面向焊接专业特点的弹塑性力学课程教学改革

1、面向焊接专业特点的弹塑性力学课程教学改革摘 要：结合焊接技术与工程专业特点及教学过程中存在问题，以江苏科技大学材料学院为例，对弹塑性力学 课程在教学理念、内容、方法及评价措施进行改革探索；突出专业特色和工程应用背景，强化教学过程中学生的中 心地位，注重学生理论知识及其能力有机结合；同时引入网络教学平台及模拟仿真技术，为切实提高焊接专业弹塑 性力学课程教学质量提供借鉴。关键词：焊接专业特点；弹塑性力学课程；教学改革；网络化平台；数值模拟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.教学改革与探索教学改革与探索Key words： Characteristic of welding major; Elastic-plastic Numerical simulation弹塑性力学是工科专业一门重要的固体力学基 础专业课程，教学内容包括约束条件下力的应力、 应变分析、本构方程、物理方程、屈服强度等1;该 课程是对结构力学和材料力学的进一步拓展，理论 性和工程应用性都很强。相较于前者，弹塑性力学 应用范围更为广泛；而相较于后者，弹塑

5、性力学分 析结果更为准确，因此弹塑性力学被广泛应用于土 木、桥梁、水利、金属及其它材料构件的加工等领域； 而随着计算机和数值分析技术的发展，进一步推动 的弹塑性力学的应用。但同时弹塑性力学公式繁多、 概念抽象、推导过程复杂，对学生的微分、泛函及 力学知识要求较高，学生学习积极性很低，是目前 公认的难学、难教的基础专业课程。目前江苏科技 大学材料学院金属工程专业、焊接技术与工程专业 和材料成型专业均开设了弹塑性课程；但教材和教 学内容完全相同，且理论性过强，缺乏不同专业的 mechanics course; Teaching reformation; Network platform;特色及应用

6、背景，使得教学内容与工程实践严重割 裂，导致学生普遍对弹塑性力学的学习目的不够明 确，进一步打击了学生的学习兴趣。此外，不同专 业对弹塑性力学课程知识的需求不同，故授课过程 中应有相应的侧重点。本文以江苏科技大学材料学 院为例，结合其课程体系改革、工程教学专业认证 建设及本人教学经验，尝试对焊接技术与工程专业 弹塑性力学课程教学进行改革。一教学过程中存在问题(-)内容抽象晦涩目前弹塑性力学教学内容多为力学概念、众多 模型的建立和推导，且主要针对理想材料；其中既 存在严密的数学推导过程，又存在基于实验测定的 力学模型，并涉及一定的假设条件，内容非常抽象、 枯燥且难懂，教师的授课难度非常大。如果学

7、生没有扎实的理论力学、材料力学、材料力学性能及高 等数学基础，又缺乏力学和抽象思维，则难于真正 理解、掌握课程理论知识，学生学习的热情不高， 大多仅是死记硬背相关概念、公式及解题过程口。（二）缺乏专业导向焊接专业的理论性、专业技能性及工程应用和 实践性都很强，其中涉及大量的力学知识。焊接结 构作为一门焊接专业的核心骨干课程，其先导课 程中要求必须包括弹塑性力学基础。在焊接应力变 形机理及分析、接头性能力学评价、应力检测等内 容都与弹塑性力学知识密切相关。而目前传统教材 中极少涉及专业背景，为数不多的案例也多为理想 材料、极简构件的通用案例，对于焊接专业的介绍 和讲解更为空白。正是由于专业导向不

8、明，使得学 习过程中无法体会弹塑性力学对焊接知识学习的重 要性，降低了学生学习的主动性，也对后续其它焊 接力学课程的学习造成困难。（三）难于学以致用首先，部分学生弹塑性力学知识不扎实，并未 对其概念、模型真正理解、掌握，故难于将其灵活 应用于工程实践；其次，对于焊接生产领域，构件 结构复杂，对其应力变形的分析主要借助于有限元 计算，而非推导严谨、概念清晰的解析计算，这就 要求学生掌握相应的数值模拟技术和商用软件操作， 使得学生感觉弹塑性力学知识在焊接专业中的直接 应用性不强，学习成就感较低；甚至部分学生认为 将来利用有限元软件模拟焊接应力、评价接头性能， 无需深入弹塑性力学知识，导致学生后期焊

