张鹏 王传杰 朱强 陈刚 崔令江

[关键词]弹塑性力学;一流本科课程;课程改革;一流本科专业

根据教育部发布的《教育部关于加快建设高水平本科教育全面提高人才培养能力的意见》[1]，目前我国本科教育改革着力推进两个“双万计划”，即2019～2021年，建设1万个左右国家级和1万个左右省级一流本科专业点[2]，以及建设1万门左右国家级和1万门左右省级一流本科课程[3]，以推动我国本科教育质量整体提升。一流课程是一流专业的基础，一流专业是一流本科的核心，而课程是人才培养的核心要素，课程质量直接决定人才培养质量。

弹塑性力学是工科专业重要的基础理论课程，是理论力学、材料力学和结构力学的延伸，研究变形体在力、位移、温度等载荷作用下的弹塑性变形规律，内容包括应力、应变、物理方程、本构方程、屈服准则以及解析方法等。弹塑性力学课程内容理论性和工程实践性强、公式概念抽象、解析计算复杂，学生难以理解掌握课程知识并有效应用到工艺实践中。本文以哈尔滨工业大学（威海）材料科学与工程学院弹塑性力学课程教学改革探索为例，立足材料科学与工程学科的一流本科专业和新工科专业人才培养的根本目标，介绍一个根本、两向维度、三层位面、四元融合的弹塑性力学课程教学理念及实践。

一、弹塑性力学课程教学理念

《教育部关于一流本科课程建设的实施意见》要求：树立课程建设新理念，推进课程改革创新，实施科学的课程评价，严格课程管理，立起教授上课、消灭“水课”、取消“清考”等硬规矩，夯实基层教学组织，提高教师教学能力，完善以质量为导向的课程建设激励机制，形成多类型、多样化的教学内容与课程体系[3]。因此，课程建设要立足专业建设，要坚持提升高阶性、突出创新性、增加挑战度的建设导向，要以提升学生发展能力为重点，要以培养学生实践能力为目标，重塑课程内容，科学设计课程考核内容和方式，创新教学方法，实现课堂教学延展，坚持立德树人，将思政教育贯穿课程建设全过程。

弹塑性力学课程是材料成型及控制工程专业的核心基础课，课程内容比较抽象、难懂，不但需要前期学习的数学及力学课程知识为基础，还需要开展物理实验增加实际认识，这导致教师难教、学生难学的普遍现象产生。借鉴先进的以成果为导向的OBE（Outcome-BasedEducation）[4]教育理念和CDIO（Conceive， Design， Imple?ment， Operate）工程教育模式[5-6]，并结合专业工程教育认证[7-9]，弹塑性力学课程教学团队立足哈尔滨工业大学（威海）材料科学与工程学院一流本科专业建设和新工科专业建设的人才培养目标，经过系列教学改革和实践，形成了一个根本、两向维度、三层位面、四元融合的弹塑性力学课程教学理念，其架构如图1所示，包括以下几方面。

一个根本：立足一流本科专业和新工科人才培养的根本目标，使学生具备运用弹塑性力学课程知识分析及解决问题的能力，提升卓越工程师和工程领军人才培养质量。

两向维度：基于弹塑性力学课程教学目标的厚基础、强实践，实行学校教师和企业工程师两向维度的理论与实践协同教学模式。

三层位面：基于弹塑性力学课程教学的全过程，实行课堂教学、实验教学、实践教学三层位面的一体化教学体系。

四元融合：基于弹塑性力学课程教学内容求创新，实行政教融合、科教融合、赛教融合、产教融合四元融合的多元化教学设计。

二、弹塑性力学课程教学实践

弹塑性力学作为机械设计、机械制造、材料加工领域研究开发工作的理论基础，其课程的教学目标是使学生掌握弹性力学和塑性力学的基础知识，如应力分析、应变分析、平衡微分方程及应变协调方程、广义虎克定律和弹性力学解题的基本方程与方法，以及塑性屈服准则与塑性应力应变关系理论、塑性力学解题的基本方法及应用，从而建立用力学思维解决工程实际问题的数学框架，厘清平衡方程、几何方程、物理方程之间的物理意义，掌握平面问题、空间问题的基本步骤和方法，熟悉有限元软件的应用，以提高学生从事科学研究和工程设计的能力。

弹塑性力学是固体力学的一个重要分支学科，是研究固体材料弹塑性变形规律的一门科学，是分析和解决许多学科领域工程问题的基础和依据。通过本课程的学习，学生要了解弹塑性力学的基本任务、研究对象，明确弹塑性力学分析问题解决问题的基本思路和基本方法。弹塑性力学课程是材料成型及控制工程专业的基础理论课，为后续的塑性加工工艺课程提供理论基础。材料成型及控制工程专业是材料科学、成型工艺与自动控制技术的综合与交叉，培养具有材料成型加工基础理论与应用能力的工程技术人才，涉及国民经济发展的支柱产业，是工科院校开设的重要专业。哈尔滨工业大学（威海）材料成型及控制工程专业分为模具制造和轧制工艺两个方向，专业建设按照一流本科专业建设和新工科建设要求，通过卓越工程师和工程领军人才计划，培养学生具备弹塑性力学理论、材料成型技术、模具设计和制造、金属材料轧制技术及组织控制等方面的基本理论基础与实践能力，培养研究、创新的基本素质，为进入生产制造、科学研究及教学领域打下坚实的基础;同时，也要培养学生具备较强的自然科学基础，掌握系统的材料科学基本理论和必要的材料工程应用技术及科学研究方法，具有创新精神和实践能力，成为在材料成型方面从事科学研究、加工工艺设计及生产组织管理的高级科技人才。立足一流本科专业和新工科专业人才培养的根本目标，弹塑性力学课程进行了以下方面的教学实践，如表1所示。

