材料成型及控制工程专业本科二年级《材料成形性能测试与杯突试验》教学设计

  材料成型及控制工程专业本科二年级《材料成形性能测试与杯突试验》教学设计

一、教学理念与课程定位

本教学设计立足于“新工科”建设与工程教育专业认证（OBE）的核心思想，以学生为中心，以解决复杂工程问题能力的培养为导向，打破传统《材料力学性能》或《金属塑性成形原理》课程中理论讲授与实验实践相对割裂的壁垒。课程深度融合材料科学、固体力学、机械工程与数字化技术，旨在通过对“杯突试验”这一经典板材成形性能测试方法的深度解构与重构，引导学生不仅掌握标准化的试验操作技能，更能洞察测试方法背后的科学原理、工程意义及其在现代工业设计中的关键作用。教学强调“理论-模拟-实验-分析”四位一体的学习闭环，培养学生严谨的工程思维、规范的实践习惯、敏锐的数据分析能力以及对材料行为跨尺度（宏观性能-微观机理）关联的深刻理解。本课程定位为专业核心课《冲压工艺与模具设计》的先导关键实践环节，也是连接《材料科学基础》、《工程力学》与后续专业综合实训的桥梁，承载着将基础理论转化为工程判断力的重要使命。

二、教学目标

（一）知识与技能目标

1.深入理解杯突试验（ErichsenTest）的基本原理、力学模型（双向拉伸应力状态下的局部成形过程）及其在评估金属薄板胀形性能（主要是塑性变形能力与抗颈缩失稳能力）中的核心地位。

2.熟练掌握国家标准（GB/T4156-2020/ISO20482:2013）或相关行业标准规定的杯突试验机操作规程，包括试样制备、设备校准、装夹、冲压速率控制、润滑条件设置以及试验终止（裂纹首次透光）的精确判读。

3.能够独立、安全、规范地操作微机控制电液伺服杯突试验机，获取有效的杯突深度（IE值）数据。

4.系统掌握杯突试验数据的处理与分析方法：理解IE值作为材料塑性指标的局限性，学会分析试验载荷-位移曲线（F-s曲线）所蕴含的材料硬化行为、各向异性等信息，并能将IE值与材料的力学性能参数（如n值、r值）进行关联性思考。

5.能够根据杯突试验结果，对不同材质（如低碳钢、铝合金、不锈钢）、不同状态（退火、硬化）的板材进行成形性能的初步评价与排序，并理解其在汽车覆盖件、家用电器壳体等产品选材与工艺设计中的指导意义。

（二）过程与方法目标

1.经历完整的工程测试流程：从“接受测试任务（评估某批次汽车用钢板）→研读标准→制定试验方案→准备与检查→执行操作→数据采集→处理分析→撰写报告”的全过程，建立规范化、标准化的工程实践方法论。

