机械基础课程思政设计与实施*

赵冉 韩校粉 程兆刚 黄海英 王凌英

陆军工程大学石家庄校区 石家庄 050003

0 引言

全面推进课程思政建设是落实立德树人根本任务的战略举措，也是提高人才培养质量的重要任务。如何推进课程思政建设，摆脱课程、思政“两张皮”[1]，将育德与育知相结合，在“润物无声”中赋予知识和能力正确的价值取向，是机械基础等专业背景课程亟待解决的问题。结合课程特点，挖掘课程思政建设的目标，本着“润物无声”“如盐入水”的效果对“加工硬化”一讲进行课程思政设计。

1 课程概况

机械基础课程是本科教育的一门专业背景课程，开设在大三学年的秋季学期，共78 学时。该课程主要研究产品设计到制造的一般原理、方法，是一门运用理论解决工程实际中机械共性问题的课程，对检查、维护、保养等技术勤务的组织实施和科学思维能力的培养起着重要的支撑作用。

1.1 课程特点

该课程具有“三多两重”的特点，“三多”即符号多、公式多、概念多；“两重”即重实践、重综合，将知识内容化繁为简，抓住问题的关键，实现知识的迁移，最终解决工程实际问题是本课程的核心。

1.2 内容设计

课程内容围绕着“一个中心，三个融入，六个环节，多元评价”进行建设。一个中心，即学生是教学的主体，时刻调动学生的积极性和求知欲，教员起组织、引导、梳理作用；三个融入即融入思政、融入装备案例、融入实操训练；六个环节即教学采用创设情景、提出问题、共同探究、合作交流、总结反思、应用迁移，内化知识，解决工程问题。为检验授课效果加大了过程性考核的比重，采用了实操、工程问题解决方案、第二课堂等多元评价代替单一的终结性成绩。

2 课程思政挖掘

在深度研学新时代教育方针和人才培养目标的基础上，结合课程特点，并构建了课程的思政案例库，将课程思政目标设计为科学思维、工匠品质、家国情怀三个方面。

2.1 科学严谨的探究思维

工程实际中的机械，如图1 所示，虽然表现出来的结构不同、形式不同、功能不同，但它们运动的本质却是相同的，都是四杆机构。要抓住事物的本质，深挖知识体系中的辩证思维和创新思维，如表1 所示，培养学生正确认识问题、分析问题和解决问题的能力。

表1 常见的探究思维

图1 常见机械举例

2.2 精益求精的工匠品质

机械设计、制造过程本身蕴含不断突破的创新意识、决定成败的质量意识、团结协作的合作意识，所以发挥课程特色，无论在课程教学还是指导学生参加课外创新实践活动中，都要具有严谨的工作作风和精益求精的工匠品质，将其烙印在日常工作学习中。教学及参加实践活动的师生如图2 所示。

图2 教学及参加实践活动中

2.3 涵养深沉的家国情怀

机械有着辉煌的历史和灿烂的文明，从古代精湛技艺的传承到自主研发的洲际战略导弹东风41和99A 坦克的艰辛付出，再到迈向世界强国的不断努力，在增强民族自豪感和文化自信的同时，激发学生“功成不必在我，功成必然有我”的责任担当。机械加工制造的案例如图3 所示。

图3 机械加工制造的案例

学生通过学习形成严谨的科学思维，具备精益求精的工匠品质，勇往直前、攻坚克难的勇气担当，解决一个个工程问题，将“小我”融入科技强国兴军的“大我”之中。

3 课程思政设计

以机械基础课程中材料成型中的“加工硬化”一讲为例，内容主要由机理的探究到工程的实际应用。思政设计主要从科学探索、辩证思维和学生成长三个方面展开。具体内容主线，如图4 所示。由加工硬化微观机理探究，养成科学严谨的探索精神；由加工硬化的利用和消除，培养学生一分为二的辩证思维；通过薄壁筒状工件的一次次引伸，一次次锻合缺陷，最后达到内部完美、性能合格的产品，引导学生不惧困难，在历练中完善自我，成长为一名新时代合格人才。

图4 “加工硬化”内容及思政设计主线

3.1 引入

铁丝反复弯折，在塑性的大变形后断裂。这是为什么呢？断裂是现象，要研究其内部机理，正如毛主席所说，我们看事情必须要看它的实质，而把它的现象只看作入门的向导，一进了门就要抓住它的实质，这才是可靠的科学的分析方法[2]。透过现象抓住事物的本质，方可以见微知著，防患于未然。

3.2 微观机理探究

如图5 所示，金相显微镜下微观组织形貌，变形前组织是颗粒状的，看起来非常饱满，富有弹性，随着塑性变形量的增加，晶粒不断被拉长，并伴有碎晶。当然，晶粒内部的变化可以用现在非常先进的扫描隧道显微镜观察其原子排列情况，但对于100 年前的人类来说，这是可望而不可即的，尽管如此，科学家们进行了大胆的猜测，教学过程中，可以跟随他们的足迹，感受科学探究的魅力。

