面向焊接專業(yè)特點的彈塑性力學(xué)課程教學(xué)改革

1、面向焊接專業(yè)特點的彈塑性力學(xué)課程教學(xué)改革摘 要：結(jié)合焊接技術(shù)與工程專業(yè)特點及教學(xué)過程中存在問題，以江蘇科技大學(xué)材料學(xué)院為例，對彈塑性力學(xué) 課程在教學(xué)理念、內(nèi)容、方法及評價措施進行改革探索；突出專業(yè)特色和工程應(yīng)用背景，強化教學(xué)過程中學(xué)生的中 心地位，注重學(xué)生理論知識及其能力有機結(jié)合；同時引入網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺及模擬仿真技術(shù)，為切實提高焊接專業(yè)彈塑 性力學(xué)課程教學(xué)質(zhì)量提供借鑒。關(guān)鍵詞：焊接專業(yè)特點；彈塑性力學(xué)課程；教學(xué)改革；網(wǎng)絡(luò)化平臺；數(shù)值模擬Welding-major Oriented Teaching Reformation of Elastic-plastic MechanicsAbstract：

2、 Considering the characteristic of welding technology and engineering major and the problem in its teaching process, for school of materials science and engineering in Jiangsu University, the teaching reformation is carried out in terms of teaching idea, content, method and score evaluation, which h

3、ighlights the major feature and engineering application background and strengthens the central position of student in the teaching process. Meanwhile, both the network platform and numerical simulation technology are applied to the teaching process. These measures provide a reference for improving t

4、he teaching quality of elastic-plastic mechanics course for welding major.教學(xué)改革與探索教學(xué)改革與探索Key words： Characteristic of welding major; Elastic-plastic Numerical simulation彈塑性力學(xué)是工科專業(yè)一門重要的固體力學(xué)基 礎(chǔ)專業(yè)課程，教學(xué)內(nèi)容包括約束條件下力的應(yīng)力、 應(yīng)變分析、本構(gòu)方程、物理方程、屈服強度等1;該 課程是對結(jié)構(gòu)力學(xué)和材料力學(xué)的進一步拓展，理論 性和工程應(yīng)用性都很強。相較于前者，彈塑性力學(xué) 應(yīng)用范圍更為廣泛；而相較于后者，彈塑

5、性力學(xué)分 析結(jié)果更為準(zhǔn)確，因此彈塑性力學(xué)被廣泛應(yīng)用于土 木、橋梁、水利、金屬及其它材料構(gòu)件的加工等領(lǐng)域； 而隨著計算機和數(shù)值分析技術(shù)的發(fā)展，進一步推動 的彈塑性力學(xué)的應(yīng)用。但同時彈塑性力學(xué)公式繁多、 概念抽象、推導(dǎo)過程復(fù)雜，對學(xué)生的微分、泛函及 力學(xué)知識要求較高，學(xué)生學(xué)習(xí)積極性很低，是目前 公認的難學(xué)、難教的基礎(chǔ)專業(yè)課程。目前江蘇科技 大學(xué)材料學(xué)院金屬工程專業(yè)、焊接技術(shù)與工程專業(yè) 和材料成型專業(yè)均開設(shè)了彈塑性課程；但教材和教 學(xué)內(nèi)容完全相同，且理論性過強，缺乏不同專業(yè)的 mechanics course; Teaching reformation; Network platform;特色及應(yīng)用

6、背景，使得教學(xué)內(nèi)容與工程實踐嚴(yán)重割 裂，導(dǎo)致學(xué)生普遍對彈塑性力學(xué)的學(xué)習(xí)目的不夠明 確，進一步打擊了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。此外，不同專 業(yè)對彈塑性力學(xué)課程知識的需求不同，故授課過程 中應(yīng)有相應(yīng)的側(cè)重點。本文以江蘇科技大學(xué)材料學(xué) 院為例，結(jié)合其課程體系改革、工程教學(xué)專業(yè)認證 建設(shè)及本人教學(xué)經(jīng)驗，嘗試對焊接技術(shù)與工程專業(yè) 彈塑性力學(xué)課程教學(xué)進行改革。一教學(xué)過程中存在問題(-)內(nèi)容抽象晦澀目前彈塑性力學(xué)教學(xué)內(nèi)容多為力學(xué)概念、眾多 模型的建立和推導(dǎo)，且主要針對理想材料；其中既 存在嚴(yán)密的數(shù)學(xué)推導(dǎo)過程，又存在基于實驗測定的 力學(xué)模型，并涉及一定的假設(shè)條件，內(nèi)容非常抽象、 枯燥且難懂，教師的授課難度非常大。如果學(xué)

