温彤　陈霞　王梦寒　李军超

[摘 要]如何提高塑性成形原理基础理论课程的教学质量是一个系统工程。在课程内容丰富但学时有限的情况下，需要本着加强理论基础、融通共性知识和拓宽知识的原则，按照“基础实、知识博、能力强、素质高”的总体目标，通过优化课程内容、实施分层次教学，引用塑性成形领域“源头创新”的典型案例，应用多种教学手段，结合教学与科研来培养学生的创新思想等方式不断加强学生分析能力、归纳能力和知识渗透能力的培养。

[关键词]基础理论；塑性成形；课程建设

[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2019）05-0060-03

一、引言

改革开放以来，经过多年的快速发展，我国经济既面临巨大的机会又面临巨大的挑战。改革初期，我们“摸着石头过河”，经过了汽车行业的“市场换技术”以及IT领域所谓“贸工技”和“技工贸”的路线斗争。今天，我们的经济总量已不可同日而语，但在许多关键领域仍受制于人，存在被“卡脖子”的现象。2018年世界经贸领域发生的许多重大事件，就是相关问题的集中体现与爆发。如何培育新的经济增长点、实现新的突破，是摆在我们面前一个刻不容缓的问题。国务院发布的《国家创新驱动发展战略纲要》明确指出：“我国经济必须依靠创新驱动打造发展新引擎，大力发展先进制造技术和引领产业变革的颠覆性技术，推动制造业向价值链高端攀升。”

基础理论对促进技术发展、掌握核心科技具有重要作用。纵观历史，从人造卫星上天到原子弹、氢弹爆炸，再到汽车无人驾驶、高速铁路……无论是重大还是局部的技术创新，都是建立在对基础理论的突破和科学的应用上。大量实践已经证明，核心科技是无法靠购买或者开放市场等途径获取的。开展基础研究，是掌握核心科技、提高原始创新能力的重要途径，也是产业诞生和振兴的根本，是我们跻身世界科技强国的必要条件[1-2]。

塑性成形是一种具有悠久历史的金属制造工艺，在现代工业领域的应用极其广泛[3-5]。本文以塑性成形原理课程为例，对如何在高层次工科专业技术人才培养中加强基础理论教学、促进原始创新进行了探讨。结合新时期科学技术的发展潮流与国家建设需要，通过塑性成型领域的典型案例，阐述了基础理论对掌握科技核心、实现原始创新的重要意义，并针对如何强化塑性成形原理课程的基础理论教学，帮助学生掌握基础理论知识，从内容设置、教学方式等方面提出了一些思考和建议。

二、塑性成形原理课程的内容与特点

塑性成形理论是材料成型、材料加工以及冶金等相关专业的专业基础理论课，旨在为学生后续的专业学习和研究奠定理论基础[6-8]。其核心内容是围绕材料的成分、组织结构、加工工艺与性能之间关系，科学、系统地阐明金属塑性变形的物理学和力学的基础与共同规律；研究和探讨塑性成形典型工艺的相关问题，以获得最佳加工状态、最高变形效率和优质的性能。课程教学的内容，可以理解为是从三个不同的角度来认识塑性变形：1.塑性变形的物理基础——从微观角度认识塑性变形；2.塑性力学——从宏观角度认识塑性变形；3.塑性成形工艺——从实践应用的角度认识塑性变形。

塑性成形原理涵盖力学、材料学、成形工艺与装备等方面的知识，内容涉及面广，同时也是一门理论与实践紧密结合的课程。课程总体上偏重塑性力学理论，教学内容具有抽象、难度相对较大的特点。此外，由于技术的不断发展，各种塑性成形的新方法大量涌现，还需要结合最新的技术动向对传统塑性成形理论进行更新和补充[9-11]。

三、提高塑性成形原理课程教学质量的实践与探索

如何提高基础理论课程的教学质量是一个系统工程。在课程内容丰富但学时有限的情况下，如何满足研究型工科专业人才培养目标及模式的基本要求，紧跟本学科领域的最新理论与技术发展，都是任课教师要着重考虑的问题。教师需要本着加强理论基础、融通共性知识和拓宽知识的原则，按照“基础实、知识博、能力强、素质高”的总体目标，不断加强学生分析能力、归纳能力和知识渗透能力的培养。下面笔者结合自身的教学经验，谈谈对提高基础理论课程教学质量的一些体会。

（一）优化课程内容、实施分层次教学

总体上，我们对塑性成形原理教学內容的要求分为掌握和了解两个层次。塑性变形的物理基础部分主要涉及材料学的理论部分，这在工程材料等其他课程已经学习过。为此，本课程主要介绍和回顾与塑性变形有关的内容，如塑性变形的微观机理、加工硬化等概念，而塑性成形缺陷控制等内容，因后续专业课会集中学习，因此本课程中仅要求学生了解。考虑到超塑性的实际应用不多，因此这部分内容也仅要求学生了解。但屈服准则、本构方程等塑性力学的核心内容，就要求学生全面掌握。一些陈旧的内容需要合理取舍、甚至不做讲解。如塑性成形的滑移线法、能量法等求解方法，实际的应用已经很少，仅作为一种概念让学生了解。但解析方法里的主应力方法，因实际中具有一定的应用价值，因此要求学生对主应力法的基本求解过程能够掌握。

