塑性成形力学课程教学方法探讨

沈晓辉，章晓峰，闫 军

（安徽工业大学 冶金工程学院，安徽 马鞍山243002）

塑性成形力学是塑性成形理论的重要内容之一，是材料成型及控制工程专业的核心基础课，也是很多高校材料加工工程专业的研究生入学考试科目。该课程主要内容是塑性力学基本理论及其在金属塑性形成中的应用方法。通过该课程的学习，学生不仅能够掌握塑性成形力学基本理论，更为重要的是掌握塑性成形问题的分析方法，提高解决实际问题的能力。塑性成形力学还是材料成型及控制工程专业的相关专业课程如塑性成形计算机模拟、轧制理论、冲压工艺学的基础，塑性成形力学课程的教学效果的改进对本专业学生夯实学科基础、培养创新能力具有重要作用。塑性成形力学理论比较抽象，该课程的学习对学生的高等数学、线性代数、工程力学等方面的基础知识要求较高，而目前采用的双语教学模式，客观上增加了学生的学习难度；加之大班授课、课时压缩以及部分学生尚未养成良好的学习习惯，以致该课程的教学难以取得满意的效果。我们结合塑性成形力学课程组多年教学实践，探讨教学过程中的具体改进措施。

一、正确处理教与学的关系

教学关系中，主体是学生、主导是教师。［1］传统的教学方式中主要突出“教”，习惯于把学生置于被动学习地位，忽视学生学习积极性的培养。事实上学生是教学过程中信息加工的主体。教师的主导作用体现在教师的引导和指导上。教师应该创造性地设计教学各环节，不断改进教学方法，以生动活泼的教学方式抓住学生的注意力，以简洁明快的节奏调动学生学习积极性和主动性，使其勤于思考，主动投入精力去消化、理解和掌握知识。

教师的引导过程实质是师生的互动过程。如何引导学生是教师在教学过程中需要精心设计的重要内容。授课过程中，应合理安排重点、难点的讲解方式，分层次设问、讨论交流，并时刻关注学生反应，引导学生通过自己的思考发现规律，纠正认识偏差，得出结论；鼓励学生积极思考并勇于表达自己的观点，强化他们探索新知识、新理论的积极性。比如在介绍“等效应力”概念时，先从简单受力状态下的轴向应力是否达到屈服应力作为判断材料是否屈服依据，引导学生考虑在复杂应力状态下是否发生屈服，学生自然想到用屈服条件。接着设问，复杂应力状态下是否可以定义一个应力指标来判断材料是否屈服，引导学生考虑用屈服函数的表达式来定义这一指标，然后指出这一指标就是等效应力。针对教材上选用Mises屈服函数来定义等效应力，启发学生考虑可否采用其他屈服函数来定义。通过引导思维，让学生自己理解“等效应力”的意义以及“等效”的方法。

二、重视理论概念的逻辑联系

人们对理论的认知过程是对问题的抽象及理解过程，清晰概念的掌握和扎实的基本功是提高创新能力的重要前提。塑性成形力学中概念、公式多，理论抽象，容易产生枯燥感。为使学生对课程的知识理论体系有清晰的把握，需要学生理解每个知识点在知识结构中的地位、作用以及和其他知识点的联系。因此，在教案和课件编排时注重理论知识体系的逻辑结构、重点及难点的安排，教学过程中适时给出该章内容知识结构体系，帮助学生理解知识点之间的联系，有助于分析问题时思路的厘清。比如，在第一章关于“应力分析”的讲授时，给出图1所示的知识结构，使知识点的联系一目了然，抓住核心环节，便于理论知识的学习和理解。

图1 应力分析中的理论结构

为提高学生的学习积极性，授课过程中还注意强调相关知识点与其它课程的联系，加强对知识点或实例的横向扩展讨论，培养学生对专业理论横向联系的思维和习惯。比如将“主应力、主方向”与线性代数中矩阵的“特征值、特征向量”相联系，从数学角度加深对物理概念的理解；讲解偏应变张量的第三不变量时，将其取值的情况（正、负或零）与塑性加工金属学中的变形图示相联系（本专业把变形图示纳入塑性加工金属学课程中的塑性加工热力学条件中介绍）；讲解静水压力对塑性变形不产生影响时，交代清楚静水压力与金属塑性的关系，引导学生联系塑性加工金属学中关于金属塑性的相关知识，利于学生对专业基础理论整体把握；讲解“主应力法”时，与轧制理论中关于轧制压力、冲压工艺学中的冲压力理论计算相联系；上界法中关于圆环镦粗分析的结果在摩擦系数测定中的应用与“摩擦与润滑”课程中的相关内容相联系。通过横向联系也更突出塑性成形力学的基础作用。

