模型化的處理方法。比如，對材料的簡化是，物體是“連續的、均勻的、各向同性的”等。并且，進一步通過對應力和應變關系進行簡化和假設，建立了線彈性模型、非線性彈性模型、理想彈塑性模型、線彈性線性強化模型、剛塑性模型、冪強化模型等。

（2）從靜力學、幾何學和物理學三方面出發，建立這些未知量所滿足的彈塑性力學基本方程和相應的邊界條件。再根據彈塑性體定量的本構關系，即應力和應變（或應變增量）之間的定量關系，原則上就可以求解彈塑性問題。已經建立的若干典型的解法，如塑性力學里的，靜定問題求解法、滑移線法、主應力法、能量法、參數方程法、加權殘值法和界線法等內容，都可作為非力學專業彈塑性力學課的基本題材。

2）在現代的許多工程領域，如化工過程機械、航天航空工程、機械工程、土木工程、水利工程等，其裝備和設施都是以彈塑性力學方法的分析結果為基礎進行設計和建造的。在工程應用中，也時常會出現很多工程人員只會應用軟件（例如ABAQUS、ANSYS 和SAP2000 等），而無法判斷其結果的正確性等現象。出現這種現象的根本原因：

（1）教學活動與工業和工程實際相脫節，其影響已經波及具體的工程應用部門；

（2）學生的學習積極性和主動性不足，運用知識的能力較差，不能舉一反三。此外，在“彈塑性力學”課程的教學實踐中，還會遇到有人疑慮學習彈塑性力學是否有用的問題。正鑒于此，必須在“彈塑性力學”課程的教學活動中注重將專業知識與工程實例相融合，將運用彈塑性力學基本理論解決實際工程問題的案例融入教材和教學活動中，舉一反三，使抽象的理論教學活動變為生動的“實際體驗”，激發學生的學習積極性和主動性，培養學生解決實際工程問題的能力和創新意識。

3）綜上所述，目前彈塑性力學課程的教學中存在主的要問題有：

（1）理論教學與工程實際脫節，影響到具體的工程部門的正常應用。

（2）學生的學習積極性和主動性不足，運用知識的能力較差，不能舉一反三。因此，針對這些現象，有必要對 “彈塑性力學”課程進行改革和建設，以適應現代化建設的需要。

2 “彈塑性力學”課程改革和建設的指導思想

中華人民共和國成立以來，黨和國家一貫重視教育工作和教育導向。不同時期，均制定了教育方針，要求教育要面向國家建設[3-5]。尤其是，黨的十八大報告明確指出，要“堅持教育為社會主義現代化建設服務、為人民服務，把立德、樹人作為教育的根本任務，全面實施素質教育，培養德智體美全面發展的社會主義建設者和接班人，努力辦好人民滿意的教育”。我國的教育法規定了我國的教育方針是“教育必須為社會主義現代化建設服務，必須與生產勞動相結合。培養德、智、體等方面全面發展的社會主義事業的建設者和接班人”。

以上論述已經清晰地表明了教育之目的是必須為社會主義現代化建設服務，必須與生產勞動相結合，培養社會主義事業的建設者。足見，所培育出來的社會主義事業的建設者就必須具有為社會主義現代化建設服務的本領，而且其學習的內容也必須能夠與生產勞動相結合。

因此，將教學活動和教學內容與工業和工程實際內容相結合相貼近，就是培養服務于社會主義現代化建設之本領的支撐環節。特別是，所有的工業過程，尤其化工過程，都必須是安全可靠的，而“彈塑性力學”正是各種裝備和設施設計和建造的基礎，甚至可以說“彈塑性力學”是設備安全的“生命線”，這就回答了學習彈塑性力學是否有用的問題。對于化工過程機械專業而言，這一點就尤為重要。安全問題是關乎千家萬戶切身利益的重要議題，因此，必須牢固樹立“責任重于泰山”“人民利益高于一切”的安全觀，并以“不忘初心、牢記使命”的人生觀為基準，把安全意識滲透到設備安全運行和設計的每一個環節中，深刻認識學習本門課程的重要性和必要性。

