KAPIV一體化工程材料學(xué)課程教學(xué)改革*

毛曉露 繆亞芹 盧靜 李琳 柏艷雪

南京航空航天大學(xué)金城學(xué)院 南京 211156

1 背景

在本科教學(xué)有限的學(xué)分內(nèi)，基于新的教學(xué)內(nèi)容不斷增加，理論基礎(chǔ)課教學(xué)學(xué)時(shí)不斷被壓縮的現(xiàn)實(shí)，需要引入新的教學(xué)方法來(lái)化解學(xué)時(shí)不足，知識(shí)、能力、實(shí)踐、創(chuàng)新關(guān)聯(lián)不緊密的矛盾。KAPIV一體化培養(yǎng)是集合大學(xué)生知識(shí)（Knowledge）、能力（Ability）、實(shí)踐（Practice）、創(chuàng)新（Innovation）、品行（Virtue）的新形態(tài)課程[1]。新形態(tài)一體化課程依托KAPIV 項(xiàng)目，對(duì)車(chē)輛工程專業(yè)，選取與專業(yè)相關(guān)的競(jìng)賽項(xiàng)目作為教學(xué)實(shí)踐訓(xùn)練項(xiàng)目。如圖1所示，目前車(chē)輛工程專業(yè)工程材料學(xué)存在的教學(xué)問(wèn)題有：學(xué)分減少，理論和實(shí)踐課時(shí)被壓縮；理論教學(xué)與實(shí)踐銜接不緊密；教學(xué)方式單一，知識(shí)難以轉(zhuǎn)化為技能；知識(shí)、實(shí)踐與能力培養(yǎng)缺少深度融合。

圖1 課程教學(xué)存在的問(wèn)題

根據(jù)以上存在的問(wèn)題，本文以HONDA 中國(guó)節(jié)能競(jìng)技大賽的要求為參考，選取制作節(jié)能小車(chē)的項(xiàng)目為出發(fā)點(diǎn)，制定車(chē)輛工程專業(yè)基于KAPIV 項(xiàng)目的工程材料學(xué)課程的教學(xué)改革方案，實(shí)現(xiàn)課程的一體化培養(yǎng)。

2 工程材料學(xué)課程的基本要求

工程材料學(xué)這門(mén)課程的基本要求是通過(guò)學(xué)習(xí)這門(mén)課程，了解材料科學(xué)與人類社會(huì)文明發(fā)展的關(guān)系，掌握我國(guó)材料的發(fā)展歷史，培養(yǎng)愛(ài)國(guó)主義精神；掌握材料的微觀組織結(jié)構(gòu)、使用性能和工藝性能、熱處理工藝等相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)。使學(xué)生初步具備工程材料組織結(jié)構(gòu)分析能力以及合理制定工業(yè)用鋼熱機(jī)加工和處理工藝流程的能力，培養(yǎng)學(xué)生的產(chǎn)品質(zhì)量和安全生產(chǎn)制造意識(shí)；使學(xué)生掌握典型金屬的牌號(hào)、性能特點(diǎn)和用途，具備工程制件選材的能力。培養(yǎng)并提升學(xué)生的辯證思維能力，激發(fā)并增強(qiáng)學(xué)生的社會(huì)責(zé)任感、職業(yè)能力與素養(yǎng)，培養(yǎng)技術(shù)創(chuàng)新型的大國(guó)工匠[2]。在項(xiàng)目的牽引下，以競(jìng)賽為抓手，通過(guò)自主學(xué)習(xí)、設(shè)計(jì)、加工、組裝、調(diào)試、競(jìng)賽等完整過(guò)程，使學(xué)生知識(shí)學(xué)習(xí)、作品制作、創(chuàng)新訓(xùn)練融為一體，為創(chuàng)新人才培養(yǎng)服務(wù)。

3 KAPIV一體化工程材料學(xué)課程教學(xué)實(shí)踐

3.1 車(chē)輛工程專業(yè)工程材料學(xué)學(xué)習(xí)重點(diǎn)知識(shí)

“材料的性能”這一章，為了合理、準(zhǔn)確地使用機(jī)械工程材料，首先必須了解和掌握材料性能的評(píng)價(jià)方式。使用性能和工藝性能都屬于材料的性能，對(duì)于車(chē)輛專業(yè)的學(xué)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(qiáng)度、塑性、硬度、韌性和疲勞強(qiáng)度。強(qiáng)度包含剛度、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度等，伸長(zhǎng)率和收縮率是衡量塑性的指標(biāo)參數(shù)，硬度包含布氏、洛氏等硬度測(cè)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(qiáng)度反映材料的使用壽命。材料在冷、熱加工過(guò)程中表現(xiàn)出來(lái)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(jié)構(gòu)”這一章，從微觀上說(shuō)明材料的原子結(jié)合方式和排列方式?jīng)Q定了材料的宏觀性能。這一章的重要知識(shí)點(diǎn)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(huì)接觸到的知識(shí)點(diǎn)，因此更應(yīng)該掌握。

“材料的結(jié)晶”這一章，由于結(jié)晶前后材料的性能會(huì)有所不同，所以要弄清材料組織與性能的關(guān)系，必須研究材料結(jié)晶的基本規(guī)律，這也是熱處理的基礎(chǔ)。這一章的重要知識(shí)點(diǎn)有純金屬的結(jié)晶、重結(jié)晶/同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變、二元相圖的建立、二元合金相圖及應(yīng)用、鐵碳合金相圖等。純金屬的結(jié)晶這部分內(nèi)容包含冷卻曲線和過(guò)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(zhǔn)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(diǎn)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(jìn)行壓力加工的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生塑性變形，在塑性變形過(guò)程中材料的組織、結(jié)構(gòu)和性能都會(huì)發(fā)生變化，這種變化規(guī)律就是“金屬的塑性變形與再結(jié)晶”這一章要學(xué)習(xí)的內(nèi)容。這一章的重要知識(shí)點(diǎn)是冷塑性變形對(duì)金屬組織和性能的影響及其在加熱時(shí)組織結(jié)構(gòu)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(fā)揮材料的性能潛力，最終提高材料的綜合性能?！颁摰臒崽幚怼边@一章的重點(diǎn)有奧氏體的形成及其影響因素、過(guò)冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變/連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變、鋼的熱處理“四把火”、淬透性和淬硬性等。