7、生沒有扎實的理論力學(xué)、材料力學(xué)、材料力學(xué)性能及高 等數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，又缺乏力學(xué)和抽象思維，則難于真正 理解、掌握課程理論知識，學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情不高， 大多僅是死記硬背相關(guān)概念、公式及解題過程口。（二）缺乏專業(yè)導(dǎo)向焊接專業(yè)的理論性、專業(yè)技能性及工程應(yīng)用和 實踐性都很強，其中涉及大量的力學(xué)知識。焊接結(jié) 構(gòu)作為一門焊接專業(yè)的核心骨干課程，其先導(dǎo)課 程中要求必須包括彈塑性力學(xué)基礎(chǔ)。在焊接應(yīng)力變 形機理及分析、接頭性能力學(xué)評價、應(yīng)力檢測等內(nèi) 容都與彈塑性力學(xué)知識密切相關(guān)。而目前傳統(tǒng)教材 中極少涉及專業(yè)背景，為數(shù)不多的案例也多為理想 材料、極簡構(gòu)件的通用案例，對于焊接專業(yè)的介紹 和講解更為空白。正是由于專業(yè)導(dǎo)向不

8、明，使得學(xué) 習(xí)過程中無法體會彈塑性力學(xué)對焊接知識學(xué)習(xí)的重 要性，降低了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，也對后續(xù)其它焊 接力學(xué)課程的學(xué)習(xí)造成困難。（三）難于學(xué)以致用首先，部分學(xué)生彈塑性力學(xué)知識不扎實，并未 對其概念、模型真正理解、掌握，故難于將其靈活 應(yīng)用于工程實踐；其次，對于焊接生產(chǎn)領(lǐng)域，構(gòu)件 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對其應(yīng)力變形的分析主要借助于有限元 計算，而非推導(dǎo)嚴(yán)謹、概念清晰的解析計算，這就 要求學(xué)生掌握相應(yīng)的數(shù)值模擬技術(shù)和商用軟件操作， 使得學(xué)生感覺彈塑性力學(xué)知識在焊接專業(yè)中的直接 應(yīng)用性不強，學(xué)習(xí)成就感較低；甚至部分學(xué)生認為 將來利用有限元軟件模擬焊接應(yīng)力、評價接頭性能， 無需深入彈塑性力學(xué)知識，導(dǎo)致學(xué)生后期焊

9、接理論 學(xué)習(xí)、接頭韌性、疲勞失效評定及有限元模型建立 時感覺力不從心。二教學(xué)改革措施（-）教學(xué)理念及教學(xué)內(nèi)容基于工程教育專業(yè)認證理念3，轉(zhuǎn)變教學(xué)思 維。在教學(xué)過程中，突出學(xué)生教學(xué)過程的中心地位， 改變過去以教師為主導(dǎo)教學(xué)模型，專注學(xué)生畢業(yè)能 力培養(yǎng)。教學(xué)計劃、內(nèi)容、考核方式的制定和設(shè)置 以及教學(xué)方法和手段的運用必須緊緊圍繞學(xué)生畢業(yè) 能力目標(biāo)達成這一中心任務(wù)，而非課程理論架構(gòu)的 完整性。突出焊接專業(yè)背景，增加焊接案例分析將焊接專業(yè)背景貫穿于整個教學(xué)過程，教學(xué)內(nèi) 容及授課過程中要突出、強化彈塑性力學(xué)課程的專 業(yè)特色和工程應(yīng)用背景，增加焊接結(jié)構(gòu)案例分析， 使學(xué)生明晰學(xué)習(xí)該課程的專業(yè)目的性，切實體會彈

