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PBL教学法在材料成形力学课程教学中的应用

2024-12-25 19 上传者：管理员

摘要：将PBL(Problem Based Learning)教学法应用到本科材料成形力学课程教学，结合课程特点，将材料成形力学理论与方法在材料成形领域的应用前景作为问题，组织和引导学生开展讨论和小组学习，设计了过程考核与多元评价方法，提高了学生的学习兴趣，保证了教学目标的达成。

关键词：
PBL
学术写作
本科教学
材料成形力学
课程教学
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PBL教学法起源于20世纪50年代，1969年由巴勒斯首次引入课堂[1-6]。随着计算机网络技术和信息技术的普及，学生能够自由地获取与课程相关的最新理论和技术发展，为PBL教学法的实施提供了平台和便利条件，PBL教学法的应用范围更为广泛[7-10]。通过问题的设计与解决、评价流程，在激发积极性与创造力的同时，引导学生对课程体系中各种要素的关系进行联系与比较，达到专业知识贯通、解决实际问题、自我学习提升、加强社会交流、提高组织能力、熟练学术写作等教学目的。为了实现上述目的，需对问题提出、构建分组方式、建立评价机制及PBL教学模式与传统教学模式的组合方式进行研究。

一、问题设计

结合镦粗、轧制、挤压、拉拔等基本成形过程中金属变形的特点，针对材料成形力学基本理论、工程法、滑移线法与上界法的理论基础、解决方案以及特点设计问题，所设计的问题应紧密围绕教学过程，兼具前沿性和新颖性。材料成形力学课程在讲授应力、应变等基本知识的基础上，介绍运用工程法、滑移线法和上界法解析压力加工的实际问题，如平锤头镦粗半无限体、板带轧制、棒材的挤压、管材拉拔等，基于应力分析、塑性条件、本构关系、力平衡方程、几何方程，确定静力许可和运动许可条件，采用不同的方法获得材料在压力加工过程中的应力、应变场以及速度场。材料成形力学中的主要解析方法，包括工程法、滑移线法和上界法，都是在20世纪就已经发展成熟，是基于力学理论，结合材料的压力加工过程的工艺特点而形成的复杂的解析方法。本门课程要求学生既要熟练掌握力学基本理论，又要熟悉金属压力加工工艺特点，具有一定的难度。

激发学生的学习兴趣，是设计问题的主要目的。以具有时代特征的课题吸引学生主动学习兴趣，引导学生主动获得相关知识，推动加工过程中应力场和速度场以及成形过程金属变形规律相关知识的学习。

近年来，增材制造等新型材料加工方法以不同于传统成形方法的形式出现，材料成形的智能化技术迅速发展，相对于新技术、新理论，材料成形力学课程的学习内容、知识结构和教学方法相对传统。同时，考虑到课程知识体系的衔接性，本课程在大三上学期开设，学生尚未对各种材料成形的传统方法有较深入的了解。学生在课堂上所面对的，可能是较为陌生的材料成形场景和逻辑性极强的公式推导，有可能降低学习兴趣，甚至产生一定的抵触情绪。因此，结合传统教学模式，在讲授理论知识的同时，将PBL教学模式的问题确定为材料成形力学理论与方法在材料成形领域的应用前景。该问题具有一定的开放性，有利于引导学生自主学习，通过自主学习了解材料成形过程和其力学理论的应用前景，从而激发学习兴趣。

二、教学过程组织

将学生分组并分配角色，掌握流程进度、分配环节时间，实时答疑并给出指导，按时完成成果提交、自我评价和教师评价并给予适当激励。对教学过程进行总结，在教师引导下，围绕材料成形力学课程中的核心内容和问题，按照“提出问题-分析问题-解决方案设计-评价与反馈”的流程进行，对流程中每个阶段的时间分配和实施路线进行深入的探究和分析。

本课程具有专业性强、理论性强的特点，教师结合授课内容与本领域的发展趋势提出了问题，分析问题则需要学生以小组的形式进行。全班分为5组，每组设组长1名，负责组织本组内的讨论以及组间讨论。教师引导学生设定基本的技术路线，即对问题进行分析、查阅相关文献、提出观点、论证观点以及总结和归纳，小组同学开展组内和组间讨论与协作。基本技术路线如图 1所示。

图1 基本技术路线

以材料成形力学在材料成形领域的应用前景为题，各组的观点基本一致，认为材料成形力学是该领域的核心理论，其基本理论和基本方法较为成熟，有助于破解成形领域的“物理黑箱”，如难以测量的材料内部应力场、应变场、应变速率场等。这表明学生认为本课程的学习在了解和掌握材料成形机理方面具有重要的意义，也表明学生对本课程的内容的学习兴趣在一定程度上已被激发出来。各组内既分工明确，又相互协作，组长起到组织者的作用。组内成员分别检索工程法、滑移线法、上界法在材料成形领域中的应用，汇总后经讨论形成初步观点，再组织文献对观点进行论证，得出结论并形成报告。

某组报告针对屈服准则在实际生产中的应用进行论述，结合金属冲压过程，探讨了Mises屈服准则在模具设计中发挥重要作用，该小组的成员还探讨了板材轧制力的微元法建模过程。

