張鵬 王傳杰 朱強 陳剛 崔令江

[關(guān)鍵詞]彈塑性力學(xué);一流本科課程;課程改革;一流本科專業(yè)

根據(jù)教育部發(fā)布的《教育部關(guān)于加快建設(shè)高水平本科教育全面提高人才培養(yǎng)能力的意見》[1]，目前我國本科教育改革著力推進兩個“雙萬計劃”，即2019～2021年，建設(shè)1萬個左右國家級和1萬個左右省級一流本科專業(yè)點[2]，以及建設(shè)1萬門左右國家級和1萬門左右省級一流本科課程[3]，以推動我國本科教育質(zhì)量整體提升。一流課程是一流專業(yè)的基礎(chǔ)，一流專業(yè)是一流本科的核心，而課程是人才培養(yǎng)的核心要素，課程質(zhì)量直接決定人才培養(yǎng)質(zhì)量。

彈塑性力學(xué)是工科專業(yè)重要的基礎(chǔ)理論課程，是理論力學(xué)、材料力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)的延伸，研究變形體在力、位移、溫度等載荷作用下的彈塑性變形規(guī)律，內(nèi)容包括應(yīng)力、應(yīng)變、物理方程、本構(gòu)方程、屈服準(zhǔn)則以及解析方法等。彈塑性力學(xué)課程內(nèi)容理論性和工程實踐性強、公式概念抽象、解析計算復(fù)雜，學(xué)生難以理解掌握課程知識并有效應(yīng)用到工藝實踐中。本文以哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）材料科學(xué)與工程學(xué)院彈塑性力學(xué)課程教學(xué)改革探索為例，立足材料科學(xué)與工程學(xué)科的一流本科專業(yè)和新工科專業(yè)人才培養(yǎng)的根本目標(biāo)，介紹一個根本、兩向維度、三層位面、四元融合的彈塑性力學(xué)課程教學(xué)理念及實踐。

一、彈塑性力學(xué)課程教學(xué)理念

《教育部關(guān)于一流本科課程建設(shè)的實施意見》要求：樹立課程建設(shè)新理念，推進課程改革創(chuàng)新，實施科學(xué)的課程評價，嚴(yán)格課程管理，立起教授上課、消滅“水課”、取消“清考”等硬規(guī)矩，夯實基層教學(xué)組織，提高教師教學(xué)能力，完善以質(zhì)量為導(dǎo)向的課程建設(shè)激勵機制，形成多類型、多樣化的教學(xué)內(nèi)容與課程體系[3]。因此，課程建設(shè)要立足專業(yè)建設(shè)，要堅持提升高階性、突出創(chuàng)新性、增加挑戰(zhàn)度的建設(shè)導(dǎo)向，要以提升學(xué)生發(fā)展能力為重點，要以培養(yǎng)學(xué)生實踐能力為目標(biāo)，重塑課程內(nèi)容，科學(xué)設(shè)計課程考核內(nèi)容和方式，創(chuàng)新教學(xué)方法，實現(xiàn)課堂教學(xué)延展，堅持立德樹人，將思政教育貫穿課程建設(shè)全過程。

彈塑性力學(xué)課程是材料成型及控制工程專業(yè)的核心基礎(chǔ)課，課程內(nèi)容比較抽象、難懂，不但需要前期學(xué)習(xí)的數(shù)學(xué)及力學(xué)課程知識為基礎(chǔ)，還需要開展物理實驗增加實際認(rèn)識，這導(dǎo)致教師難教、學(xué)生難學(xué)的普遍現(xiàn)象產(chǎn)生。借鑒先進的以成果為導(dǎo)向的OBE（Outcome-BasedEducation）[4]教育理念和CDIO（Conceive， Design， Imple?ment， Operate）工程教育模式[5-6]，并結(jié)合專業(yè)工程教育認(rèn)證[7-9]，彈塑性力學(xué)課程教學(xué)團隊立足哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）材料科學(xué)與工程學(xué)院一流本科專業(yè)建設(shè)和新工科專業(yè)建設(shè)的人才培養(yǎng)目標(biāo)，經(jīng)過系列教學(xué)改革和實踐，形成了一個根本、兩向維度、三層位面、四元融合的彈塑性力學(xué)課程教學(xué)理念，其架構(gòu)如圖1所示，包括以下幾方面。

