面向焊接专业特点的弹塑性力学课程教学改革

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、方法及评价措施进展改革探究；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才能有机结合；同时引入网络教学平台及模拟仿真技术，为实在进步焊接专业弹塑性力学课程教学质量提供借鉴。

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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

本文引用格式：胥国祥，等.面向焊接专业特点的弹塑性力学课程教学改革[J].教育现代化,2022,6(59):39-42.

Welding-majorOrientedTeachingReformationofElastic-plasticMechanics

XUGuo-xiang,HUQing-xian,LIUBin,LIUChuan,PUJuan,WANGJian-xin,ZHUJie(JiangsuUniversityofScienceandTechnology,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,ZhenjiangJiangsu)

Abstract:Consideringthecharacteristicofweldingtechnologyandengineeringmajorandtheprobleminitsteachingprocess,forschoolofmaterialsscienceandengineeringinJiangsuUniversity,theteachingreformationiscarriedoutintermsofteachingidea,content,methodandscoreevaluation,whichhighlightsthemajorfeatureandengineeringapplicationbackgroundandstrengthensthecentralpositionofstudentintheteachingprocess.Meanwhile,boththenetworkplatformandnumericalsimulationtechnologyareappliedtotheteachingprocess.Thesemeasuresprovideareferenceforimprovingtheteachingqualityofelastic-plasticmechanicscourseforweldingmajor.

Keywords:Characteristicofweldingmajor;Elastic-plasticmechanicscourse;Teachingreformation;Networkplatform;Numericalsimulation

弹塑性力学是工科专业一门重要的固体力学根底专业课程，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】；该课程是对构造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开展，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、难教的根底专业课程。

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一样，且理论性过强，缺乏不同专业的特色及应用背景，使得教学内容与工程理论严重割裂，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立及本人教学经历，尝试对焊接技术与工程专业弹塑性力学课程教学进展改革。

一教学过程中存在问题

〔一〕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。假设学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根底，又缺乏力学和抽象思维，那么难于真正理解、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【2】。

〔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理论性都很强，其中涉及大量的力学知识。?焊接构造?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根底。在焊接应力变形机理及分析、接头性才能学评价、应力检测等内容都与弹塑性力学知识亲密相关。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，局部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，故难于将其灵敏应用于工程理论；其次，对于焊接消费领域，构件构造复杂，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、概念明晰的解析计算，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；甚至局部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，无需深化弹塑性力学知识，导致学生后期焊接理论学习、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

〔一〕教学理念及教学内容

1.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，专注学生毕业才能培养。教学方案、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才能目的达成这一中心任务，而非课程理论架构的完好性。

2.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，增加焊接构造案例分析，使学生明晰学习该课程的专业目的性，实在体会弹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接性。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、焊接剩余应力等进展讲解；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。

3.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藏及认知才能，需要对先导知识进展回忆。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，弥补课时缺乏、课程枯燥的问题。

〔二〕教学方法及手段

1.加强网络教学平台建立

网络化教学平台可有效整合教学资源，加强和便利了教师、学生及教学资源之间的交互行为，且时间安排相对灵敏。随着多媒体技术和智能应用软件的开展，网络化教学也越来越被教师和学生所承受。利用交互式网络化教学平台，教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响，参与学生自主学习的讨论。此外，交互式网络平台可有效抑制课时限制，横向拓宽学生的知识构造。

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复习，同时教师进展适当指导或辅导；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，局部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。

2.利用模拟仿真实现算例的可视化

对于弹塑性力学根底课程，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根底上，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、变形根底理论知识和案例分析的感性认识，增进了理解，进步了学习的主动性和积极性。

例如讲解柱体的弹塑性改变等过程中，利用数值模拟结果可以明晰、生动地显示不同阶段应力、变形特征和变化，讲解过程更明晰，学生更易理解和承受。而数值仿真技术与网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，由于焊接构造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。

3.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进步教学质量。

〔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展可视化演示，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，更利于教师理论知识的讲解，进步学生对其信服程度和承受才能。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

启发式和讨论法教学能偶有效进步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[4,5]。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实在感受到弹塑性力学知识与焊接专业亲密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，并通过比照、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。然后，通过有限元分析结果形象比照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络；并通过凝练一些根底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互相提问及讨论；

对于学生所提问题，那么通过引导、启发和提示，促使学生首先给出答案，培养学生独立考虑和应用知识才能，增强学生学习的参与性，进步其学习主动性。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，要求学生提早分组讨论，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，教师仅给出适当的引导和补充，充分激发教学两方面的热情。

〔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构造和理想材料的算例，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，计算过程概念明晰、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理论存在严重脱节，易导致学生后续焊接构造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，使学生从工程理论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缺乏。

焊接案例的选择要突出真实性、典型性且难度适中；既要虑及根底理论知识点的考察，又要顾及学生的知识构成和认知才能。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途径的相关性；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，利于知识的灵敏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才能的培养，表达学生的中心地位，符合工程教育专业认证的教学理念，充分考虑学生根底理论认知才能、分析和解决问题才能以及自主学习才能、交流表达才能和焊接专业背景的理解等方面综合考核。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，强化学生对根底理论知识应用才能的考核。最终成绩=平时成绩x20%+自主课程设计x20%+考试x60%，每单项成绩总分值为100分。平时成绩主要考核学生出勤、作业完成情况及课堂和网络教学平台表现情况等三局部内容。

课堂和网络平台表现情况主要考察课堂或网络平台答复以下问题及参与讨论的积极性、课下预习和复习的主动性以及拓宽专业视野和背景知识的自觉性。而对于课程设计，教师提早布置5-8个难度适中、商用软件易于操作焊接案例〔如平板对接试件、管道对接试件等，教师提早建立几何模型并计算其焊接剩余应力〕，要求学生施加一定的外载载荷〔拉力、压力或弯曲；相关操作步骤公布于网络平台〕，模拟计算并分析应力变形分布特征。

学生自选，4-6人一组。根据基于焊接背景的预习报告〔占20%〕、课程设计报告〔占50%〕和辩论汇报〔占30%〕三局部确定成绩。而考试采用闭卷形式，考试内容包括根底理论知识〔占35%〕、通用算例的解析计算〔占50%〕以及基于理论知识对焊接构件〔数值模拟计算三维图片〕应力应变分析〔占15