2.通过虚拟仿真软件预习与实操训练相结合的方式，掌握复杂精密仪器“先模拟、后实操”的高效、安全学习路径，降低设备误操作风险。

3.运用对比实验法与控制变量法，探究不同因素（如板材厚度、润滑条件、冲头速度、材料取向）对杯突试验结果的影响规律，培养科学探究与实验设计能力。

4.学习运用工程图表（如杯突值对比柱状图、载荷-位移曲线叠加图）和定量化语言进行技术表达与交流。

（三）情感、态度与价值观目标

1.培育精益求精、严谨求实的“工匠精神”和尊重标准、敬畏数据的工程伦理观，深刻理解试验数据准确性对后续产品设计与制造安全的重大影响。

2.激发对材料微观世界与宏观性能之间神秘关联的好奇心与探究欲，体验从“知其然”到“知其所以然”的科学探索乐趣。

3.通过小组协作完成试验任务，培养团队协作意识、沟通能力和共同解决现场技术问题的能力。

4.建立将实验室单一性能指标与复杂实际成形过程相联系的系统思维，初步形成面向工业应用的工程思维模式。

三、学情分析

本教学对象为材料成型及控制工程专业大学二年级下学期学生。他们已具备如下知识基础与能力特点：

优势：

1.已完成《材料科学基础》、《工程力学》（含材料力学）、《机械制图》等先修课程的学习，对金属的晶体结构、塑性变形机制、应力应变概念、基本力学性能指标有初步理解。

2.具备基本的机械识图能力和简单的金相试样制备经验。

3.对专业实验课有较高期待，动手操作意愿强烈，对数字化设备（如微机控制试验机）接受度高。

4.思维活跃，易于接受新理念，对案例式、探究式教学反应积极。

不足与挑战：

5.知识整合能力尚弱：虽学习过相关理论，但将材料科学、力学原理与具体成形工艺、测试技术融会贯通的能力不足，知识呈碎片化状态。

6.工程实践经验匮乏：对工业标准、测试规范接触甚少，缺乏对工程问题复杂性和严谨性的切身感受，容易忽视操作细节。

7.数据分析深度不够：往往只关注最终的单一数值结果（如IE值），对试验过程曲线（如载荷-位移曲线）的分析解读能力欠缺，不善于从中提取更多材料行为信息。

8.系统思维未建立：难以将实验室的理想化测试条件与实际冲压生产中的多因素耦合环境相联系，对试验结果的工程外推应用存在困惑。

因此，教学设计需注重“桥梁”作用：强化理论联系实际，突出标准与规范，深化数据分析，并贯穿以实际工程案例为背景的系统思维训练。

四、教学重难点

（一）教学重点

1.杯突试验的力学原理与工程意义：重点阐释试验过程中试样中心区域所处的双向拉伸应力状态，以及该状态如何模拟实际冲压件中类似区域的变形，从而将IE值作为评估板材胀形性能的有效指标。

2.标准化操作规程与安全要点：严格按照国家标准，细致讲解并示范从试样制备、设备检查、参数设置到试验执行、结果判读的全流程规范操作，强调操作的重复性与数据的可靠性。

3.杯突试验数据的多维度分析：引导学生不仅记录IE值，更要学会分析载荷-位移曲线，理解曲线上升段（均匀塑性变形、加工硬化）、峰值点（颈缩起始）及下降段（裂纹扩展）的物理意义，并与材料的基本力学性能建立联系。

（二）教学难点

1.杯突试验中裂纹萌生与扩展的微观机理及其与宏观IE值的关联：需要引导学生跨越宏-微观尺度，理解裂纹通常始于试样减薄最严重处或夹杂物/第二相粒子处，IE值的高低反映了材料抵抗局部集中变形和延缓裂纹萌生的综合能力。

2.试验结果的影响因素分析与工程补偿：理解润滑条件（摩擦系数）、冲压速度（应变速率敏感性）、试样取向（板材各向异性）等因素如何影响IE值测量结果，并懂得在实际应用时如何参考标准条件的数据进行工程判断。

3.从单一性能指标到复杂成形过程的能力预测：突破“IE值越大材料越好”的简单线性思维，理解杯突试验只是众多成形性能测试方法之一，其评价的局限性，并初步了解如何结合拉深试验、扩孔试验等结果，更全面地评估材料的成形性能窗口。

五、教学策略与方法

1.PBL（项目式学习）驱动：以“为某新能源汽车企业车门内板优选钢板并提供成形性能数据支撑”为虚拟项目任务，贯穿整个教学单元。学生以小组为单位，扮演材料检测工程师角色，完成从接受任务到提交评估报告的全过程。

2.混合式教学模式：

1.3.课前在线预习：通过课程平台发布微视频（杯突试验动画原理、标准操作录像）、国家标准文档、虚拟仿真实验链接，要求学生完成预习报告，重点提出2-3个疑问。

2.4.课中深度互动与实践：采用“精讲-互动-仿真-实操-研讨”五段式课堂结构。教师精讲重难点，学生通过投票器、小组讨论参与互动；利用高保真虚拟仿真软件进行无风险操作演练；分组进行实物操作；围绕典型数据开展小组研讨。