某组报告结合文献探讨了材料成形力学理论在铝合金热变形、复合材料成形、材料成形模拟以及材料焊接方面的应用前景。其中，符合材料成形、焊接成形等领域的探讨已经超出了教师授课的范围，这一方面表明学生对于所学专业知识具有一定兴趣；另一方面，也说明学生对教师授课内容的要求有所提高。

某组报告的内容为两部分，一部分针对教材中重点介绍的镦粗过程进行论述，另一部分针对金属切削中滑移线场理论的应用进行探讨。该报告中也有超出本课程内容的知识元素。

某组的报告按照年代顺序论述了材料成形力学的发展历程，简要地阐述了材料成形力学在金属成形加工、新型材料设计以及仿真和模拟领域的应用前景，探讨了计算机技术结合力学理论的应用前景。

某组的报告论述了材料成形力学的应用前景，同时希望在学习中将新型成形方式与传统理论相结合，以更好地促进传统理论的不断创新和深入应用。

各组报告的特点可以概括为既深入了解了本课程所重点介绍的成形案例，也展现了主动学习的热情和对本领域专业知识较高的掌握程度。通过教师引导下的小组主动学习，学生对本课程主要学习内容及其在材料成形领域的应用，以及基本理论和材料成形技术的紧密关系有了初步的了解，在形成观点及论述观点的同时，也增进了相互了解，促进了团结协作，学习的主动性明显提高。

三、新型教学评价方式

在基于PBL教学模式下，原有的“平时成绩”×系数1+“期中成绩”×系数2+“期末成绩”×系数3的评价方法应进一步细化，除了必要的期中考试与期末考试外，在体现学生成绩评定功能的基础上，加强对具体问题的发现、分析和解决能力的体现，以及组内协调与组件探讨表现的体现。针对PBL学习流程的每个阶段进行评价，需要针对建立新型的教学评价方式开展研究。

考虑到疫情时期学生在校时间短、参加线上教学活动较多，为了促进交流、增进同学之间的了解，进而达到相互促进、共同提高的目的，尝试采用新的教学评价方式：平时成绩=组员自评 ×教师加权。

组员自评：根据自身在学习中投入精力、在小组成果中的贡献以及在组内和组件活动中的活跃程度，组员为自己打分并在组内公布，经讨论确定个人在小组报告中的贡献占比。

教师加权：教师综合考虑学生在PBL教学活动中的表现，对学生平时成绩以加权的形式进行干预。

图2 个人在小组工作中占比的偏正态分布

如图2所示，大部分学生的自评贡献占比位于 0.1 ～0.25之间，少数学生的占比较高，这些学生是各组的组长。组长贡献占比较高的原因，一种可能是在完成作业的各个阶段都起到了重要作用，另一种可能是普通成员的参与程度不高，作业的大部分内容都是由组长完成的，组员的积极性没有调动起来。分析各组分数，发现有的组内有一人或者二人贡献占比特别高，其他人均为 10%，这验证了上述观点，即少数人承担了全组的工作，有的学生虽然也加入了小组，但基本上没有参与小组的研究工作，其学习积极性没有被调动起来。在理论性强、课堂讲授仍处于主要地位的课程中，如何避免出现这样的情况，值得深入探讨。

图3 组长贡献占比

5个小组的组长贡献占比如图3所示。组长占比均值为28.6%，只有一个小组的组长占比为 50%。如果将该组数据作为异常数据排除，其他各组的组长占比平均值为23%。本次分组的组长与组员都是教师在课堂上按学号顺序随机指定，事先并未充分评估学生的学习积极性与学习能力，各组组长在任职后都表现出较为浓厚的学习兴趣和责任心，这在一定程度上表明学生本身具备较强的学习能力，学习兴趣的提升对于促进主动学习非常重要。

图4 最终平时成绩分布箱型

如图4所示，最终平时成绩的中位数为94，上分位数位数为95，下四分位数为92，分数较为集中，表明整体上学生对分组作业的投入较多，学习积极性得到了充分的体现。本年度学生成绩平均分为93，今年较去年平均成绩降低1分，基本持平，平时成绩均方差由去年的6.6降低为4.1 分，表明学生成绩分布更为集中。

结合课程特点和实施过程，可以发现现阶段的PBL教学过程仍存在一定问题：组间讨论较为薄弱，没有形成组间的合作。个别学生学习兴趣不高，态度不积极，对于小组讨论的参与程度也不高。分析其原因，本课程的前期准备知识较多、难度较大，一旦对于之前所学的知识掌握不好或者淡忘，又没有按照教师要求及时复习，参加本课程学习的难度就非常大，影响学习的积极性。

教师对组内讨论的掌握程度较低，难以对部分学生不积极参与小组调研、组内作业贡献程度低的实际情况进行及时干预，造成组内作业对组长依赖程度较高、部分学生学习积极性没有调动起来。

四、结论

结合技术发展背景，密切结合实际，使学习具有明确的意义，有利于提高学习积极性。将班级分为若干小组，组长的作用在小组报告中得到了充分体现。组内自评的评价机制有利于促进学生自主学习，也有利于教师掌握小组讨论的实际情况，以及评估教学改革效果并提出改进措施。

参考文献:

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文章来源:龚殿尧,方烽,李凤华,等.PBL教学法在材料成形力学课程教学中的应用[J].中国冶金教育,2024,(06):1-4.