针对塑性成形原理课程的内容抽象、理解难度大等问题，要尽量避免枯燥的理论公式推导，应侧重物理概念的理解和应用，同时注重知识点讲解的循序渐进。一些核心概念需要反复强调，让学生真正掌握其精髓。例如，为什么单向拉伸得出的屈服应力，可以应用到任意复杂受力状态下的屈服准则？等效应力、等效应变的实质是什么？

塑性力学中涉及许多公式的推导。推导过程主要是一些数学工具的应用，通常大三的学生已基本完成相关技能的学习，而详细讲解推导过程将花费大量时间，这个过程容易让学生感觉枯燥，因此对一些公式的推导我们在讲解中会大大简化。

但需要指出的是，公式作为定量化的数学理论模型，在科学技术研究和应用中是不可缺少的重要工具，因此不可能完全回避。我们采用了划重点、列出重要公式等方式，让学生掌握公式中的关键内容，如Tresca与Mises两个屈服准则。为了便于学生理解抽象公式，需要对一些典型的公式加以解释和说明，让学生“知其然”，还要“知其所以然”。结合公式的规律与对称性，可以让学生更好地理解和记忆重点公式。概念方面，需要引导学生深入思考：为什么这些数学公式能够反映力学的基本概念？例如，为什么两个屈服准则的公式可以反映不计静水应力以及只考虑应力偏张量的作用？

（二）塑性成形领域“源头创新”的典型案例

在生产实践中，塑性成形常常被理解为一门“技艺”，人们对相关基础理论的关注不多。但在塑性成形技术的发展历史中，出现过大量工程创新的案例。这些案例充分证明，只有从“原理”的层面进行思考，才能深刻理解并解决工程实际问题，才能实现“颠覆式”革新。在教学中，这些案例不仅可以让学生开阔眼界，也使其充分认识到基础理论的重要意义，从而能大大提高他们的学习兴趣。

1.小设备干大事的“等温锻造”

航空航天等领域常常用到许多大型、复杂的结构件，为保证质量和使用寿命，其理想的制造工艺是整体塑性成形，但这需要特大吨位的压力机。目前，世界上最大的压力机是我国二重公司研发的8万吨压力机。该设备的研制成功，为国产C919大飞机、蛟龙号载人潜水器等一系列重大装备的制造提供了有力的支撑。在这之前，世界上最大的压力机是俄罗斯生产的两台7.5万吨模锻压力机。据资料显示，美国并未有更大的压力机。那么，美国人是如何生产出诸多航空、航天器上的大型核心结构部件呢？

事实上，苏联的7.5万吨大型压机之后，美国也曾经有研制20万吨压机的方案，仅上横梁就有10层楼高。因技术难度大、成本太高，后来美国的重点放在了研发“等温锻造”等新的成形工艺上。“等温锻造”可以大幅降低锻件的成形载荷，因此美国原有的5万吨压机一直沿用至今。而“等温锻造”能够使成形力降低的实质，就是利用了非牛顿流体的流变特性，即应力随应变速率的降低而降低的原理，采用非常低的速度对锻件进行成形。由于金属通常要在高温下才具有显著的非牛顿流体的流变特性，因此“等温锻造”过程需要长时间保持在高温状态，这对整个成形模具系统提出了很高的要求。

流变体的特性还可以应用于其他不同的场合。我们在上课时经常对学生提出一个问题：“小广告”号称城市的“牛皮癣”。贴上不干胶贴纸十分简单，但要去除就很麻烦。那么，如果用机械方法即如用手一一揭掉一个不干胶贴纸，是快速还是慢速好？另外一个例子，就是西班牙Badennove公司发明的一款智能液体减速带BIV，它能够自适应车辆行驶速度并做出不同反应：只要在减速带前放慢车速，慢慢碾压上去，BIV就会是柔软的，车内的颠簸感也会减到最低。其玄机，就在于BIV里装的非牛顿流体。

2.拉弯成形

弯曲是把金属板材、管材和型材等坯料弯成一定曲率、形状和尺寸的塑性成形工艺，应用十分广泛。弯曲成形时，由于变形区内各部分的应力状态不同，特别是中性层内外侧的应力和应变方向相反，当卸掉载荷后，两侧材料的弹性回复方向相反，从而导致回弹变形，并对弯曲件精度造成不同程度的负面影响。

