KAPIV一體化工程材料學課程教學改革*

毛曉露 繆亞芹 盧靜 李琳 柏艷雪

南京航空航天大學金城學院 南京 211156

1 背景

在本科教學有限的學分內，基于新的教學內容不斷增加，理論基礎課教學學時不斷被壓縮的現實，需要引入新的教學方法來化解學時不足，知識、能力、實踐、創新關聯不緊密的矛盾。KAPIV一體化培養是集合大學生知識（Knowledge）、能力（Ability）、實踐（Practice）、創新（Innovation）、品行（Virtue）的新形態課程[1]。新形態一體化課程依托KAPIV 項目，對車輛工程專業，選取與專業相關的競賽項目作為教學實踐訓練項目。如圖1所示，目前車輛工程專業工程材料學存在的教學問題有：學分減少，理論和實踐課時被壓縮；理論教學與實踐銜接不緊密；教學方式單一，知識難以轉化為技能；知識、實踐與能力培養缺少深度融合。

圖1 課程教學存在的問題

根據以上存在的問題，本文以HONDA 中國節能競技大賽的要求為參考，選取制作節能小車的項目為出發點，制定車輛工程專業基于KAPIV 項目的工程材料學課程的教學改革方案，實現課程的一體化培養。

2 工程材料學課程的基本要求

工程材料學這門課程的基本要求是通過學習這門課程，了解材料科學與人類社會文明發展的關系，掌握我國材料的發展歷史，培養愛國主義精神；掌握材料的微觀組織結構、使用性能和工藝性能、熱處理工藝等相關基礎知識。使學生初步具備工程材料組織結構分析能力以及合理制定工業用鋼熱機加工和處理工藝流程的能力，培養學生的產品質量和安全生產制造意識；使學生掌握典型金屬的牌號、性能特點和用途，具備工程制件選材的能力。培養并提升學生的辯證思維能力，激發并增強學生的社會責任感、職業能力與素養，培養技術創新型的大國工匠[2]。在項目的牽引下，以競賽為抓手，通過自主學習、設計、加工、組裝、調試、競賽等完整過程，使學生知識學習、作品制作、創新訓練融為一體，為創新人才培養服務。

3 KAPIV一體化工程材料學課程教學實踐

3.1 車輛工程專業工程材料學學習重點知識

“材料的性能”這一章，為了合理、準確地使用機械工程材料，首先必須了解和掌握材料性能的評價方式。使用性能和工藝性能都屬于材料的性能，對于車輛專業的學生，要求掌握材料的使用性能，并且了解其工藝性能。使用性能包括強度、塑性、硬度、韌性和疲勞強度。強度包含剛度、屈服強度、抗拉強度等，伸長率和收縮率是衡量塑性的指標參數，硬度包含布氏、洛氏等硬度測量方法及適用范圍，金屬材料的抗沖擊的能力用韌性表示，疲勞強度反映材料的使用壽命。材料在冷、熱加工過程中表現出來的性能是工藝性能，包括鑄造、鍛造、焊接、熱處理和切削加工等性能。

“材料的結構”這一章，從微觀上說明材料的原子結合方式和排列方式決定了材料的宏觀性能。這一章的重要知識點有晶體與非晶體、單晶體與多晶體、晶體的缺陷、合金的基本相等概念。其中，合金的基本相包括固溶體和金屬化合物，這是在鐵碳合金相圖里會接觸到的知識點，因此更應該掌握。

“材料的結晶”這一章，由于結晶前后材料的性能會有所不同，所以要弄清材料組織與性能的關系，必須研究材料結晶的基本規律，這也是熱處理的基礎。這一章的重要知識點有純金屬的結晶、重結晶/同素異構轉變、二元相圖的建立、二元合金相圖及應用、鐵碳合金相圖等。純金屬的結晶這部分內容包含冷卻曲線和過冷度、金屬的晶粒大小與控制、鑄錠組織。在掌握二元合金相圖之后才能快速、準確地掌握鐵碳合金相圖；在鐵碳合金相圖中，不僅要掌握不同點線的含義，還要掌握不同含碳量的鐵碳合金在室溫下的相與組織。

金屬材料在進行壓力加工的時候會產生塑性變形，在塑性變形過程中材料的組織、結構和性能都會發生變化，這種變化規律就是“金屬的塑性變形與再結晶”這一章要學習的內容。這一章的重要知識點是冷塑性變形對金屬組織和性能的影響及其在加熱時組織結構和性能的變化、金屬的熱變形加工。