图5 显微镜下的微观组织

早期人们普遍认为构成金属的原子排列是有序的，塑性变形是通过原子挣脱化学键后又重新建立连接。基于这个模型，科学家Frankl 于1926 年通过计算得出理论切变强度为104～105MPa，而实验实际获得切变强度仅为1 ～10 MPa，数值竟然相差了3 ～4 个数量级，这样巨大的差异一直无法解释[3]。直到1934 年Taylor 大胆猜测晶体中存在不完美的情况，如图6 所示，局部出现原子的错排，将其称为位错，由于位错的不均匀排列，使其能量较高，当受到一个较小的剪切力时，它会首先沿原子面滑移，大量位错的滑移会产生塑性变形，这便是材料产生永久性变形，不可恢复的根本原因。

图6 位错引起的滑移

滑移后的位错消失了吗？1956 年人类终于在透射电子显微镜下第一次捕捉到位错及其滑移过程。由于位错的位向不同，在滑移过程中，位错发生反应，也就是说滑移后的位错没有消失，反而缠结、堆积在一起，使运动受阻，表现出的宏观性能为强度、硬度提高，塑性、韧性下降。常温下，金属随着塑性变形程度的增加，材料的强度、硬度提高，塑性韧性下降的现象称为加工硬化。这正是科学探索过程，通过发现问题—大胆猜测—科学求证—最终获得位错的缠结和堆积是加工硬化的原因。工程问题的解决过程亦是如此。

3.3 消除、利用和工程应用

铁丝折断的例子便是因为塑性大变形，产生加工硬化，最终断裂。工程中，加工硬化使得在冷轧、滚压、冷拔、拉深工艺中，随着变形量增大，强度、硬度不断升高，进一步加工越发困难，甚至出现断裂。人们渴望一种能够消除加工硬化的方法。

如何消除加工硬化呢？产生加工硬化的材料，由于内部的畸变，它是一种不稳定的状态，而这种不稳定的状态不会在常温下自动消除，只有当原子的能量足够高，组织重新排列，才可以消除加工硬化，提高原子能量最常用的一种方法就是加热。如图7 所示，当加热温度不高的时候，原子的扩散能力较弱，组织没有变化，主要消除了变形产生的内应力，这个阶段称为回复，由于内部组织几乎没有变化，微观组织决定宏观性能，所以强度略有下降，塑性略有上升。

图7 变形金属加热时组织和性能变化示意图

随着加热温度的继续升高，当大于某一个温度后，以碎晶为核，原子重新排列，重新结晶，缺陷也重新排列，这个过程称为再结晶。再结晶消除了加工硬化，原子重新排列，所以强度快速下降，塑性快速上升。当热温度再提高一些，出现了过犹不及、物极必反的结果，晶粒合并，形成粗大的过热组织，使得其性能不但不会增高，反而下降。所以消除加工硬化要控制加热的温度处于再结晶阶段。由此可见，只要方法得当，任何困难都可以解决。

事物往往具有两面性，正如黑格尔所说，世界上任何事物的内部和事物之间都包含矛盾的两个方面，加工硬化会阻碍材料的进一步加工，但加工硬化有其有利的一面。

一个实际的工程案例如图8 所示，材料为深冲15 钢，外形为薄壁筒状结构，该工件是如何加工而来的呢？由毛坯棒料通过塑性成形，体积转移而获得。如此之大的塑性变形，材料必然有着严重的加工硬化，容易产生断裂，为了避免这种现象，薄壁筒状工件的实际加工工艺经过多次引伸。

图8 加工实例

第一次引伸之后由于加工硬化存在，使得进一步加工存在困难，再通过再结晶退火消除加工硬化影响，使得第二次引伸顺利进行，经过多道引伸、消除加工硬化处理，直到达到所要尺寸。需要注意的是最后一次引伸，为了提高材料性能，并未进行再结晶退火，巧妙地利用加工硬化满足了薄壁筒状工件高强度要求，这是采用切削加工或焊接这种方法无法实现的。

3.4 思政升华

通过塑性成形中薄壁筒状工件的一次次加工硬化、一次次消除，最终获得大变形和高性能的实际案例，正如人生总会遇到坎坷、困难、挫折与挑战，让学生无惧风雨，主动“引伸”，砥砺前行，在历练中成长，最终成长为一名优秀的工程技术人员。

4 结束语

教育是一项全局性工程，将思政融入教学中，将显性知识教育与隐形育人教育相统一，教师要认真设计谋划，在潜移默化中赋予知识和能力正确的价值取向，结合课程知识点进行设计，以点带面，从而构建全员全程全方位育人大格局。