面向焊接專業(yè)特點的彈塑性力學課程教學改革

1、面向焊接專業(yè)特點的彈塑性力學課程教學改革摘 要：結合焊接技術與工程專業(yè)特點及教學過程中存在問題，以江蘇科技大學材料學院為例，對彈塑性力學 課程在教學理念、內(nèi)容、方法及評價措施進行改革探索；突出專業(yè)特色和工程應用背景，強化教學過程中學生的中 心地位，注重學生理論知識及其能力有機結合；同時引入網(wǎng)絡教學平臺及模擬仿真技術，為切實提高焊接專業(yè)彈塑 性力學課程教學質(zhì)量提供借鑒。關鍵詞：焊接專業(yè)特點；彈塑性力學課程；教學改革；網(wǎng)絡化平臺；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.教學改革與探索教學改革與探索Key words： Characteristic of welding major; Elastic-plastic Numerical simulation彈塑性力學是工科專業(yè)一門重要的固體力學基 礎專業(yè)課程，教學內(nèi)容包括約束條件下力的應力、 應變分析、本構方程、物理方程、屈服強度等1;該 課程是對結構力學和材料力學的進一步拓展，理論 性和工程應用性都很強。相較于前者，彈塑性力學 應用范圍更為廣泛；而相較于后者，彈塑

5、性力學分 析結果更為準確，因此彈塑性力學被廣泛應用于土 木、橋梁、水利、金屬及其它材料構件的加工等領域； 而隨著計算機和數(shù)值分析技術的發(fā)展，進一步推動 的彈塑性力學的應用。但同時彈塑性力學公式繁多、 概念抽象、推導過程復雜，對學生的微分、泛函及 力學知識要求較高，學生學習積極性很低，是目前 公認的難學、難教的基礎專業(yè)課程。目前江蘇科技 大學材料學院金屬工程專業(yè)、焊接技術與工程專業(yè) 和材料成型專業(yè)均開設了彈塑性課程；但教材和教 學內(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;特色及應用

6、背景，使得教學內(nèi)容與工程實踐嚴重割 裂，導致學生普遍對彈塑性力學的學習目的不夠明 確，進一步打擊了學生的學習興趣。此外，不同專 業(yè)對彈塑性力學課程知識的需求不同，故授課過程 中應有相應的側重點。本文以江蘇科技大學材料學 院為例，結合其課程體系改革、工程教學專業(yè)認證 建設及本人教學經(jīng)驗，嘗試對焊接技術與工程專業(yè) 彈塑性力學課程教學進行改革。一教學過程中存在問題(-)內(nèi)容抽象晦澀目前彈塑性力學教學內(nèi)容多為力學概念、眾多 模型的建立和推導，且主要針對理想材料；其中既 存在嚴密的數(shù)學推導過程，又存在基于實驗測定的 力學模型，并涉及一定的假設條件，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

7、生沒有扎實的理論力學、材料力學、材料力學性能及高 等數(shù)學基礎，又缺乏力學和抽象思維，則難于真正 理解、掌握課程理論知識，學生學習的熱情不高， 大多僅是死記硬背相關概念、公式及解題過程口。（二）缺乏專業(yè)導向焊接專業(yè)的理論性、專業(yè)技能性及工程應用和 實踐性都很強，其中涉及大量的力學知識。焊接結 構作為一門焊接專業(yè)的核心骨干課程，其先導課 程中要求必須包括彈塑性力學基礎。在焊接應力變 形機理及分析、接頭性能力學評價、應力檢測等內(nèi) 容都與彈塑性力學知識密切相關。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)導向不

8、明，使得學 習過程中無法體會彈塑性力學對焊接知識學習的重 要性，降低了學生學習的主動性，也對后續(xù)其它焊 接力學課程的學習造成困難。（三）難于學以致用首先，部分學生彈塑性力學知識不扎實，并未 對其概念、模型真正理解、掌握，故難于將其靈活 應用于工程實踐；其次，對于焊接生產(chǎn)領域，構件 結構復雜，對其應力變形的分析主要借助于有限元 計算，而非推導嚴謹、概念清晰的解析計算，這就 要求學生掌握相應的數(shù)值模擬技術和商用軟件操作， 使得學生感覺彈塑性力學知識在焊接專業(yè)中的直接 應用性不強，學習成就感較低；甚至部分學生認為 將來利用有限元軟件模擬焊接應力、評價接頭性能， 無需深入彈塑性力學知識，導致學生后期焊

9、接理論 學習、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。二教學改革措施（-）教學理念及教學內(nèi)容基于工程教育專業(yè)認證理念3，轉變教學思 維。在教學過程中，突出學生教學過程的中心地位， 改變過去以教師為主導教學模型，專注學生畢業(yè)能 力培養(yǎng)。教學計劃、內(nèi)容、考核方式的制定和設置 以及教學方法和手段的運用必須緊緊圍繞學生畢業(yè) 能力目標達成這一中心任務，而非課程理論架構的 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過程，教學內(nèi) 容及授課過程中要突出、強化彈塑性力學課程的專 業(yè)特色和工程應用背景，增加焊接結構案例分析， 使學生明晰學習該課程的專業(yè)目的性，切實體會彈