熱處理可以改善材料的使用性能和工藝性能，在一定程度上消除缺陷，發揮材料的性能潛力，最終提高材料的綜合性能。“鋼的熱處理”這一章的重點有奧氏體的形成及其影響因素、過冷奧氏體的等溫轉變/連續冷卻轉變、鋼的熱處理“四把火”、淬透性和淬硬性等。

在“工業用鋼”、“鑄鐵”和“有色金屬”這三章，要求掌握不同類型金屬材料的牌號、性能與用途，能夠對產品選材快速定位。其中，工業用鋼的重要知識點包含鋼的編號、結構鋼、工具鋼、特殊性能鋼；鑄鐵的重要知識點包含鑄鐵的石墨化、灰鑄鐵、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵；有色金屬的重要知識點包含鋁及鋁合金、銅及銅合金、鈦及鈦合金。

要做到合理選用材料，首先要根據掌握的力學知識全面分析零件的工作條件、受力情況及可能失效的形式，提出能滿足此零件工作條件的性能需求，然后再選擇合適的材料并確定相應的機加工和熱處理的方式。從以上分析可以知道，在工程材料的選用這一章中，重要知識點有零件的失效形式、選材的原則、選材的方法與步驟、典型零件與工具材料的選用。

3.2 基于項目的課程核心知識點

廣汽本田節能車競技大賽要求比賽搭載本田統一提供的125 cc（排量125 mL）的四沖程發動機，車架與車身等結構系統由各參賽車隊獨立完成。大賽規定必須在指定比賽地點完成規定里程，并且參賽車輛的平均時速不能低于25 km/h，最終以各車輛的燃油消耗量確定排名。

傳統汽車節能減排的途徑主要是改善發動機性能、優化傳動系統、改進車身外形和減輕整車質量，如圖2所示。對于節能競技大賽，發動機是固定的，車體的空間也限制了傳動系統的設計，這兩點對改善油耗影響不大。汽車在行駛過程中由于與空氣之間有相對速度，受空氣阻力的作用，車身相對于氣流的速度越大，需要克服的阻力做的功越多，導致油耗變大。對于車身來說，改善外形可以減小氣動阻力，達到節省燃油的目的。相關研究數據顯示，汽車的整車質量降低10%，燃油效率就可以提高6%～8%，因此，減少車身與車架的質量即輕量化是降低油耗的主要途徑。

圖2 節能減排方法

目前，實現汽車輕量化有三種方法。第一種是優化車架和鋼板的結構，這種方法可以利用有限元分析軟件實現。第二種方法是直接選取輕型的材料達到輕量化的目的。第三種是利用先進制造工藝減輕質量，比如激光拼焊技術、熱壓成型方法等。對于競技大賽來說，學生主要利用第一種優化結構和第二種選擇輕型材料方法來實現參賽車輛的設計與制作[3]。

總結以上的輕量化可以得知，節能車項目涉及機械設計、工程材料學、汽車構造等專業課程，其中涉及工程材料學的有：材料的力學性能、材料的工藝性能、金屬的牌號性能與應用、零件的失效、選材的原則等核心知識點。學生只有在掌握材料的力學性能中的強度、剛度、塑性、韌性后才能對車架和車身的材料與構形進行設計，根據金屬的牌號與性能可以進行準確的選材，利用工藝性能的知識對節能車相關結構進行制造。

3.3 課程實施方式

在當下這個知識大爆炸的新時代，獲取知識的方式多種多樣，在課堂上獲得的知識僅僅是科技海洋里的滄海一粟。課堂知識最重要的功能應該是激發學生對課程方向的學習興趣，指明學習方向，培養并鍛煉學生精準地查詢及篩選專業資料的能力，提高和增強學生自主學習的自信心。這樣學生才能知難而上敢于試錯，科學地動態地完善自己的知識結構，從而完全地掌握課程知識并學以致用。

隨著科技與互聯網的發展，大量信息化的教學方式涌入大學校園，并給教學改革帶來了深刻的影響[4]。微課和慕課的優勢在于學生可以根據尚未理解或者理解模糊的知識點反復觀看學習直到掌握，提升學習效率。在課程平臺上學生可以完成習題及試卷，檢驗自己的學習情況。信息化的教學方式可以實現課上課下聯動，與傳統教學形成立體化的教學模式，提升教學質量與效率。