此外，为引导学生在平时学习中对基本概念的理解充分重视，我们在考核内容上加大基本概念题的分量，增加了选择题、判断题，考察学生平时对理论概念的理解程度，尤其强调塑性成形力学中的数学公式所反映的物理概念。

三、加强理论与工程实际的联系

塑性成形力学基本理论主要由一系列力学基本方程构成，如图2所示，每一个方程都定量描述了塑性成形理论中的关键问题。如果仅从方程的推导来讲解，必然会容易使学生陷入繁琐的数学公式演算中。因此，在讲解力学方程时，结合教师的研究背景，使用问题（可以是工程实践中的问题，也可是学科理论中问题）引入的方式。通过提出问题（工程实例）、抽象问题、阐述理论、再回到工程问题的解决上来。

图2 塑性成形力学中的基本方程

问题的引入，必然会引起学生的主动思考。通过分析工程实际问题中涉及的相关理论要素，突出理论在解决实际问题中的重要应用，不仅可以吸引学生注意力，还有助于培养学生的科研潜能和创新意识。［2］再通过条件假设、问题抽象，引导学生的思维向力学方程逼近，不但加深学生对理论的认识，还能突出每个方程的物理意义并理解其应用要点。

课堂上补充实例分析有助于学生对关键内容的理解。例题的选择，一方面要体现理论重点，另一方面需联系工程实际，以此来培养学生发现问题、解决问题的能力。解题实质是对已有知识的检索、分析、组合、应用的过程，理出正确的思路是解题的关键所在。解决问题的能力很大程度上取决于将实际问题抽象为力学模型的能力。塑性成形力学教学过程中，在介绍各种工程方法时，应注意强调问题的抽象过程和方法，而不只是对简单例题的解决。问题解决后，还要进行结果分析及延伸讨论，提高学生的综合分析能力以及创新思维能力。比如，当前异步轧制在学术界和工业界又得到了广泛的重视和研究，可以就异步轧制时轧制力的显著降低现象引导学生用屈服条件解释其原因。

塑性成形力学关于工程中的应用介绍了三种方法：主应力法、滑移线法及上界法。这部分内容主要是通过工程实例分析，重点介绍每种方法的思路、解题步骤和特点及应用条件。对同一实例，尝试用不同方法求解，突出每种方法的要点，并比较求解的结果；对同一问题，通过变化边界条件或假设前提，还可衍生不同的问题，从而加深学生对每种方法的理解。

四、注意激发学生的学习兴趣

为了激发学生求知欲望，在绪论课中结合学科领域的科学技术发展，以让学生明确该门课程在教学计划中的地位、作用，该课程的理论知识能够解决哪些专业问题，学习之后能够在哪些方面的能力得到提升。让学生带着清晰的目标去学习。当然这些刺激需要在整个课程教学过程中结合每一章节的内容，适时不断强化，不断提高学生学习积极性。此外，教学过程中适当加入塑性力学科学史及科学家的智力活动介绍，介绍问题的来龙去脉和理论的发展过程，这一方面能提高学生的学习兴趣，另外一方面有利于培养学生的科学方法和科学精神。

注意多媒体与板书推演的结合。多媒体演示通过视频、图片、文字及生动交互的方式，使原本单一靠文字表达的概念变得生动具体。通过课件的精心准备，不但增大了授课信息量，还节省了板书或讲解的时间。但需要注意的是，多媒体教学的信息量过大、速度较快，容易使学生产生疲劳，难以长时间注意力集中；屏幕切换过快，不利于学生对知识的深化理解。为此，需要教师自如掌握授课节奏，洞察学生反应，要留足够的时间用于启发、引导学生思考。传统的板书推演在力学理论讲授时有时比多媒体演示有优势，板书推演更容易将学生思维和教师的授课思想融为一体。因此在关键方程推演时，在幻灯屏幕上给出大致思路，抛开教材采用板书形式，板书过程中带动学生一起思考，更能使学生感到贴心，拉近教与学的距离。

五、结语

针对塑性成形力学课程教学中现阶段存在的主要问题，我们从教与学的关系、理论概念逻辑关系、理论与工程实际的联系、学习兴趣的激发几个方面展开教学方法的探讨和改革，取得较为理想的效果。今后，为进一步突出培养学生的创新精神和实践能力，抓住塑性成形力学教学过程中的主要矛盾，要继续强调教师的主导作用，提高自身教学认识和素养，不断改进教学方法，提高教学质量。

［1］ 刘放鸣．对“教为主导，学为主体”理论的哲学反思［J］．湖南社会科学，2005（4）：138－140．

［2］ 石志飞．对力学课程研究型教学中几个基本问题的思考［J］．力学与实践，2009，31（6）：78－79．