10、 塑性力學(xué)課程內(nèi)容對焊接專業(yè)知識學(xué)習(xí)的重要性， 提升學(xué)生后續(xù)焊接專業(yè)知識學(xué)習(xí)的連貫性。例如對 于主應(yīng)力和主應(yīng)力方向概念和計算時，授課過程中， 首先介紹其對焊接接頭力學(xué)性能評價及檢測的重要 性，并結(jié)合焊接工程中常用的檢測應(yīng)力的小孔法原 理、韌性的線彈性評價方法、焊接殘余應(yīng)力等進行 講解；從專業(yè)應(yīng)用角度出發(fā)，使學(xué)生認識到彈塑性 力學(xué)知識并非空中樓閣，而是可以真實指導(dǎo)解決實 際焊接工程問題。強化核心內(nèi)容，借助多種教學(xué)方法和手段目前焊接專業(yè)彈塑塑性力學(xué)課程課時僅為32學(xué) 時，在如此限學(xué)時內(nèi)，完成彈性、彈塑性應(yīng)力分析、 模型建立推導(dǎo)過程以及相關(guān)實例的講解；同時還有 針對不同學(xué)生的知識儲備及認知能力，需要

11、對先導(dǎo) 知識進行回顧。因為，進一步突出核心概念、模型 和案例的學(xué)習(xí)，弱化模型詳細推導(dǎo)過程以及變分、 極限理論等知識點的講解，更多注重力學(xué)模型物理 意義、推導(dǎo)機理、應(yīng)用范圍及相關(guān)案例的講授。同 時借助網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)平臺和數(shù)值模擬計算等教學(xué)手段， 彌補課時不足、課程枯燥的問題。（二）教學(xué)方法及手段加強網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺建設(shè)網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)平臺可有效整合教學(xué)資源，加強和 便利了老師、學(xué)生及教學(xué)資源之間的交互行為，且 時間安排相對靈活。隨著多媒體技術(shù)和手機智能應(yīng) 用軟件的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)也越來越被老師和學(xué)生 所接受。利用交互式網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)平臺，老師不僅可 以對課程核心內(nèi)容作進一步的講解，還可及時獲得 學(xué)生學(xué)習(xí)效果的反饋

12、，參與學(xué)生自主學(xué)習(xí)的討論。 此外，交互式網(wǎng)絡(luò)平臺可有效克服課時限制，橫向 拓寬學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)。對于無法在課堂講授的知識 點以及學(xué)習(xí)本門課程所需要的先導(dǎo)課程知識，學(xué)生 可通過網(wǎng)絡(luò)平臺自學(xué)或溫習(xí)，同時老師進行適當(dāng)指 導(dǎo)或輔導(dǎo)；例如對于變分法原理和極值原理章節(jié)相 關(guān)公式的詳細推導(dǎo)及相關(guān)數(shù)學(xué)背景和理論的介紹等 可在網(wǎng)絡(luò)平臺有學(xué)生自學(xué)；此外，部分焊接構(gòu)件的 應(yīng)力和變形分析案例以及彈塑性力學(xué)在接頭韌性評 價的最新應(yīng)用進展，均可通過網(wǎng)絡(luò)平臺展示給學(xué)生。 對于目前網(wǎng)上關(guān)于彈塑性力學(xué)課程的教學(xué)資源非常 豐富，學(xué)生可通過網(wǎng)絡(luò)平臺獲得一個生動、形象的 多層次學(xué)習(xí)環(huán)境。利用模擬仿真實現(xiàn)算例的可視化對于彈塑性力學(xué)基礎(chǔ)課