人類認識世界的普遍過程是從實踐到理論最終再用于實踐，因此實踐是知識檢驗、人才培養的重要環節。基于課時被縮減的現狀，實踐內容也被取消，而競賽項目恰恰能彌補這一部分的缺失。新形態一體化課程的目的是在教授知識的基礎上，通過實踐使學生的應用能力得到提升，以競賽項目為牽引培養和提高學生的創新創造能力，同時可以培養學生腳踏實地、不畏困難、堅韌不拔的品質。

通過以上分析，總結出一體化課程教學實施方式，如圖3所示。在課內學習的基礎上，為了讓學生留出更多的時間對知識進行消化、練習、實踐，基于KAPIV 的課程實施以項目為牽引，以創新實驗室為學習場所，通過“課堂教學+微課/慕課+教師輔導”等方式獲取核心知識和拓展知識[5]，實驗及競賽項目為對應的實踐教學內容。

圖3 一體化課程實施方式

學生根據教師指定的教材進行自主學習，除了參與線下課堂授課之外，課后需要觀看學校微課及慕課的課程資源鞏固知識。同時，教師根據大賽項目內容對學生進行針對性的指導，指出與大賽相關的重點內容。在教學計劃外，利用教師和學生團隊開設專項訓練、培訓、講座，鞏固和拓展學生知識。另外，教師會安排答疑課，再次強調重點內容并解惑難點。這種課內外一體化的教學模式可以實現“師生相輔、學練結合、手腦融合”，提高教學質量和培養效果。

3.4 課程考核

3.4.1 車輛工程KAPIV 項目課程考核管理辦法

車輛工程教研室制定的本專業KAPIV 項目課程考核管理辦法總則里有四條。第一條，本辦法適用于參加車輛工程專業KAPIV 項目學生的課程考核。第二條，本辦法參照2020 級車輛工程專業培養方案進行。第三條，凡車輛工程專業培養方案中設置的課程均要進行考核，考核通過后方可獲得相應學分。學生在校期間必須按照專業的教學計劃規定修滿160 學分方準予畢業。第四條，課程考核應側重考查學生靈活運用知識、綜合運用知識解決問題及創造性解決問題等能力，體現知識、能力、實踐、創新和思政的要求。在制定工程材料學課程考核方式時，必須對照考核管理辦法總則，滿足要求。

3.4.2 課程考核方式

建立全過程、多元化的課程考核體系，可以對學生的課程知識掌握情況作出客觀、準確、綜合的評價，是基于項目的課程實施與教學效果的重要保證，也是一體化培養的重要內容[6]。

1）平時成績的考核內容（占15%）。包括學生平時學習情況、學習態度、網課學習時長、實驗報告及測試題完成情況。

2）結課考試考核內容（占55%）。指導教師組從課程試題庫內隨機抽取一份試卷進行閉卷考試。

3）項目匯報內容（占40%）。結合課程知識點，學生匯報項目最終方案。匯報內容包括項目與課程知識點之間的聯系、項目確定的依據、最終選定的參數、與其他課程知識點之間的聯系等。

另外，可以對競賽獲獎的學生按獲獎級別、對競賽作品所作的貢獻大小“動態化”地對相應課程進行加分，達到公平、綜合評價學生的課程學習情況的目的。加分規則參照2018 級《南京航空航天大學金城學院學生手冊》執行，如表1 和表2，按照學生參加競賽活動的等級、獲獎情況、團隊成員貢獻大小由教務處參照《南京航空航天大學金城學院學生手冊》進行績點的置換。

表1 競賽對應等級績點

表2 等級績點與提升績點對照表

4 結束語

基于節能車競賽項目的KAPIV一體化教學可以將學生的工程材料學理論知識與實際應用結合起來，以競賽為平臺，以學生為中心，將知識、能力、實踐、創新訓練、思政課程有機融為一體，通過理論知識的獲取、實踐創新、競賽等能力的綜合訓練，推動知識向能力的轉化。為了獲得更高的獎項，學生需要對方案不斷進行優化，以達到綜合培養學生知識能力、實踐創新的目的，滿足培養學生的社會責任、職業素養、創新能力的大國工匠精神的課程要求。