一個根本：立足一流本科專業(yè)和新工科人才培養(yǎng)的根本目標(biāo)，使學(xué)生具備運用彈塑性力學(xué)課程知識分析及解決問題的能力，提升卓越工程師和工程領(lǐng)軍人才培養(yǎng)質(zhì)量。

兩向維度：基于彈塑性力學(xué)課程教學(xué)目標(biāo)的厚基礎(chǔ)、強實踐，實行學(xué)校教師和企業(yè)工程師兩向維度的理論與實踐協(xié)同教學(xué)模式。

三層位面：基于彈塑性力學(xué)課程教學(xué)的全過程，實行課堂教學(xué)、實驗教學(xué)、實踐教學(xué)三層位面的一體化教學(xué)體系。

四元融合：基于彈塑性力學(xué)課程教學(xué)內(nèi)容求創(chuàng)新，實行政教融合、科教融合、賽教融合、產(chǎn)教融合四元融合的多元化教學(xué)設(shè)計。

二、彈塑性力學(xué)課程教學(xué)實踐

彈塑性力學(xué)作為機械設(shè)計、機械制造、材料加工領(lǐng)域研究開發(fā)工作的理論基礎(chǔ)，其課程的教學(xué)目標(biāo)是使學(xué)生掌握彈性力學(xué)和塑性力學(xué)的基礎(chǔ)知識，如應(yīng)力分析、應(yīng)變分析、平衡微分方程及應(yīng)變協(xié)調(diào)方程、廣義虎克定律和彈性力學(xué)解題的基本方程與方法，以及塑性屈服準(zhǔn)則與塑性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系理論、塑性力學(xué)解題的基本方法及應(yīng)用，從而建立用力學(xué)思維解決工程實際問題的數(shù)學(xué)框架，厘清平衡方程、幾何方程、物理方程之間的物理意義，掌握平面問題、空間問題的基本步驟和方法，熟悉有限元軟件的應(yīng)用，以提高學(xué)生從事科學(xué)研究和工程設(shè)計的能力。

彈塑性力學(xué)是固體力學(xué)的一個重要分支學(xué)科，是研究固體材料彈塑性變形規(guī)律的一門科學(xué)，是分析和解決許多學(xué)科領(lǐng)域工程問題的基礎(chǔ)和依據(jù)。通過本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生要了解彈塑性力學(xué)的基本任務(wù)、研究對象，明確彈塑性力學(xué)分析問題解決問題的基本思路和基本方法。彈塑性力學(xué)課程是材料成型及控制工程專業(yè)的基礎(chǔ)理論課，為后續(xù)的塑性加工工藝課程提供理論基礎(chǔ)。材料成型及控制工程專業(yè)是材料科學(xué)、成型工藝與自動控制技術(shù)的綜合與交叉，培養(yǎng)具有材料成型加工基礎(chǔ)理論與應(yīng)用能力的工程技術(shù)人才，涉及國民經(jīng)濟發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)，是工科院校開設(shè)的重要專業(yè)。哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）材料成型及控制工程專業(yè)分為模具制造和軋制工藝兩個方向，專業(yè)建設(shè)按照一流本科專業(yè)建設(shè)和新工科建設(shè)要求，通過卓越工程師和工程領(lǐng)軍人才計劃，培養(yǎng)學(xué)生具備彈塑性力學(xué)理論、材料成型技術(shù)、模具設(shè)計和制造、金屬材料軋制技術(shù)及組織控制等方面的基本理論基礎(chǔ)與實踐能力，培養(yǎng)研究、創(chuàng)新的基本素質(zhì)，為進入生產(chǎn)制造、科學(xué)研究及教學(xué)領(lǐng)域打下堅實的基礎(chǔ);同時，也要培養(yǎng)學(xué)生具備較強的自然科學(xué)基礎(chǔ)，掌握系統(tǒng)的材料科學(xué)基本理論和必要的材料工程應(yīng)用技術(shù)及科學(xué)研究方法，具有創(chuàng)新精神和實踐能力，成為在材料成型方面從事科學(xué)研究、加工工藝設(shè)計及生產(chǎn)組織管理的高級科技人才。立足一流本科專業(yè)和新工科專業(yè)人才培養(yǎng)的根本目標(biāo)，彈塑性力學(xué)課程進行了以下方面的教學(xué)實踐，如表1所示。

