KAPIV一体化工程材料学课程教学改革*

毛晓露 缪亚芹 卢静 李琳 柏艳雪

南京航空航天大学金城学院 南京 211156

1 背景

在本科教学有限的学分内，基于新的教学内容不断增加，理论基础课教学学时不断被压缩的现实，需要引入新的教学方法来化解学时不足，知识、能力、实践、创新关联不紧密的矛盾。KAPIV一体化培养是集合大学生知识（Knowledge）、能力（Ability）、实践（Practice）、创新（Innovation）、品行（Virtue）的新形态课程[1]。新形态一体化课程依托KAPIV 项目，对车辆工程专业，选取与专业相关的竞赛项目作为教学实践训练项目。如图1所示，目前车辆工程专业工程材料学存在的教学问题有：学分减少，理论和实践课时被压缩；理论教学与实践衔接不紧密；教学方式单一，知识难以转化为技能；知识、实践与能力培养缺少深度融合。

图1 课程教学存在的问题

根据以上存在的问题，本文以HONDA 中国节能竞技大赛的要求为参考，选取制作节能小车的项目为出发点，制定车辆工程专业基于KAPIV 项目的工程材料学课程的教学改革方案，实现课程的一体化培养。

2 工程材料学课程的基本要求

工程材料学这门课程的基本要求是通过学习这门课程，了解材料科学与人类社会文明发展的关系，掌握我国材料的发展历史，培养爱国主义精神；掌握材料的微观组织结构、使用性能和工艺性能、热处理工艺等相关基础知识。使学生初步具备工程材料组织结构分析能力以及合理制定工业用钢热机加工和处理工艺流程的能力，培养学生的产品质量和安全生产制造意识；使学生掌握典型金属的牌号、性能特点和用途，具备工程制件选材的能力。培养并提升学生的辩证思维能力，激发并增强学生的社会责任感、职业能力与素养，培养技术创新型的大国工匠[2]。在项目的牵引下，以竞赛为抓手，通过自主学习、设计、加工、组装、调试、竞赛等完整过程，使学生知识学习、作品制作、创新训练融为一体，为创新人才培养服务。

3 KAPIV一体化工程材料学课程教学实践

3.1 车辆工程专业工程材料学学习重点知识

“材料的性能”这一章，为了合理、准确地使用机械工程材料，首先必须了解和掌握材料性能的评价方式。使用性能和工艺性能都属于材料的性能，对于车辆专业的学生，要求掌握材料的使用性能，并且了解其工艺性能。使用性能包括强度、塑性、硬度、韧性和疲劳强度。强度包含刚度、屈服强度、抗拉强度等，伸长率和收缩率是衡量塑性的指标参数，硬度包含布氏、洛氏等硬度测量方法及适用范围，金属材料的抗冲击的能力用韧性表示，疲劳强度反映材料的使用寿命。材料在冷、热加工过程中表现出来的性能是工艺性能，包括铸造、锻造、焊接、热处理和切削加工等性能。

“材料的结构”这一章，从微观上说明材料的原子结合方式和排列方式决定了材料的宏观性能。这一章的重要知识点有晶体与非晶体、单晶体与多晶体、晶体的缺陷、合金的基本相等概念。其中，合金的基本相包括固溶体和金属化合物，这是在铁碳合金相图里会接触到的知识点，因此更应该掌握。

“材料的结晶”这一章，由于结晶前后材料的性能会有所不同，所以要弄清材料组织与性能的关系，必须研究材料结晶的基本规律，这也是热处理的基础。这一章的重要知识点有纯金属的结晶、重结晶/同素异构转变、二元相图的建立、二元合金相图及应用、铁碳合金相图等。纯金属的结晶这部分内容包含冷却曲线和过冷度、金属的晶粒大小与控制、铸锭组织。在掌握二元合金相图之后才能快速、准确地掌握铁碳合金相图；在铁碳合金相图中，不仅要掌握不同点线的含义，还要掌握不同含碳量的铁碳合金在室温下的相与组织。

金属材料在进行压力加工的时候会产生塑性变形，在塑性变形过程中材料的组织、结构和性能都会发生变化，这种变化规律就是“金属的塑性变形与再结晶”这一章要学习的内容。这一章的重要知识点是冷塑性变形对金属组织和性能的影响及其在加热时组织结构和性能的变化、金属的热变形加工。