3.5.课后拓展与反馈：布置数据分析作业、案例研究报告，利用在线论坛进行答疑和优秀报告展示。

6.探究式实验设计：在完成标准试验后，设置探究环节。例如，为各小组分配不同的润滑剂（机油、聚乙烯膜、干摩擦）或不同轧制方向的试样，对比试验结果，引导学生自主分析摩擦和各向异性的影响，撰写简短的探究报告。

7.信息化手段深度融合：

1.8.虚拟仿真（VR/AR）：使用高精度开发的杯突试验虚拟仿真软件，学生可在虚拟环境中熟悉设备结构、进行完整操作流程练习，系统自动评判操作规范性。

2.9.实时数据采集与共享：试验机数据系统联网，各小组的载荷-位移曲线可实时投屏至教室主屏幕，便于教师讲评和横向对比。

3.10.数字化分析工具：引导学生使用Origin或类似软件对导出的试验数据进行处理、绘图和简单拟合，提升信息素养。

六、教学资源与设备

1.主要设备：微机控制电液伺服杯突试验机（配高清摄像头与同轴光光源，用于裂纹透光自动识别）至少2台。

2.试样材料：不同牌号/状态的低碳钢（DC04/DC06）、铝合金（5A02/6061）方形板状试样若干，尺寸符合标准要求，并标记轧制方向。

3.辅助工具与耗材：游标卡尺、千分尺、试样划线器、标准润滑剂（特定黏度矿物油）、聚氨酯压边圈、擦拭纸、安全防护眼镜等。

4.信息化资源：

1.5.杯突试验原理与操作三维动画。

2.6.符合GB/T4156-2020标准的虚拟仿真实验模块。

3.7.历年典型材料的杯突试验数据库（含载荷-位移曲线）。

4.8.汽车覆盖件冲压失效案例（视频与图片集）。

5.9.在线课程平台（用于资料发布、预习测试、作业提交与讨论）。

10.文本资料：GB/T4156-2020《金属材料薄板和薄带埃里克森杯突试验》国家标准文本、实验室安全规程、实验报告模板。

七、教学过程实施（详细阐述，为核心部分）

（一）课前准备阶段（线上）

1.任务发布与情境导入：在课程平台发布项目任务书：“XX汽车公司新款电动车车门内板设计稿已定，现需从A（低碳钢）、B（高强度钢）、C（铝合金）三种候选板材中，初步评估其胀形成形性能，为后续模具设计与工艺调试提供依据。作为检测中心工程师，请你团队设计并执行关键性能测试——杯突试验，提交一份包含数据、分析与建议的简明报告。”

2.自主预习与挑战生成：学生自学教师提供的微视频（重点讲解杯突试验模拟的应力状态、IE值物理意义）和虚拟仿真软件。完成在线预习问卷，内容包括：(1)简述杯突试验原理；(2)列出至少三个影响IE值准确性的关键操作步骤；(3)提出自己在预习中最大的疑惑。教师根据学生反馈，聚焦共性难点，调整课堂讲解重点。

（二）课中实施阶段（线下，4学时，200分钟）

第一课时：理论深化与标准内化（50分钟）

1.聚焦问题，回顾导入（10分钟）：

1.2.教师不直接讲解，而是首先展示几张典型的汽车覆盖件（如翼子板、引擎盖）和日常用品（不锈钢水槽、铝制易拉罐）图片，提问：“这些零件在成形过程中，哪些区域最可能经历类似‘杯突试验’的变形方式？”引导学生识别出零件中那些大面积、平坦或缓慢过渡的区域，其变形以双向拉伸为主的本质。

2.3.快速投屏展示课前预习中的几个典型疑问，如“为什么裂纹判读要求透光，肉眼观察不行吗？”、“载荷曲线上的峰值点和IE值有什么直接关系？”。宣布本节课将围绕这些核心问题展开。