（一）兩向維度的教學(xué)模式

針對彈塑性力學(xué)課程的厚基礎(chǔ)、強實踐教學(xué)，基于專業(yè)知識和專業(yè)技能相輔相成，組建了學(xué)校教師和企業(yè)工程師兩向維度的理論與實踐協(xié)同教學(xué)團隊，根據(jù)課程和學(xué)生特點以及工程實際需要，并結(jié)合專業(yè)背景進行授課。課程教學(xué)采取單元化教學(xué)方式，將課程體系內(nèi)容分為應(yīng)力理論、幾何理論、屈服準(zhǔn)則、彈塑性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系、主應(yīng)力法、滑移線場理論等單元。教師引導(dǎo)學(xué)生理解和掌握課程的重點、難點，按照知識結(jié)構(gòu)脈絡(luò)構(gòu)建各單元的教學(xué)內(nèi)容，進行多角度講解，并注重各單元之間的聯(lián)系，實現(xiàn)理論和工藝知識點的交叉貫通。教學(xué)環(huán)節(jié)分為理論知識、工藝實驗、工程實踐，學(xué)校教師主要講授理論知識、指導(dǎo)工藝實驗，企業(yè)工程師主要指導(dǎo)工程實踐。課程考核采取單元測試、實驗報告、實踐報告、試卷考試的累加式成績綜合評定方式。

（二）三層位面的教學(xué)情境

針對彈塑性力學(xué)課程的全過程教學(xué)，按照教學(xué)情境的課堂、實驗室、企業(yè)三層位面，建構(gòu)理論知識、工藝實驗、工程實踐的一體化教學(xué)體系。課堂教學(xué)在教室進行，教師采取板書和多媒體相結(jié)合的方式，講授彈塑性力學(xué)課程各單元的基本理論知識，進行理論要點分析、理論解析應(yīng)用等，通過板書進行公示推導(dǎo)和例題解析，通過多媒體播放圖形繪制和工藝錄像，同時以單元知識點脈絡(luò)進行問題導(dǎo)向的互動式研討。實驗教學(xué)在實驗室進行，采取實驗錄像和實驗操作相結(jié)合的方式，指導(dǎo)課程各單元涉及的拉伸、壓縮、彎曲、剪切、扭轉(zhuǎn)等實驗內(nèi)容。實踐教學(xué)在企業(yè)進行，采取工藝案例現(xiàn)場講解和分組實踐相結(jié)合的方式，指導(dǎo)課程各單元涉及的應(yīng)力狀態(tài)判別、應(yīng)變狀態(tài)判定、利用屈服準(zhǔn)則控制塑性變形區(qū)、彈塑性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系在塑性成型工序中的應(yīng)用、主應(yīng)力法和滑移線法在塑性成形工藝中的應(yīng)用等實踐內(nèi)容。