9、接理论 学习、接头韧性、疲劳失效评定及有限元模型建立 时感觉力不从心。二教学改革措施（-）教学理念及教学内容基于工程教育专业认证理念3，转变教学思 维。在教学过程中，突出学生教学过程的中心地位， 改变过去以教师为主导教学模型，专注学生毕业能 力培养。教学计划、内容、考核方式的制定和设置 以及教学方法和手段的运用必须紧紧围绕学生毕业 能力目标达成这一中心任务，而非课程理论架构的 完整性。突出焊接专业背景，增加焊接案例分析将焊接专业背景贯穿于整个教学过程，教学内 容及授课过程中要突出、强化弹塑性力学课程的专 业特色和工程应用背景，增加焊接结构案例分析， 使学生明晰学习该课程的专业目的性，切实体会弹

10、 塑性力学课程内容对焊接专业知识学习的重要性， 提升学生后续焊接专业知识学习的连贯性。例如对 于主应力和主应力方向概念和计算时，授课过程中， 首先介绍其对焊接接头力学性能评价及检测的重要 性，并结合焊接工程中常用的检测应力的小孔法原 理、韧性的线弹性评价方法、焊接残余应力等进行 讲解；从专业应用角度出发，使学生认识到弹塑性 力学知识并非空中楼阁，而是可以真实指导解决实 际焊接工程问题。强化核心内容，借助多种教学方法和手段目前焊接专业弹塑塑性力学课程课时仅为32学 时，在如此限学时内，完成弹性、弹塑性应力分析、 模型建立推导过程以及相关实例的讲解；同时还有 针对不同学生的知识储备及认知能力，需要

11、对先导 知识进行回顾。因为，进一步突出核心概念、模型 和案例的学习，弱化模型详细推导过程以及变分、 极限理论等知识点的讲解，更多注重力学模型物理 意义、推导机理、应用范围及相关案例的讲授。同 时借助网络化教学平台和数值模拟计算等教学手段， 弥补课时不足、课程枯燥的问题。（二）教学方法及手段加强网络教学平台建设网络化教学平台可有效整合教学资源，加强和 便利了老师、学生及教学资源之间的交互行为，且 时间安排相对灵活。随着多媒体技术和手机智能应 用软件的发展，网络化教学也越来越被老师和学生 所接受。利用交互式网络化教学平台，老师不仅可 以对课程核心内容作进一步的讲解，还可及时获得 学生学习效果的反馈

12、，参与学生自主学习的讨论。 此外，交互式网络平台可有效克服课时限制，横向 拓宽学生的知识结构。对于无法在课堂讲授的知识 点以及学习本门课程所需要的先导课程知识，学生 可通过网络平台自学或温习，同时老师进行适当指 导或辅导；例如对于变分法原理和极值原理章节相 关公式的详细推导及相关数学背景和理论的介绍等 可在网络平台有学生自学；此外，部分焊接构件的 应力和变形分析案例以及弹塑性力学在接头韧性评 价的最新应用进展，均可通过网络平台展示给学生。 对于目前网上关于弹塑性力学课程的教学资源非常 丰富，学生可通过网络平台获得一个生动、形象的 多层次学习环境。利用模拟仿真实现算例的可视化对于弹塑性力学基础课

13、程，除公式较多、对微 积分等高等数学知识要求较高外，应力应变概念及 产生和分布特征的高度抽象性是其难教难学的关键 所在。而有限元模拟技术可以考虑构件几何特征和 约束条件下的基础上，实现应变变形产生过程和分 布的可视化2；模拟仿真结果可以通过彩色分布云 图、视频等形式形象的展示应力变形特性及不同条件对其影响，使得教学内容生动、有趣，增强了学 生对弹塑性应力、变形基础理论知识和案例分析的 感性认识，增进了理解，提高了学习的主动性和积 极性。例如讲解柱体的弹塑性扭转等过程中，利用 数值模拟结果可以清晰、生动地显示不同阶段应力、 变形特征和变化，讲解过程更清晰，学生更易理解 和接受。而数值仿真技术与网

14、络化教学平台相结合， 同时应用于教学过程，学生可获得更多丰富生动的 通用和焊接专业算例的有限元分析结果。此外，由 于焊接结构应力变形主要借助于有限元分析，有限 元结果的采用利于学生较早理解有限元分析软件和 计算结果特征，便于与后续焊接专业知识的衔接。综合运用多种现代教学方法借助上述交互式网络化教学平台及数值模拟技 术等教学手段，主要借助如下教学方法提高教学质量。（1）基于数值仿真的演示法课堂或网络授课过程中，利用数值模拟结果对 弹塑性应力应变产生与分布、圣维南定理、约束条 件影响等机理讲解和算例分析等进行可视化演示， 实现学生对抽象知识的感官认识，增强对相关理论 的理解。与一般的示意图片或动画