13、程，除公式較多、對微 積分等高等數(shù)學(xué)知識要求較高外，應(yīng)力應(yīng)變概念及 產(chǎn)生和分布特征的高度抽象性是其難教難學(xué)的關(guān)鍵 所在。而有限元模擬技術(shù)可以考慮構(gòu)件幾何特征和 約束條件下的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)應(yīng)變變形產(chǎn)生過程和分 布的可視化2；模擬仿真結(jié)果可以通過彩色分布云 圖、視頻等形式形象的展示應(yīng)力變形特性及不同條件對其影響，使得教學(xué)內(nèi)容生動、有趣，增強了學(xué) 生對彈塑性應(yīng)力、變形基礎(chǔ)理論知識和案例分析的 感性認識，增進了理解，提高了學(xué)習(xí)的主動性和積 極性。例如講解柱體的彈塑性扭轉(zhuǎn)等過程中，利用 數(shù)值模擬結(jié)果可以清晰、生動地顯示不同階段應(yīng)力、 變形特征和變化，講解過程更清晰，學(xué)生更易理解 和接受。而數(shù)值仿真技術(shù)與網(wǎng)

14、絡(luò)化教學(xué)平臺相結(jié)合， 同時應(yīng)用于教學(xué)過程，學(xué)生可獲得更多豐富生動的 通用和焊接專業(yè)算例的有限元分析結(jié)果。此外，由 于焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)力變形主要借助于有限元分析，有限 元結(jié)果的采用利于學(xué)生較早理解有限元分析軟件和 計算結(jié)果特征，便于與后續(xù)焊接專業(yè)知識的銜接。綜合運用多種現(xiàn)代教學(xué)方法借助上述交互式網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)平臺及數(shù)值模擬技 術(shù)等教學(xué)手段，主要借助如下教學(xué)方法提高教學(xué)質(zhì)量。（1）基于數(shù)值仿真的演示法課堂或網(wǎng)絡(luò)授課過程中，利用數(shù)值模擬結(jié)果對 彈塑性應(yīng)力應(yīng)變產(chǎn)生與分布、圣維南定理、約束條 件影響等機理講解和算例分析等進行可視化演示， 實現(xiàn)學(xué)生對抽象知識的感官認識，增強對相關(guān)理論 的理解。與一般的示意圖片或動畫

15、不同，數(shù)值仿真 技術(shù)可以接近真實地展示材料的瞬態(tài)三維力學(xué)行為， 更利于老師理論知識的講解，提高學(xué)生對其信服程 度和接受能力。例如在講解圣維南定理過程中，利 用有限元計算結(jié)果主觀向?qū)W生展示構(gòu)件次要邊界應(yīng) 力條件的簡化對構(gòu)件應(yīng)力分布特征的影響，其教學(xué) 效果要遠遠勝過基于幾幅意圖的通篇大論。如上所 述，由于焊接物理過程及構(gòu)件幾何形狀都較復(fù)雜， 焊接應(yīng)力變形無法直接通過解析計算獲得，焊接案 例介紹和分析的只能借助數(shù)值分析結(jié)果。同時，在 理論知識和算例講解前，首先通過彩色分布圖片及 視屏給學(xué)生以生動、形象的展示，可激發(fā)學(xué)生的好 奇心，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性。（2）突出專業(yè)特色的啟發(fā)法和討論法啟發(fā)式和討論法

16、教學(xué)能偶有效提高學(xué)生學(xué)習(xí)知 識的參與度、專注度和深度，進而提升教學(xué)效果， 受到普遍的重視45O對于彈塑性力學(xué)課程，在有機 結(jié)合這兩種教學(xué)方式的同時，要著重強化焊接專業(yè) 特色和工程背景，使得焊接專業(yè)學(xué)生在授課過程中 切實感受到彈塑性力學(xué)知識與焊接專業(yè)密切相關(guān)性 以及其對學(xué)習(xí)焊接知識的客觀必要性。授課時，首 先介紹與本節(jié)內(nèi)容相關(guān)的焊接工程應(yīng)用背景，并通 過對比、誘導(dǎo)、討論等方式，增強學(xué)生對知識的理 解的同時，加深其對機理應(yīng)用背景的認識。例如在 講授圓孔應(yīng)力集中問題時，可首先介紹下焊縫氣孔 對接頭力學(xué)性能的影響和危害，再向?qū)W生過渡說明 圓孔應(yīng)力集中問題可從力學(xué)理論角度解釋氣孔對焊 縫性影響的機理。然

