《金属塑性成形原理》课程教学设计与实践.pdf

120 Academic and Practise 学术与实践金属塑性成形原理课程教学设计与实践罗宁康，梅益（贵州大学机械工程学院，贵州贵阳550025）摘要：本文立足金属塑性成形原理课程教学，围绕课程教学达成的三个目标，构建教学内容与课程目标的对应关系，开展智慧教学环境下的交互式课堂融合、基于 PBL的课程教学设计、虚实混合课程教学设计、科研导向式教学等设计，建设理论教学资源库和实践教学案例库，建立多维度、多环节、多产出的课程考核综合评价机制，聚焦培养学生发现、提出、分析和解决复杂专业工程问题的能力。关键词：金属塑性成形；虚实混合课程教学；PBL 课程教学；科研导向教学基金项目：贵州省科技计划项目（黔科合支撑20202Y058号）；贵阳市科技计划项目（筑科合同202116号）；贵州大学实验室开放项目（SYSKF2022-006）。作者简介：罗宁康，男，贵州大学机械工程学院实验师。梅益，男，博士，贵州大学机械工程学院教授、博士生导师。金属塑性成形原理是贵州大学机械工程学院材料成型及控制工程专业的专业必修课程。主要研究金属塑性成形的机理以及变形条件对塑性变形过程的影响，塑性变形的力学基础、工程热力学基础，研究塑性变形力学过程的各种解法。通过本门课程的学习，使学生了解和掌握金属塑性成形的微观和宏观特点及规律，掌握金属塑性成形的基本原理和分析方法，能够对塑性成形过程进行应力分析和应变分析，了解塑性变形的屈服准则，典型材料的本构方程等，培养学生建立数学模型解决材料成型方向的复杂工程问题的能力。为制定合理的塑性成形工艺规范及设备选择提供依据，也为后续模具设计与制造等专业课程学习打下坚实的理论基础1-4。罗宁康，梅益：金属塑性成形原理课程教学设计与实践121一、课程目标目标 1：知识层面目标。了解应用材料学原理解析金属塑性变形的本质，包括晶体结构、塑性变形机理，塑性成形后组织与性能等；掌握金属塑性成形的力学基础及塑性成形时金属的流动规律，包括金属材料塑性变形的应力状态分析、应变状态分析，金属材料的屈服条件、本构方程等；掌握金属塑性成形的基本原理和分析方法，掌握金属塑性成形问题常用的简化分析和数学解析方法，包括基于简化平衡微分方程和塑性条件的主应力法，面向理想刚塑性体的平面应变问题的滑移线法，基于虚功原理和基本能量方程的上限法，有限元模拟法等。目标 2：能力层面目标。能够应用工程基础、专业知识和数学方法，建立数学模型并对塑性成形过程中的复杂工程问题展开分析，设计、优化问题的解决方案；能够将相关知识及数学模型方法应用于专业工程问题的推演、验证，聚焦培养学生发现、提出、分析和解决复杂专业工程问题的能力；能够简要分析解析结果，能够在求解过程中体现创新能力。目标 3：素养层面目标。引导学生进一步认识本专业在经济社会发展中的重要作用，激发学生对金属材料基础、塑性成形理论和技术的研究热情，培养学生专注金属塑性成形的“工匠”精神。二、教学内容与课程目标的对应关系课程选用机械工业出版社 2011 年出版的由董湘怀主编的金属塑性成形原理5作为教材。课程面向大三年级本科生开设，先修的课程主要有高等数学、线性代数、理论力学、材料力学、金属学与热处理等，教学时学生有一定的数学、材料、力学基础。通过教学内容重构设计，本课程各知识单元的教学内容与 3 个课程目标的对应关系如表 1 所示。表 1教学内容与课程目标的对应关系知识单元教学内容课程目标金属塑性变形的材料学原理晶体结构、塑性变形机理，塑性成形后组织与性能，冷、热、温状态下塑性变形1金属的塑性影响因素，超塑性1应力分析金属材料塑性变形的应力状态分析2应变分析金属材料塑性变形的应变状态分析2屈服准则和本构方程金属材料的屈服条件、本构方程，应力-应变曲线2金属塑性成形中的摩擦和润滑摩擦分类、机理，面向接触面的摩擦系数的主要影响因素，润滑3122 Academic and Practise 学术与实践续表知识单元教学内容课程目标主应力法及其应用基本原理，基于主应力法的墩粗、正挤、模锻、圆筒件拉伸分析3塑性成形问题的滑移线解法滑移线场的应力场、速度场理论，汉基方程等3上限法基于虚功原理和基本能量方程的上限法3三、教学方法1.