热处理可以改善材料的使用性能和工艺性能，在一定程度上消除缺陷，发挥材料的性能潜力，最终提高材料的综合性能。“钢的热处理”这一章的重点有奥氏体的形成及其影响因素、过冷奥氏体的等温转变/连续冷却转变、钢的热处理“四把火”、淬透性和淬硬性等。

在“工业用钢”、“铸铁”和“有色金属”这三章，要求掌握不同类型金属材料的牌号、性能与用途，能够对产品选材快速定位。其中，工业用钢的重要知识点包含钢的编号、结构钢、工具钢、特殊性能钢；铸铁的重要知识点包含铸铁的石墨化、灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁；有色金属的重要知识点包含铝及铝合金、铜及铜合金、钛及钛合金。

要做到合理选用材料，首先要根据掌握的力学知识全面分析零件的工作条件、受力情况及可能失效的形式，提出能满足此零件工作条件的性能需求，然后再选择合适的材料并确定相应的机加工和热处理的方式。从以上分析可以知道，在工程材料的选用这一章中，重要知识点有零件的失效形式、选材的原则、选材的方法与步骤、典型零件与工具材料的选用。

3.2 基于项目的课程核心知识点

广汽本田节能车竞技大赛要求比赛搭载本田统一提供的125 cc（排量125 mL）的四冲程发动机，车架与车身等结构系统由各参赛车队独立完成。大赛规定必须在指定比赛地点完成规定里程，并且参赛车辆的平均时速不能低于25 km/h，最终以各车辆的燃油消耗量确定排名。

传统汽车节能减排的途径主要是改善发动机性能、优化传动系统、改进车身外形和减轻整车质量，如图2所示。对于节能竞技大赛，发动机是固定的，车体的空间也限制了传动系统的设计，这两点对改善油耗影响不大。汽车在行驶过程中由于与空气之间有相对速度，受空气阻力的作用，车身相对于气流的速度越大，需要克服的阻力做的功越多，导致油耗变大。对于车身来说，改善外形可以减小气动阻力，达到节省燃油的目的。相关研究数据显示，汽车的整车质量降低10%，燃油效率就可以提高6%～8%，因此，减少车身与车架的质量即轻量化是降低油耗的主要途径。

图2 节能减排方法

目前，实现汽车轻量化有三种方法。第一种是优化车架和钢板的结构，这种方法可以利用有限元分析软件实现。第二种方法是直接选取轻型的材料达到轻量化的目的。第三种是利用先进制造工艺减轻质量，比如激光拼焊技术、热压成型方法等。对于竞技大赛来说，学生主要利用第一种优化结构和第二种选择轻型材料方法来实现参赛车辆的设计与制作[3]。

总结以上的轻量化可以得知，节能车项目涉及机械设计、工程材料学、汽车构造等专业课程，其中涉及工程材料学的有：材料的力学性能、材料的工艺性能、金属的牌号性能与应用、零件的失效、选材的原则等核心知识点。学生只有在掌握材料的力学性能中的强度、刚度、塑性、韧性后才能对车架和车身的材料与构形进行设计，根据金属的牌号与性能可以进行准确的选材，利用工艺性能的知识对节能车相关结构进行制造。

3.3 课程实施方式

在当下这个知识大爆炸的新时代，获取知识的方式多种多样，在课堂上获得的知识仅仅是科技海洋里的沧海一粟。课堂知识最重要的功能应该是激发学生对课程方向的学习兴趣，指明学习方向，培养并锻炼学生精准地查询及筛选专业资料的能力，提高和增强学生自主学习的自信心。这样学生才能知难而上敢于试错，科学地动态地完善自己的知识结构，从而完全地掌握课程知识并学以致用。

随着科技与互联网的发展，大量信息化的教学方式涌入大学校园，并给教学改革带来了深刻的影响[4]。微课和慕课的优势在于学生可以根据尚未理解或者理解模糊的知识点反复观看学习直到掌握，提升学习效率。在课程平台上学生可以完成习题及试卷，检验自己的学习情况。信息化的教学方式可以实现课上课下联动，与传统教学形成立体化的教学模式，提升教学质量与效率。