（一）两向维度的教学模式

针对弹塑性力学课程的厚基础、强实践教学，基于专业知识和专业技能相辅相成，组建了学校教师和企业工程师两向维度的理论与实践协同教学团队，根据课程和学生特点以及工程实际需要，并结合专业背景进行授课。课程教学采取单元化教学方式，将课程体系内容分为应力理论、几何理论、屈服准则、弹塑性应力应变关系、主应力法、滑移线场理论等单元。教师引导学生理解和掌握課程的重点、难点，按照知识结构脉络构建各单元的教学内容，进行多角度讲解，并注重各单元之间的联系，实现理论和工艺知识点的交叉贯通。教学环节分为理论知识、工艺实验、工程实践，学校教师主要讲授理论知识、指导工艺实验，企业工程师主要指导工程实践。课程考核采取单元测试、实验报告、实践报告、试卷考试的累加式成绩综合评定方式。

（二）三层位面的教学情境

针对弹塑性力学课程的全过程教学，按照教学情境的课堂、实验室、企业三层位面，建构理论知识、工艺实验、工程实践的一体化教学体系。课堂教学在教室进行，教师采取板书和多媒体相结合的方式，讲授弹塑性力学课程各单元的基本理论知识，进行理论要点分析、理论解析应用等，通过板书进行公示推导和例题解析，通过多媒体播放图形绘制和工艺录像，同时以单元知识点脉络进行问题导向的互动式研讨。实验教学在实验室进行，采取实验录像和实验操作相结合的方式，指导课程各单元涉及的拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转等实验内容。实践教学在企业进行，采取工艺案例现场讲解和分组实践相结合的方式，指导课程各单元涉及的应力状态判别、应变状态判定、利用屈服准则控制塑性变形区、弹塑性应力应变关系在塑性成型工序中的应用、主应力法和滑移线法在塑性成形工艺中的应用等实践内容。

（三）四元融合的教学内容

针对弹塑性力学课程的求创新教学，按照教学内容实行政教融合、科教融合、赛教融合、产教融合的多元化教学设计。政教融合：将国之重器元素融入教学，将弹塑性力学理论知识在航天器、深潜器、大飞机、高铁等国家重器中核心关键构件成型成性以及服役可靠性评价等方面的应用作为案例教学，引导学生掌握并运用弹塑性力学课程知识制订关键构件成型工艺路线以及评价使役性能，学有所用，以专业本领报效国家。科教融合：将科学研究元素融入教学，利用弹塑性力学理论知识、工艺实验、工程实践内容构建材料本构关系模型、弹塑性变形机制图、平面问题与轴对称问题求解策略等系列理论与实践专题，融合科研的育人性和教学的学术性，以研讨课的方式，引导学生通过探究和辩论深入理解课程内容，重组课堂教学、实验教学、实践教学三层位面知识体系，提升自主学习能力。赛教融合：将取工艺仿真元素融入教学，围绕知识点，结合工艺实际精选课程内容设置例题和习题，并设计体积成型和板材成型工艺的仿真案例，通过指导学生参加专业工艺仿真大赛，引导学生掌握课程知识体系并使用有限元软件分析成型工艺变形机制，优化设计工艺参数，提升知识应用能力，培养学生的创新思维和创新意识。产教融合：将工程实践元素融入教学，将弹塑性力学课程的材料处理方法、实验方法、工艺方法等方面的相关国家、行业标准和专业技能培训融入教学，以生产工艺项目实训的方式，引导学生熟知知识到工艺的操作规程和知识到技能的崗位职责，提升学生的工程实践能力。

三、实践效果

弹塑性力学课程教学改革已在多轮本科教学中探索应用，授课教师团队由学校教师和企业工程师组成，参与改革的学生规模已达千余人。教师在教学过程中既注重了学生对理论知识的学习与理解，又加大了学生的应用实践能力的锻炼与培养。课程教学实践取得了明显成效，教学过程中引入工程问题背景讲解，提高了学生的学习主动性和积极性;通过知识脉络与工艺应用联动讲授，培养了学生的知识综合运用能力和创新思维;通过工程现场案例讲解互动，增强了学生的理论联系实际分析、解决问题能力。

通过课程教学实践，教学团队将一个根本、两向维度、三层位面、四元融合的弹塑性力学课程教学理念融入教材建设，出版了《弹塑性力学基础理论与解析应用》教材[10]，重点阐述了弹塑性力学的应力理论及其解析应用、几何理论及其解析应用、屈服准则及其解析应用、弹塑性应力应变关系理论及其解析应用、主应力法及其解析应用、滑移线场理论及其解析应用等内容，按基本理论概述、理论要点分析、理论解析应用、实验方法模块编写，便于学生掌握弹塑性力学理论要领与解析应用，从而提高学生分析问题、解决问题的能力。本教材出版以来，已被国内多所高校采用。

四、结语

弹塑性力学是工科专业重要的基础理论课程，内容理论性和工程实践性强，公式概念抽象，解析计算复杂，学生难以理解掌握课程知识并有效运用。教学团队经过多年教学实践，立足一流本科专业和新工科人才培养的根本目标，形成一个根本、两向维度、三层位面、四元融合的弹塑性力学课程教学理念，实践表明，学生能够在教学过程中掌握理论知识、工艺实验、工程实践的弹塑性力学内容。