3 課程內容的構建

基于上述有關“彈塑性力學”課程的改革和建設的指導思想的論述，在教學內容的設計和教學活動中，精選并融入一些與工業和工程實際內容相結合相貼近的議題，作為培養具有服務于社會主義現代化建設之本領人才的支撐環節，達到舉一反三，起到提高學生解決工程問題的能力和創新意識之作用。

經過梳理教學內容和教學實踐，以“確保裝備安全性為牽引，提高運用彈塑性力學解決工程實際問題的能力為核心，全面提升教育質量為目標”，實施“思材雙建”“工程化實用性學習”的改革方案，進行化工過程機械專業“彈塑性力學”課程建設，在凝練徐秉業和劉信聲編寫的《應用彈塑性力學》教材中有關彈塑性力學基本原理及其方法的經典應用作為非力學專業彈塑性力學課程基礎知識的前提下，精選并融入一些與工業和工程實際內容相結合相貼近的內容，如選取了“高韌性材料引起缺口根部應力集中的轉移”“塑性變形引起的損傷”“高韌性管件的彎曲及失效”“缺陷對管件抗彎行為之影響”“高韌性材料的能量吸收過程分析”“雙金屬復合管成型過程分析”“顆粒增強復合材料的熱應力分析”等，構建了該課程教材的新內容，并強調材料韌性對提高設備安全性的重要作用。同時，還以這些新加內容為核心，組織撰寫了“Elastoplastic Behavior of Highly Ductile Materials”（高韌性材料的彈塑性行為）一書，由Springer出版社出版（2019.10.）。該書較為系統地刻畫了由于材料的高韌性，使得梁、板、管等典型構件呈現出的一系列優異行為，從而避免了脆性失效的危險，延長了部件和設備的使用壽命和安全性。

此外，在課程的課堂教學活動中，增加了國際上典型機械失效所導致的重大災難和社會后果的案例，例如，1967年1月，格里索姆等3名美國宇航員在卡納維爾角進行阿波羅1號飛船模擬發射時，因飛船失火而喪生。1912年4月14日夜間11點40分，豪華客輪泰坦尼克號在從英國南安普頓駛往美國紐約途中，觸及冰山，由于材料韌性不足造成1 513名旅客遇難的災難性事故等。強化學生的安全意識和責任意識，并以我國在兩彈一星、航天，以及古今中國在材料等領域的重大貢獻和先進事跡，激發學生的愛崗敬業精神，以及愛國熱情和民族自豪感。具體涉及兩彈一星的功勛科學家錢學森、郭永懷、鄧稼先、程開甲等的杰出貢獻，以及著名數學家華羅庚推廣“優選法”和“統籌法”的突出實例，引導學生從思想上增強敬業精神和奉獻精神。以中國古代陶器、青銅器的制造和使用，增強自信和民族精神。在課程學習過程中，還增加了工程化議題為核心的討論題，進行分組訓練，增強學生應用彈塑性力學理論解決裝備安全性，以及設計和分析問題的能力和學習主動性。

將以上幾條集成起來，就構成了我校化工過程機械專業碩士研究生“彈塑性力學”課程的構型，如圖1所示。

圖1 彈塑性力學課程構型

4 學習方式的改革和探索

除了授課內容上的改革，對“彈塑性力學”課程的學習方式也進行了改革和探索，變“個體學習”為“集體學習”，開展了以工程化議題為核心的討論題，進行多次分組學習。各組先行組織解答，然后分組講解、互相交流，增強學生應用彈塑性力學理論解決裝備安全性，以及設計和分析問題的能力和學習主動性。分組時，由研究生自由組合，形成3~4個學習小組，但是每次組員要有變化，以期形成交叉融合和團隊精神，取得了顯著的學習效果。

5 結束語

在“彈塑性力學”課程建設中，實施“思材雙建”“工程化實用性學習”的改革方案，凝練了徐秉業和劉信聲編寫的《應用彈塑性力學》教材中有關彈塑性力學基本原理及其方法的經典應用作為非力學專業彈塑性力學課的基礎知識，同時精選并融入一些與工業和工程實際內容相貼近的議題，構建了該課程的教材內容，舉一反三，變抽象的理論教學活動為生動的“實際體驗”，提高學生的學習積極性和主動性，對培養學生解決工程問題的能力和創新意識起到了推動作用。