“金属塑性成形原理”配套课程设计改革与实践

摘要：针对金属材料工程专业本科学生普遍反映，“金属塑性成形原理”课程概念抽象、理论深奥、难以掌握。在教育部“卓越工程师培养计划”支持下进行课程设计开发和教学方法改革，配套实践环节与课程学习进行同步，强化理论在实践中的应用，实现了平面书本知识的立体映像化教学。在教学实践中，这种综合教学方法更加受到学生的认可，教学效果良好。

关键词：金属塑性成形原理；课程设计；改革与实践

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）16-0019-03

一、课程介绍

金属塑性成形原理是高等工科院校材料类及加工相关各专业的一门专业基础课，该课程是研究和探讨金属在各种塑性加工工程中可遵循的基础和规律的一门学科。其目的在于科学地、系统地阐明这些基础和规律，为学习后续的工艺课程作理论准备，也为合理制定塑性成形工艺规范及选择设备、设计模具奠定理论基础[1-3]。上海大学材料科学与工程学院将“金属塑性成形原理”作为本科金属材料专业的一门基础必修课，课程的教材选用机械工业出版社2010年出版的俞汉青、陈金德编著的《金属塑性成形原理》[4]。课程面向金属材料专业本科大三学生，其先修课程有工程力学、材料科学基础、金属材料学等，使教学时学生已有一定的基础。课程的主要内容包括以下几方面。

1.金属塑性变形的物理基础：金属塑性的测定方法、相关指标及主要影响因素以及金属断裂的过程。

2.金属塑性变形的力学基础：变形体内质点的应力、应变分析方法；应力平衡微分方程的推导过程，平面应力、平面应变、轴对称应力状态的特点和表达形式；“小应变”、“无限小应变”及“大应变”等基本概念，小变形几何方程和变形连续方程，全量应变和应变增量以及应变速率的概念；应力应变关系、屈服准则等塑性理论基本知识；全量理论和增量理论的概念；本构关系（塑性变形时应力—应变关系）的特点，列维—密席斯方程和普朗特—劳斯方程；屈服、屈服准则的概念，屈雷斯加屈服准则和密席斯屈服准则，屈服准则的几何表达——屈服轨迹和屈服表面；屈服准则的验证方法，应变硬化材料的屈服准则。真实应力应变曲线及相关概念；通过实验来确定真实应力—应变曲线的方法，其中包括不同温度、速度条件对真实应力—应变曲线的影响以及常用金属材料真实应力—应变曲线的近似表达方程。

3.塑性成形问题的主应力法（切块法）的理论基础和解题思路，其中重点在于塑性问题的基本方程、平衡微分方程和屈服条件联立求解法、主应力法的基本假设和解题步骤、矩形和圆柱形工件镦粗变形力的计算、两种常用摩擦条件、接触面的分区、镦粗变形功的计算。

4.塑性成形问题的滑移线场法的理论基础和解题思路。

由此可见，“金属塑性成形原理”课程涉及内容较多且抽象复杂，如何在有限的课程教学时间内将教学内容传输给学生，并易于让学生消化和吸收是课程教学的难点之一。而课程讲授中数学理论推导又较多，且公式推导和证明求解与高等数学联系较紧密，因而课程难度较大，这同样为课程的教学和学生的学习带来了困难。除此之外，如何将本课程高密度的抽象理论联系实际也是本课程教学成败的关键。

二、教学方法改革与实践

“卓越工程师教育培养计划”是国家教育部贯彻落实《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020年）》的重大改革项目，也是促进我国由工程教育大国迈向工程教育强国的重大举措，旨在培养造就一大批创新能力强、适应经济社会发展需要的高质量各类型工程技术人才。上海大学是“卓越工程师教育培养计划”的入选首批高校，在金属材料工程本科专业进行实施。为契合其培养理念，同时针对上述总结的“金属塑性成形原理”课程教学中的主要难点以及学生课堂的实际反应，在“卓越工程师培养计划”支持下进行课程设计开发，提出了以下三条课程讲授改进措施。