人类认识世界的普遍过程是从实践到理论最终再用于实践，因此实践是知识检验、人才培养的重要环节。基于课时被缩减的现状，实践内容也被取消，而竞赛项目恰恰能弥补这一部分的缺失。新形态一体化课程的目的是在教授知识的基础上，通过实践使学生的应用能力得到提升，以竞赛项目为牵引培养和提高学生的创新创造能力，同时可以培养学生脚踏实地、不畏困难、坚韧不拔的品质。

通过以上分析，总结出一体化课程教学实施方式，如图3所示。在课内学习的基础上，为了让学生留出更多的时间对知识进行消化、练习、实践，基于KAPIV 的课程实施以项目为牵引，以创新实验室为学习场所，通过“课堂教学+微课/慕课+教师辅导”等方式获取核心知识和拓展知识[5]，实验及竞赛项目为对应的实践教学内容。

图3 一体化课程实施方式

学生根据教师指定的教材进行自主学习，除了参与线下课堂授课之外，课后需要观看学校微课及慕课的课程资源巩固知识。同时，教师根据大赛项目内容对学生进行针对性的指导，指出与大赛相关的重点内容。在教学计划外，利用教师和学生团队开设专项训练、培训、讲座，巩固和拓展学生知识。另外，教师会安排答疑课，再次强调重点内容并解惑难点。这种课内外一体化的教学模式可以实现“师生相辅、学练结合、手脑融合”，提高教学质量和培养效果。

3.4 课程考核

3.4.1 车辆工程KAPIV 项目课程考核管理办法

车辆工程教研室制定的本专业KAPIV 项目课程考核管理办法总则里有四条。第一条，本办法适用于参加车辆工程专业KAPIV 项目学生的课程考核。第二条，本办法参照2020 级车辆工程专业培养方案进行。第三条，凡车辆工程专业培养方案中设置的课程均要进行考核，考核通过后方可获得相应学分。学生在校期间必须按照专业的教学计划规定修满160 学分方准予毕业。第四条，课程考核应侧重考查学生灵活运用知识、综合运用知识解决问题及创造性解决问题等能力，体现知识、能力、实践、创新和思政的要求。在制定工程材料学课程考核方式时，必须对照考核管理办法总则，满足要求。

3.4.2 课程考核方式

建立全过程、多元化的课程考核体系，可以对学生的课程知识掌握情况作出客观、准确、综合的评价，是基于项目的课程实施与教学效果的重要保证，也是一体化培养的重要内容[6]。

1）平时成绩的考核内容（占15%）。包括学生平时学习情况、学习态度、网课学习时长、实验报告及测试题完成情况。

2）结课考试考核内容（占55%）。指导教师组从课程试题库内随机抽取一份试卷进行闭卷考试。

3）项目汇报内容（占40%）。结合课程知识点，学生汇报项目最终方案。汇报内容包括项目与课程知识点之间的联系、项目确定的依据、最终选定的参数、与其他课程知识点之间的联系等。

另外，可以对竞赛获奖的学生按获奖级别、对竞赛作品所作的贡献大小“动态化”地对相应课程进行加分，达到公平、综合评价学生的课程学习情况的目的。加分规则参照2018 级《南京航空航天大学金城学院学生手册》执行，如表1 和表2，按照学生参加竞赛活动的等级、获奖情况、团队成员贡献大小由教务处参照《南京航空航天大学金城学院学生手册》进行绩点的置换。

表1 竞赛对应等级绩点

表2 等级绩点与提升绩点对照表

4 结束语

基于节能车竞赛项目的KAPIV一体化教学可以将学生的工程材料学理论知识与实际应用结合起来，以竞赛为平台，以学生为中心，将知识、能力、实践、创新训练、思政课程有机融为一体，通过理论知识的获取、实践创新、竞赛等能力的综合训练，推动知识向能力的转化。为了获得更高的奖项，学生需要对方案不断进行优化，以达到综合培养学生知识能力、实践创新的目的，满足培养学生的社会责任、职业素养、创新能力的大国工匠精神的课程要求。