17、后，通過有限元分析結(jié)果形象 對比小孔存在前后對其材料應(yīng)力分布特征的影響， 講解相關(guān)機理和公式推導(dǎo)，同時啟發(fā)、誘導(dǎo)學(xué)生對 過去所學(xué)知識的回想和聯(lián)系；并通過凝練一些基礎(chǔ) 理論和焊接工程應(yīng)用問題引導(dǎo)教師和學(xué)生之間及學(xué) 生和學(xué)生之間的相互提問及討論；對于學(xué)生所提問 題，則通過引導(dǎo)、啟發(fā)和提示，促使學(xué)生首先給出 答案，培養(yǎng)學(xué)生獨立思考和應(yīng)用知識能力，增強學(xué) 生學(xué)習(xí)的參與性，提高其學(xué)習(xí)主動性。為了突出學(xué) 生學(xué)習(xí)的主體地位，可選取某些難度適中的機理或 焊接工程案例內(nèi)容，要求學(xué)生提前分組討論，通過 網(wǎng)絡(luò)平臺查閱資料，制作PPT等多媒體課件，授課 時以學(xué)生講述為主導(dǎo)，老師僅給出適當(dāng)?shù)囊龑?dǎo)和補 充，充分激發(fā)教學(xué)兩

18、方面的熱情。（3）拓展知識的案例法上文已經(jīng)指出，目前彈塑性力學(xué)教學(xué)內(nèi)容中， 多為通用且針對極簡結(jié)構(gòu)和理想材料的算例，如受 扭開口薄壁桿的、圓板的軸對稱彎曲等；該類算例 可實現(xiàn)解析求解，計算過程概念清晰、嚴(yán)謹，利于 學(xué)生對彈塑性理論知識應(yīng)用的快速掌握和理解。但 同時，這些算例與大多真實工程實踐存在嚴(yán)重脫節(jié)， 易導(dǎo)致學(xué)生后續(xù)焊接結(jié)構(gòu)等專業(yè)課程學(xué)習(xí)時出現(xiàn)理 論混亂問題。因此，在相關(guān)理論講解時，需要引入 適當(dāng)?shù)暮附庸こ贪咐?，拓展學(xué)生的知識視野，使學(xué) 生從工程實踐角度進一步加深對彈塑性力學(xué)知識的 理解及其在焊接領(lǐng)域的應(yīng)用范圍及不足。焊接案例 的選擇要突出真實性、典型性且難度適中；既要慮 及基礎(chǔ)理論知識點

19、的考察，又要顧及學(xué)生的知識構(gòu) 成和認知能力。例如通過平板對接隨焊碾壓或預(yù)拉 伸法消除應(yīng)力變形案例，拓展講解分析塑性變形與 載荷加載歷史和路徑的相關(guān)性；這些案例雖然不能 直接通過解析方法計算獲得應(yīng)力變形分布，但可開 闊學(xué)生眼界，認識到彈塑性力學(xué)模型和控制方程更 多基于數(shù)值法求解，利于知識的靈活運用及與焊接 專業(yè)課程的銜接。（三）成績評定成績的評定要注重學(xué)生能力的培養(yǎng)，體現(xiàn)學(xué)生 的中心地位，符合工程教育專業(yè)認證的教學(xué)理念， 充分考慮學(xué)生基礎(chǔ)理論認知能力、分析和解決問題 能力以及自主學(xué)習(xí)能力、交流表達能力和焊接專業(yè) 背景的了解等方面綜合考核。除平時成績和考試成 績外，在考核中引入基于數(shù)值模擬的自主課程設(shè)計 內(nèi)容，強化學(xué)生對基礎(chǔ)理論知識應(yīng)用能力的考核。 最終成績=平時成績x20%+自主課程設(shè)計x20%+ 考試x60%,每單項成績滿分為100分。平時成績 主要考核學(xué)