针对上述弯曲回弹的产生机理，人们提出了拉弯工艺，通过将弯曲与拉伸相复合，使得拉弯时厚度上都受到同方向的拉力作用，卸载弹复变形小，从而达到提高成形精度的目的。

3.搅拌摩擦焊

传统上，焊接和塑性成形是两种截然不同的材料加工工艺，他们在原理、方法与设备等方面存在着本质的差异。但英国焊接研究所（The Welding Institute，TWI）1991年发明的搅拌摩擦焊（Friction Stir Welding，FSW），却是将塑性变形与连接技术进行了有机的结合。FSW在焊接过程中，搅拌头在旋转的同时伸入工件的接缝中，旋转搅拌头（主要是轴肩部位）与工件之间的摩擦热，使搅拌头前的材料发生强烈塑性变形；然后随着搅拌头的移动，高度塑性变形的材料逐渐沉积在搅拌头的背后，形成FSW焊缝。

FSW在焊接过程中不需要焊条、焊丝、焊剂及保护气体等其他焊接消耗材料，同时由于FSW焊接时温度相对较低，因此结构的残余应力或变形也较熔化焊小得多。目前，FSW主要是用于熔点较低的铝合金、镁合金等有色金属，近年来在高熔点材料领域也获得了一定的发展。

（三）应用多种教学手段

目前，我校塑性成形原理课程的教学仍是以主讲教师的课堂教学为主，其中结合多媒体进行教学。在教学过程中，适当穿插一些课堂练习、专题报告。针对该课程概念多、相對抽象的特点，除了在课堂上重点介绍相关理论以外，还安排了真实应力-应变曲线、塑性成形摩擦参数测试等几个实验。通过实验，可以让学生多动手、多思考，能提出问题。另外，每部分的教学内容结束后，布置有作业让学生在课后教学学习。需要指出的是，虽然“翻转课堂”等一些创新教学模式近年来比较受关注，但操作中还需要考虑学时、教学资源等条件的实际情况。

（四）结合教学与科研，培养学生的创新思想

教师是实施教学的主体。对于课程的教学，只有任课教师先融会贯通，才能够让学生举一反三，否则只能照本宣科。因此，教师除了要认真备课、不断提高授课技巧以外，还需要加强自身学习，不断提高专业素养，保证知识结构的与时俱进。在教学过程中，要注重学科知识的交叉，尽量给学生展示本行业最新的技术动向、新概念和新理论。

目前，国内大多数的高校教师对科研活动都有着很高的参与度。做好科研工作的前提，是对专业理论有着深刻的理解。实践证明，教学中结合一些科研课题和前沿的研究内容，给学生介绍一些书本以外的新思想和新概念，能够极大地开拓学生的视野、培养其创新意识。例如，在介绍影响塑性成形过程表面摩擦的因素时，我们结合已开展的科研项目，补充说明了“载荷特性”对塑性成形过程的影响，特别是叠加超声波振动以后的所谓“表面效应”，这些内容在现有的教材中均未涉及。这些虽然是教材以外补充的内容，也不是考试的重点，但一些学生非常有兴趣，部分学生下课以后还专门就此问题找任课教师咨询。

四、结论

要实现我国经济的成功转型，不能靠“组装”“山寨”，更不能靠“忽悠”，需要站在新的历史起点，脚踏实地、努力奋斗。基础理论研究是科学之本和创新之源，是国家核心竞争力的重要组成部分，是提升原始创新能力的根本途径。高等学校作为科技第一生产力、人才第一资源和创新第一动力的结合点，是我国基础研究的主力军、原始创新的主战场和创新人才培育的主阵地。

近年来，我国高等学校基础研究“量增质升”，创新能力持续增强。但整体上，高校的基础研究与新时代建设世界科技强国和教育强国的要求相比，仍有一定的差距。专业基础理论课程作为培养学生掌握基础理论的重要环节，需要得到进一步的重视并从多方面加强。近期，教育部启动实施了“高等学校基础研究珠峰计划”。我们有理由相信，在各级部门的重视和支持下，我国高等学校的基础研究将得到进一步的推动，高校的创新也将迈上新的台阶。

[ 参 考 文 献 ]

[1] 陈霞，温彤.基础类设计课程教学改革的探索与实践[J].高等建筑教育，2006（3）：78-80.

[2] 温彤，陈霞.对材料成形与控制专业本科教学的思考[J].理工高教研究，2008（1）：113-114.

[3] 楊明，张晓燕，向嵩.由材料成形原理课程浅谈教学改革与实践[J].教育教学论坛，2016（8）：83-84.

[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] 邓鹏辉，吴海宏，李凤云.工程材料及成型工艺基础课程教学改革的研究与实践[J].郑州工业高等专科学校学报，2000（16）：38-40.

[6] 程禹霖，张丽娜.《金属塑性成形原理》课程在应用技术型大学中的教学改革初探[J].黑龙江科技信息，2016（1）：118.

[7] 张绪平，解辉军.“材料成型原理”课程建设[J].煤炭高等教育，2007（4）：123.

[8] 张健，龙春光，华熳煜.《金属塑性成型原理与工艺》课程教学改革初探[J].装备制造技术，2010（10）：198-199.

[9] 周志明，黄伟九，张驰，等.“材料成形原理”模块化教学改革探索[J].中国冶金教育，2011（2）：13-14.

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[责任编辑：陈 明]