4.深度原理剖析（20分钟）：

1.5.力学模型重建：利用动态三维模拟，将一个方形试样在冲头作用下的变形过程分解展示。重点强调：（a）压边圈的作用是防止法兰区起皱，但允许材料流入，与拉深试验的区别；（b）试样中心区域（与冲头球面接触部分）处于双向拉伸平面应力状态（σ1≈σ2>0），这是胀形成形的典型应力状态。（c）变形从中心开始，逐渐向外扩展，厚度不断减薄，应变分布不均匀。

2.6.失效机理贯通：结合微观动画，解释裂纹萌生过程。随着变形进行，中心区域减薄最甚，加工硬化达到极限，微观空洞在夹杂物处形核、长大、聚合，形成宏观裂纹。强调“首次出现透光裂纹”作为终止判据的科学性与可操作性，它对应着宏观可见裂纹的起始，具有较好的工程一致性和重复性。

3.7.指标关联拓展：板书推导，建立IE值与材料基本塑性参数的定性关系。IE值∝f(均匀伸长率,n值,应变硬化能力,抗局部颈缩能力)。解释一个高n值的材料，其颈缩推迟，IE值通常较高。同时指出，r值（塑性应变比）对拉深性能影响大，但对纯胀形性能（杯突）影响相对较小，引导学生区分不同性能指标的应用场景。

8.标准规范精讲（20分钟）：

1.9.标准即法律：强调工程测试中标准的权威性。带领学生快速浏览GB/T4156-2020的核心条款，重点讲解：（a）试样尺寸与制备要求（边缘毛刺的影响）；（b）设备精度要求（冲头球半径、压边力）；（c）润滑的标准化程序（润滑剂类型、涂抹范围与均匀性）；（d）试验速度的规定及其原理（准静态，避免动态效应）；（e）结果读取与修约规则。

2.10.错误案例警示：展示因操作不规范导致的典型问题图片或曲线：如试样未对中导致的非对称破裂、润滑不均匀导致的异常载荷波动、压边力过大导致试样提前破裂（IE值偏低）、判读迟疑导致的IE值偏高等。通过反面教材，深化对规范操作重要性的认识。

第二课时：虚拟仿真与实操预演（50分钟）

1.虚拟仿真全员过关（30分钟）：

1.2.学生在机房或通过平板电脑，登录杯突试验虚拟仿真系统。系统环境完全模拟真实实验室和真实设备型号。

2.3.仿真任务分为三个递进模块：（a）认知模块：通过拆卸/组装三维设备模型，熟悉试验机主要部件（机架、作动器、冲头、凹模、压边圈、夹紧装置、测量系统）的名称与功能。（b）流程演练模块：在系统引导下，完整完成一次标准试验。从开机自检、试样测量与划线、涂抹润滑剂、安装试样、设置参数（冲压速度）、执行试验、自动判读裂纹、记录数据到设备归位。每个步骤都有规范性检查，错误操作会提示并扣分。（c）自由探究模块：学生可自主改变参数（如使用不同厚度试样、不同润滑条件），观察对试验过程和结果的影响，系统会生成对比报告。

3.4.教师巡视指导，确保每位学生在进入实操前，都已通过虚拟仿真考核（系统评分≥90分）。

5.实操方案研讨与安全交底（20分钟）：

1.6.各小组根据虚拟仿真的经验，结合项目任务，讨论并制定本组的详细实操方案，包括人员分工（主操作、数据记录、安全监督）、试验顺序（三种材料）、数据记录表格设计等。

2.7.教师集中进行安全总交底：强调（a）必须佩戴防护眼镜；（b）设备运行时，身体任何部位不得进入移动横梁下方；（c）安装试样和调整装置时必须确保设备处于停机状态；（d）发现异常声响或振动，立即按下急停按钮。全体学生签署实验室安全确认书。

第三、四课时：实地操作与数据采集（100分钟）

1.分组轮换实操（80分钟）：

1.2.将班级分为4-6个小组，每组4-5人，轮换使用2台真实杯突试验机。每台设备旁配备一名助教或经过培训的研究生辅助。

2.3.规范操作强化：教师和助教严格监督每个小组的操作流程，重点关注：试样尺寸复测、轧制方向辨识与标记、润滑剂涂抹的规范性与均匀性、试样在凹模上的对中精度、压边力的均匀施加（对于需要手动调节压边力的机型）。