（三）四元融合的教學(xué)內(nèi)容

針對彈塑性力學(xué)課程的求創(chuàng)新教學(xué)，按照教學(xué)內(nèi)容實行政教融合、科教融合、賽教融合、產(chǎn)教融合的多元化教學(xué)設(shè)計。政教融合：將國之重器元素融入教學(xué)，將彈塑性力學(xué)理論知識在航天器、深潛器、大飛機、高鐵等國家重器中核心關(guān)鍵構(gòu)件成型成性以及服役可靠性評價等方面的應(yīng)用作為案例教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生掌握并運用彈塑性力學(xué)課程知識制訂關(guān)鍵構(gòu)件成型工藝路線以及評價使役性能，學(xué)有所用，以專業(yè)本領(lǐng)報效國家。科教融合：將科學(xué)研究元素融入教學(xué)，利用彈塑性力學(xué)理論知識、工藝實驗、工程實踐內(nèi)容構(gòu)建材料本構(gòu)關(guān)系模型、彈塑性變形機制圖、平面問題與軸對稱問題求解策略等系列理論與實踐專題，融合科研的育人性和教學(xué)的學(xué)術(shù)性，以研討課的方式，引導(dǎo)學(xué)生通過探究和辯論深入理解課程內(nèi)容，重組課堂教學(xué)、實驗教學(xué)、實踐教學(xué)三層位面知識體系，提升自主學(xué)習(xí)能力。賽教融合：將取工藝仿真元素融入教學(xué)，圍繞知識點，結(jié)合工藝實際精選課程內(nèi)容設(shè)置例題和習(xí)題，并設(shè)計體積成型和板材成型工藝的仿真案例，通過指導(dǎo)學(xué)生參加專業(yè)工藝仿真大賽，引導(dǎo)學(xué)生掌握課程知識體系并使用有限元軟件分析成型工藝變形機制，優(yōu)化設(shè)計工藝參數(shù)，提升知識應(yīng)用能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新意識。產(chǎn)教融合：將工程實踐元素融入教學(xué)，將彈塑性力學(xué)課程的材料處理方法、實驗方法、工藝方法等方面的相關(guān)國家、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和專業(yè)技能培訓(xùn)融入教學(xué)，以生產(chǎn)工藝項目實訓(xùn)的方式，引導(dǎo)學(xué)生熟知知識到工藝的操作規(guī)程和知識到技能的崗位職責(zé)，提升學(xué)生的工程實踐能力。

三、實踐效果

彈塑性力學(xué)課程教學(xué)改革已在多輪本科教學(xué)中探索應(yīng)用，授課教師團隊由學(xué)校教師和企業(yè)工程師組成，參與改革的學(xué)生規(guī)模已達千余人。教師在教學(xué)過程中既注重了學(xué)生對理論知識的學(xué)習(xí)與理解，又加大了學(xué)生的應(yīng)用實踐能力的鍛煉與培養(yǎng)。課程教學(xué)實踐取得了明顯成效，教學(xué)過程中引入工程問題背景講解，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性和積極性;通過知識脈絡(luò)與工藝應(yīng)用聯(lián)動講授，培養(yǎng)了學(xué)生的知識綜合運用能力和創(chuàng)新思維;通過工程現(xiàn)場案例講解互動，增強了學(xué)生的理論聯(lián)系實際分析、解決問題能力。

通過課程教學(xué)實踐，教學(xué)團隊將一個根本、兩向維度、三層位面、四元融合的彈塑性力學(xué)課程教學(xué)理念融入教材建設(shè)，出版了《彈塑性力學(xué)基礎(chǔ)理論與解析應(yīng)用》教材[10]，重點闡述了彈塑性力學(xué)的應(yīng)力理論及其解析應(yīng)用、幾何理論及其解析應(yīng)用、屈服準(zhǔn)則及其解析應(yīng)用、彈塑性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系理論及其解析應(yīng)用、主應(yīng)力法及其解析應(yīng)用、滑移線場理論及其解析應(yīng)用等內(nèi)容，按基本理論概述、理論要點分析、理論解析應(yīng)用、實驗方法模塊編寫，便于學(xué)生掌握彈塑性力學(xué)理論要領(lǐng)與解析應(yīng)用，從而提高學(xué)生分析問題、解決問題的能力。本教材出版以來，已被國內(nèi)多所高校采用。

四、結(jié)語

彈塑性力學(xué)是工科專業(yè)重要的基礎(chǔ)理論課程，內(nèi)容理論性和工程實踐性強，公式概念抽象，解析計算復(fù)雜，學(xué)生難以理解掌握課程知識并有效運用。教學(xué)團隊經(jīng)過多年教學(xué)實踐，立足一流本科專業(yè)和新工科人才培養(yǎng)的根本目標(biāo)，形成一個根本、兩向維度、三層位面、四元融合的彈塑性力學(xué)課程教學(xué)理念，實踐表明，學(xué)生能夠在教學(xué)過程中掌握理論知識、工藝實驗、工程實踐的彈塑性力學(xué)內(nèi)容。