智慧教学环境下的交互式课堂融合针对课程教学中与高等数学、线性代数、理论力学和材料力学联系紧密的公式推导、定理证明和例题讲解等，采用智慧教学环境交互引导学生逐步推导和求解。充分利用智慧教学环境的方便、快捷、高效传输优势，通过应用 SEM 图、TEM 图、动画和视频等，直观而形象地反映金属塑性变形的立体图像和动态过程，有效解决课程内容多且抽象复杂的问题，合理处理繁琐的公式推导和证明求解的难点，使得课程能够有序高效地教与学。2.基于 PBL 的课程教学设计为了反馈与促进教学内容和课程目标的达成情况，采用基于 PBL 的课程教学设计，涵盖微观组织、数学分析、力学模型、数值模拟、成形方法等，构建学生立体化课程知识体系架构,引导学生对课程的自主探索。3.虚实混合课程教学设计理论教学方面，借助位错、滑移线、屈服准则等理论，从组织结构、变形机理、变形条件、影响因素、力学状态等方面，围绕金属塑性成形工艺方法选择、工艺参数优化，为模具设计、成形工艺、产品生产提供理论依据。实践教学方面，充分利用现有塑性加工实验设备开设实操实验，探索不同应变速率对真实应力-应变曲线的影响，培养学生的应用实践能力；借助 DEFORM、ANSYS 等软件对墩粗、轧制、锻造等基本加工方式受力过程进行直观、动态的演示，提高学生科学探究能力。4.科研导向教学建设理论教学资源库和实践教学案例库，积极引导学生参与科研活动，及时跟踪反馈最前沿的科研成果，如大型复杂精密薄壁板材冲压成形、航空钛合金叶片精锻成形等，培养学生科研兴趣、科研素养和创新能力。四、考核方式 坚持“学生中心、过程考核、产出导向”，改进期末考试终结性评价，强化课程教学形成性评价，探索建立多维度、多环罗宁康，梅益：金属塑性成形原理课程教学设计与实践123节、多产出的课程考核综合评价机制。课程考核及成绩评定方式见表 2 所示。表 2 课程考核及成绩评定方式序号 考核方式考核内容成绩比例（%）1课堂表现考勤情况、课堂提问、学习态度102课程作业基于 PBL 的课程习题及课程大作业103期中考试覆盖课程大纲的知识与能力要求的闭卷考试104课程实验2 个课程实验的实验表现、实验报告等205期末考试覆盖课程大纲的知识与能力要求的闭卷考试50五、实践效果 1.实践效果方面通过课程教学重构设计、持续改进，近三年学生的课程考核成绩进步显著（成型 171 班、172 班的平均分分别为 65.19、52.1，成 型 191 班、192 班 的 平 均 分 为76.93、70.54），学生主动参加挑战杯、“互联网+”等学科竞赛，积极参与贵州省科技支撑计划、贵阳市科技计划等省市项目，学生认可度较高、接受度较好，有效解决了学生普遍反馈的金属塑性成形原理课程理论性强、概念抽象、难度较大等问题，聚焦金属塑性成形领域，培养了学生发现、提出、分析和解决复杂专业工程问题的能力。2.实践成果方面笔者承担贵州省科技计划项目 2 项，贵阳市科技计划项目 1 项，贵州大学实验室开放项目 2 项；撰写教改论文 2 篇，指导 20 余名学生参与学科竞赛、项目研究等，课程创新实践成效显著。参考文献：1 王武荣,丁悦婕,韦习成,等.虚拟仿真项目驱动“金属塑性成形原理”课程教学改革实践 J.科教文汇(中旬刊),2021(11):105-110.2 杜艳迎.MATLAB 在塑性成形原理课程中的应用研究 J.科教导刊,2021(10):140-142.3 张香云,袁子洲.工程教育专业认证背景下的专业课教学方法改革初探以塑性成形原理为例J.教育教学论坛,2020(51):156-158.4 王武荣,韦习成.“金属塑性成形原理”配套课程设计改革与实践 J.教育教学论坛,2016(16):19-21.5 董湘怀.金属塑性成形原理 M.北京：机械工业出版社,2011.