3.4.过程观察与记录：要求操作者大声复述关键步骤（如“开始加载”、“注意观察裂纹”），记录员同步记录。鼓励非操作成员通过设备观察窗或辅助摄像头显示屏，仔细观察试样变形过程、颈缩出现的位置和裂纹扩展的路径。

4.5.数据实时捕获：确保试验机软件正确设置，自动记录并保存每次试验的完整载荷-位移曲线和最终的IE值。要求每组将每次试验的曲线截图保存，并填写纸质原始记录表。

6.初步现象讨论与问题即时解决（20分钟）：

1.7.在每组完成至少一种材料的测试后，教师召集简短的中途讨论。利用教室主屏幕，随机选取1-2组已测得的载荷-位移曲线进行展示。

2.8.引导性问题：“大家看这条曲线，它的峰值明显吗？峰值后的下降是陡峭还是平缓？这可能反映了材料的什么特性？”（引导学生思考材料的均匀变形能力和断裂韧性）。

3.9.鼓励小组间交流遇到的突发问题及解决方案，如“我们组第一次试验裂纹判读晚了，导致冲头略有嵌入，我们复盘发现是光照角度问题，调整后第二次判读就准确了。”教师及时点评，将个别经验转化为全班财富。

（三）课后深化与评价阶段

1.数据分析与报告撰写（个人作业）：

1.2.学生个人需整理本小组的所有原始数据，包括三种材料的IE值、对应的载荷-位移曲线图。

2.3.完成一份完整的实验/项目报告，报告需包含：任务描述、原理简述、试验方案、详细数据（列表+图表）、数据分析（重点：对比三种材料的IE值，结合各自的载荷-位移曲线形状，分析其胀形性能差异；尝试从材料学角度解释差异原因，如铝合金与钢的硬化行为不同）、结论与工程建议（针对车门内板选材，给出初步推荐并说明理由）、操作反思与改进建议。

3.4.要求使用专业绘图软件处理曲线，用规范工程语言进行描述。

5.拓展探究任务（小组可选）：

1.6.提供一份“异常数据”包（包含因试样缺陷、轻微对中不良、润滑不当导致的非典型曲线和结果），请小组分析导致数据异常的可能原因，撰写一份“故障排查报告”。

2.7.阅读一篇关于“数字图像相关技术（DIC）在杯突试验中应用”的前沿文献摘要，思考DIC技术能提供哪些传统杯突试验无法获得的信息（如全场应变分布），并简述其工程价值。

8.多元评价与反馈：

1.9.过程性评价（40%）：预习完成度与提问质量（10%）、虚拟仿真考核成绩（10%）、实操现场表现（规范、安全、协作）（20%）。

2.10.结果性评价（60%）：实验报告的质量（数据准确性、分析深度、结论合理性、格式规范性）（50%）、拓展任务完成情况（10%）。

3.11.教师对实验报告进行详细批注，不仅指出错误，更提出深化思考的问题。选择2-3份优秀报告在课程平台展示。安排一次线上或线下的简短答疑，集中反馈报告中的共性问题。

八、板书设计（提纲，配合PPT使用）

由于教学大量使用多媒体和实物操作，板书主要用于呈现核心逻辑链条和即时生成的研讨要点：

《杯突试验：从原理到工程应用》

一、工程问题：如何评估板材的“胀形”能力？

↳模拟零件：平坦区域，双向拉伸。

二、核心原理：局部双向拉伸下的塑性变形至破裂

1.应力状态：σ1≈σ2>0（平面应力）

2.过程：均匀变形→集中颈缩→裂纹萌生（透光）

3.指标：杯突深度IE——抵抗局部变形能力的度量

4.微观关联：空洞形核-长大-聚合（与纯净度、夹杂物相关）

三、规范是数据的生命（GB/T4156）

关键控制点：试样、润滑、对中、速度、