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

11、對先導 知識進行回顧。因為，進一步突出核心概念、模型 和案例的學習，弱化模型詳細推導過程以及變分、 極限理論等知識點的講解，更多注重力學模型物理 意義、推導機理、應用范圍及相關案例的講授。同 時借助網(wǎng)絡化教學平臺和數(shù)值模擬計算等教學手段， 彌補課時不足、課程枯燥的問題。（二）教學方法及手段加強網(wǎng)絡教學平臺建設網(wǎng)絡化教學平臺可有效整合教學資源，加強和 便利了老師、學生及教學資源之間的交互行為，且 時間安排相對靈活。隨著多媒體技術和手機智能應 用軟件的發(fā)展，網(wǎng)絡化教學也越來越被老師和學生 所接受。利用交互式網(wǎng)絡化教學平臺，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 學生學習效果的反饋

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

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

14、絡化教學平臺相結合， 同時應用于教學過程，學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果。此外，由 于焊接結構應力變形主要借助于有限元分析，有限 元結果的采用利于學生較早理解有限元分析軟件和 計算結果特征，便于與后續(xù)焊接專業(yè)知識的銜接。綜合運用多種現(xiàn)代教學方法借助上述交互式網(wǎng)絡化教學平臺及數(shù)值模擬技 術等教學手段，主要借助如下教學方法提高教學質(zhì)量。（1）基于數(shù)值仿真的演示法課堂或網(wǎng)絡授課過程中，利用數(shù)值模擬結果對 彈塑性應力應變產(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)學生對抽象知識的感官認識，增強對相關理論 的理解。與一般的示意圖片或動畫

15、不同，數(shù)值仿真 技術可以接近真實地展示材料的瞬態(tài)三維力學行為， 更利于老師理論知識的講解，提高學生對其信服程 度和接受能力。例如在講解圣維南定理過程中，利 用有限元計算結果主觀向學生展示構件次要邊界應 力條件的簡化對構件應力分布特征的影響，其教學 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件幾何形狀都較復雜， 焊接應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 視屏給學生以生動、形象的展示，可激發(fā)學生的好 奇心，提升學生的學習主動性。（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、教學能偶有效提高學生學習知 識的參與度、專注度和深度，進而提升教學效果， 受到普遍的重視45O對于彈塑性力學課程，在有機 結合這兩種教學方式的同時，要著重強化焊接專業(yè) 特色和工程背景，使得焊接專業(yè)學生在授課過程中 切實感受到彈塑性力學知識與焊接專業(yè)密切相關性 以及其對學習焊接知識的客觀必要性。授課時，首 先介紹與本節(jié)內(nèi)容相關的焊接工程應用背景，并通 過對比、誘導、討論等方式，增強學生對知識的理 解的同時，加深其對機理應用背景的認識。例如在 講授圓孔應力集中問題時，可首先介紹下焊縫氣孔 對接頭力學性能的影響和危害，再向學生過渡說明 圓孔應力集中問題可從力學理論角度解釋氣孔對焊 縫性影響的機理。然

17、后，通過有限元分析結果形象 對比小孔存在前后對其材料應力分布特征的影響， 講解相關機理和公式推導，同時啟發(fā)、誘導學生對 過去所學知識的回想和聯(lián)系；并通過凝練一些基礎 理論和焊接工程應用問題引導教師和學生之間及學 生和學生之間的相互提問及討論；對于學生所提問 題，則通過引導、啟發(fā)和提示，促使學生首先給出 答案，培養(yǎng)學生獨立思考和應用知識能力，增強學 生學習的參與性，提高其學習主動性。為了突出學 生學習的主體地位，可選取某些難度適中的機理或 焊接工程案例內(nèi)容，要求學生提前分組討論，通過 網(wǎng)絡平臺查閱資料，制作PPT等多媒體課件，授課 時以學生講述為主導，老師僅給出適當?shù)囊龑Ш脱a 充，充分激發(fā)教學兩

18、方面的熱情。（3）拓展知識的案例法上文已經(jīng)指出，目前彈塑性力學教學內(nèi)容中， 多為通用且針對極簡結構和理想材料的算例，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、嚴謹，利于 學生對彈塑性理論知識應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重脫節(jié)， 易導致學生后續(xù)焊接結構等專業(yè)課程學習時出現(xiàn)理 論混亂問題。因此，在相關理論講解時，需要引入 適當?shù)暮附庸こ贪咐?，拓展學生的知識視野，使學 生從工程實踐角度進一步加深對彈塑性力學知識的 理解及其在焊接領域的應用范圍及不足。焊接案例 的選擇要突出真實性、典型性且難度適中；既要慮 及基礎理論知識點

19、的考察，又要顧及學生的知識構 成和認知能力。例如通過平板對接隨焊碾壓或預拉 伸法消除應力變形案例，拓展講解分析塑性變形與 載荷加載歷史和路徑的相關性；這些案例雖然不能 直接通過解析方法計算獲得應力變形分布，但可開 闊學生眼界，認識到彈塑性力學模型和控制方程更 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生能力的培養(yǎng)，體現(xiàn)學生 的中心地位，符合工程教育專業(yè)認證的教學理念， 充分考慮學生基礎理論認知能力、分析和解決問題 能力以及自主學習能力、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計 內(nèi)容，強化學生對基礎理論知識應用能力的考核。 最終成績=平時成績x20%+自主課程設計x20%+ 考試x60%,每單項成績滿分為100分。平時成績 主要考核學