15、不同，数值仿真 技术可以接近真实地展示材料的瞬态三维力学行为， 更利于老师理论知识的讲解，提高学生对其信服程 度和接受能力。例如在讲解圣维南定理过程中，利 用有限元计算结果主观向学生展示构件次要边界应 力条件的简化对构件应力分布特征的影响，其教学 效果要远远胜过基于几幅意图的通篇大论。如上所 述，由于焊接物理过程及构件几何形状都较复杂， 焊接应力变形无法直接通过解析计算获得，焊接案 例介绍和分析的只能借助数值分析结果。同时，在 理论知识和算例讲解前，首先通过彩色分布图片及 视屏给学生以生动、形象的展示，可激发学生的好 奇心，提升学生的学习主动性。（2）突出专业特色的启发法和讨论法启发式和讨论法

16、教学能偶有效提高学生学习知 识的参与度、专注度和深度，进而提升教学效果， 受到普遍的重视45O对于弹塑性力学课程，在有机 结合这两种教学方式的同时，要着重强化焊接专业 特色和工程背景，使得焊接专业学生在授课过程中 切实感受到弹塑性力学知识与焊接专业密切相关性 以及其对学习焊接知识的客观必要性。授课时，首 先介绍与本节内容相关的焊接工程应用背景，并通 过对比、诱导、讨论等方式，增强学生对知识的理 解的同时，加深其对机理应用背景的认识。例如在 讲授圆孔应力集中问题时，可首先介绍下焊缝气孔 对接头力学性能的影响和危害，再向学生过渡说明 圆孔应力集中问题可从力学理论角度解释气孔对焊 缝性影响的机理。然

17、后，通过有限元分析结果形象 对比小孔存在前后对其材料应力分布特征的影响， 讲解相关机理和公式推导，同时启发、诱导学生对 过去所学知识的回想和联系；并通过凝练一些基础 理论和焊接工程应用问题引导教师和学生之间及学 生和学生之间的相互提问及讨论；对于学生所提问 题，则通过引导、启发和提示，促使学生首先给出 答案，培养学生独立思考和应用知识能力，增强学 生学习的参与性，提高其学习主动性。为了突出学 生学习的主体地位，可选取某些难度适中的机理或 焊接工程案例内容，要求学生提前分组讨论，通过 网络平台查阅资料，制作PPT等多媒体课件，授课 时以学生讲述为主导，老师仅给出适当的引导和补 充，充分激发教学两

18、方面的热情。（3）拓展知识的案例法上文已经指出，目前弹塑性力学教学内容中， 多为通用且针对极简结构和理想材料的算例，如受 扭开口薄壁杆的、圆板的轴对称弯曲等；该类算例 可实现解析求解，计算过程概念清晰、严谨，利于 学生对弹塑性理论知识应用的快速掌握和理解。但 同时，这些算例与大多真实工程实践存在严重脱节， 易导致学生后续焊接结构等专业课程学习时出现理 论混乱问题。因此，在相关理论讲解时，需要引入 适当的焊接工程案例，拓展学生的知识视野，使学 生从工程实践角度进一步加深对弹塑性力学知识的 理解及其在焊接领域的应用范围及不足。焊接案例 的选择要突出真实性、典型性且难度适中；既要虑 及基础理论知识点

19、的考察，又要顾及学生的知识构 成和认知能力。例如通过平板对接随焊碾压或预拉 伸法消除应力变形案例，拓展讲解分析塑性变形与 载荷加载历史和路径的相关性；这些案例虽然不能 直接通过解析方法计算获得应力变形分布，但可开 阔学生眼界，认识到弹塑性力学模型和控制方程更 多基于数值法求解，利于知识的灵活运用及与焊接 专业课程的衔接。（三）成绩评定成绩的评定要注重学生能力的培养，体现学生 的中心地位，符合工程教育专业认证的教学理念， 充分考虑学生基础理论认知能力、分析和解决问题 能力以及自主学习能力、交流表达能力和焊接专业 背景的了解等方面综合考核。除平时成绩和考试成 绩外，在考核中引入基于数值模拟的自主课程设计 内容，强化学生对基础理论知识应用能力的考核。 最终成绩=平时成绩x20%+自主课程设计x20%+ 考试x60%,每单项成绩满分为100分。平时成绩 主要考核学