1.多媒体教学与板书教学有机结合。课程教学中充分利用多媒体传输信息量大、表达直接形象的优势，结合教材理论进行讲授，既不浪费过多时间于绘图同时又形象地反映出立体图像和动态过程，而且还提高了学生的课堂学习效率，方便课后回顾课件进行复习。但由于本课程讲授中数学理论推导较多，且公式推导和证明求解与高等数学联系较紧密，此时，一味地追求多媒体讲授虽能加快课程进度，但效果可能适得其反，容易造成学生走马观花，无法留下深刻印象，以致后续课程教与学的脱节。因此，在重点公式推导和典型例题的证明解题上，通过板书引导学生跟随进行逐步推导和求解，以便较好的掌握。例如教材第六章“主应力法及其应用”章节中平面应变镦粗型的变形力和轴对称镦粗型的变形力的求解，在其教学中通过设计立体切片法，将抽象的应力问题转化为物理中的简单力平衡问题。如此一来，多媒体教学与板书教学的有机结合，既有效解决了课程内容多且抽象复杂的问题，也合理处理了烦琐的公式推导和证明求解的难点，使得课程能够有序高效的教与学。

2.配套实践环节与同步课程设计。本课程在总共40学时教学中采用30学时进行课堂理论教学，同时安排10学时在理论教学途中穿插进行配套实验实践以及同步课程设计。配套实践环节内容包括（流程如图1所示）：①板材拉伸真实应力应变曲线试验：按照板材厚度或者板材类型的不同对学生进行分组，完成单向拉伸试验；学习使用制图软件绘制条件应力—应变曲线，再进行条件应力—应变曲线与真实应力—应变曲线的转换和硬化模型近似数学表达式的拟合与对比。②薄板冲压成形及有限元数值模拟试验：分组采用各自在拉伸试验中的板材，在金属单动液压拉深机上进行U型件薄板冲压弯曲试验；对照零件实物学习使用钣金冲压数值模拟仿真软件对U型件薄板冲压成形进行过程演示，从中掌握对数真实应力—应变曲线和屈服方程的应用。从数值模拟演示结果学习各个塑性指标，包括各方向应力、应变、减薄率等效塑性应力和等效塑性应变、主次应变等指标的云图读取。③U型件塑性弯曲冲压试验，对比分析实际试验成形结果与数值模拟成形结果，如应变分布、开裂情况、厚度分布等。

在配套实践环节，采用与课程同步进行的课程设计教学，创建金属塑性成型原理课程中应变、硬化、屈服、增量变形等抽象理论的形象化教学，以板料冲压成型为依托，将理论应用于板材塑性成型课程设计中，实际案例见图2。通过此课程设计和案例教学，有效实现了课程理论的再现与重组，展现了分散的课程知识之间的内在逻辑；同时又将关键的理论知识有机地组合在一起，并应用于实际案例，从而合理解决了本课程高密度的抽象理论联系实际的难点，提升了本门课程的可理解性，也进一步培养了应用基础理论知识进行产品工艺分析和设计的能力。就教学效果及学生反馈情况可见，这一环节在课程改革优化中起到举足轻重的作用。

3.分组展示课程设计报告。在本课程教学理念中，始终秉承“听一遍不如做一遍有效，做一遍不如讲一遍深刻”的原则，在课程的尾端，配套实践环节与同步课程设计进行后，分组对薄板冲压成形有限元数值模拟过程和结果分析进行展示。不仅锻炼了学生制作PPT报告及演讲的能力，还将抽象理论运用于产品工艺分析和设计过程中。与此同时，在展示的过程中，学生运用了所学到的理论知识，从而加深了印象。

三、结语

上述教学方法改革后，在上海大学2014学年课程教学中进行试运行。

图3为“金属塑性成形原理”课程历年成绩走势图。由图可知，2014学年课程平均分数和平均绩点较改革前成绩有明显提升。

图4为“金属塑性成形原理”课程历年成绩分布图，对比分析改革前、后成绩分布可以发现，成绩在90分以上和80～90分区间改革后的学生比例较改革前显著增大，并且改革后及格率为100%。

综合分析，在教育部“卓越工程师培养计划”（上海大学金属材料工程专业）支持下进行课程设计开发后，采用配套课程设计、理论联系实际的教学改革后，课程教学中的难点便迎刃而解了，同时课程成绩呈现出较显著进步，当然成绩的进步和班级整体学风、同学们的平时努力分不开，但是也在一定程度上反映了课程改革的效果。随着现代教育技术的不断进步，“金属塑性成形原理”课程的改革必将继续进行下去，以不断获取最佳的教学效果。

参考文献：

[1]李强，于宝义，李润霞，等.“金属塑性成形原理”课程教学方法改革与实践[J].中国电力教育，2010，（25）：59-60.

[2]赵亚东，郝安林.“金属塑性成形原理”课程的教学探索[J].安阳工学院学报，2011，（52）：95-97.

[3]耿铁，闫丽群.“塑性成形原理”课程教学方法探讨[J].科技创新导报，2012，（19）：156-158.

[4]俞汉青，陈金德.金属塑性成形原理[M].北京：机械工业出版社，2010.