在“工業(yè)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(hào)、性能與用途，能夠?qū)Ξa(chǎn)品選材快速定位。其中，工業(yè)用鋼的重要知識(shí)點(diǎn)包含鋼的編號(hào)、結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼、特殊性能鋼；鑄鐵的重要知識(shí)點(diǎn)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(shí)點(diǎn)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(jù)掌握的力學(xué)知識(shí)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(yīng)的機(jī)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(shí)點(diǎn)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(xiàng)目的課程核心知識(shí)點(diǎn)

廣汽本田節(jié)能車(chē)競(jìng)技大賽要求比賽搭載本田統(tǒng)一提供的125 cc（排量125 mL）的四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，車(chē)架與車(chē)身等結(jié)構(gòu)系統(tǒng)由各參賽車(chē)隊(duì)獨(dú)立完成。大賽規(guī)定必須在指定比賽地點(diǎn)完成規(guī)定里程，并且參賽車(chē)輛的平均時(shí)速不能低于25 km/h，最終以各車(chē)輛的燃油消耗量確定排名。

傳統(tǒng)汽車(chē)節(jié)能減排的途徑主要是改善發(fā)動(dòng)機(jī)性能、優(yōu)化傳動(dòng)系統(tǒng)、改進(jìn)車(chē)身外形和減輕整車(chē)質(zhì)量，如圖2所示。對(duì)于節(jié)能競(jìng)技大賽，發(fā)動(dòng)機(jī)是固定的，車(chē)體的空間也限制了傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，這兩點(diǎn)對(duì)改善油耗影響不大。汽車(chē)在行駛過(guò)程中由于與空氣之間有相對(duì)速度，受空氣阻力的作用，車(chē)身相對(duì)于氣流的速度越大，需要克服的阻力做的功越多，導(dǎo)致油耗變大。對(duì)于車(chē)身來(lái)說(shuō)，改善外形可以減小氣動(dòng)阻力，達(dá)到節(jié)省燃油的目的。相關(guān)研究數(shù)據(jù)顯示，汽車(chē)的整車(chē)質(zhì)量降低10%，燃油效率就可以提高6%～8%，因此，減少車(chē)身與車(chē)架的質(zhì)量即輕量化是降低油耗的主要途徑。

圖2 節(jié)能減排方法

目前，實(shí)現(xiàn)汽車(chē)輕量化有三種方法。第一種是優(yōu)化車(chē)架和鋼板的結(jié)構(gòu)，這種方法可以利用有限元分析軟件實(shí)現(xiàn)。第二種方法是直接選取輕型的材料達(dá)到輕量化的目的。第三種是利用先進(jìn)制造工藝減輕質(zhì)量，比如激光拼焊技術(shù)、熱壓成型方法等。對(duì)于競(jìng)技大賽來(lái)說(shuō)，學(xué)生主要利用第一種優(yōu)化結(jié)構(gòu)和第二種選擇輕型材料方法來(lái)實(shí)現(xiàn)參賽車(chē)輛的設(shè)計(jì)與制作[3]。

總結(jié)以上的輕量化可以得知，節(jié)能車(chē)項(xiàng)目涉及機(jī)械設(shè)計(jì)、工程材料學(xué)、汽車(chē)構(gòu)造等專業(yè)課程，其中涉及工程材料學(xué)的有：材料的力學(xué)性能、材料的工藝性能、金屬的牌號(hào)性能與應(yīng)用、零件的失效、選材的原則等核心知識(shí)點(diǎn)。學(xué)生只有在掌握材料的力學(xué)性能中的強(qiáng)度、剛度、塑性、韌性后才能對(duì)車(chē)架和車(chē)身的材料與構(gòu)形進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)金屬的牌號(hào)與性能可以進(jìn)行準(zhǔn)確的選材，利用工藝性能的知識(shí)對(duì)節(jié)能車(chē)相關(guān)結(jié)構(gòu)進(jìn)行制造。

3.3 課程實(shí)施方式

在當(dāng)下這個(gè)知識(shí)大爆炸的新時(shí)代，獲取知識(shí)的方式多種多樣，在課堂上獲得的知識(shí)僅僅是科技海洋里的滄海一粟。課堂知識(shí)最重要的功能應(yīng)該是激發(fā)學(xué)生對(duì)課程方向的學(xué)習(xí)興趣，指明學(xué)習(xí)方向，培養(yǎng)并鍛煉學(xué)生精準(zhǔn)地查詢及篩選專業(yè)資料的能力，提高和增強(qiáng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的自信心。這樣學(xué)生才能知難而上敢于試錯(cuò)，科學(xué)地動(dòng)態(tài)地完善自己的知識(shí)結(jié)構(gòu)，從而完全地掌握課程知識(shí)并學(xué)以致用。

隨著科技與互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，大量信息化的教學(xué)方式涌入大學(xué)校園，并給教學(xué)改革帶來(lái)了深刻的影響[4]。微課和慕課的優(yōu)勢(shì)在于學(xué)生可以根據(jù)尚未理解或者理解模糊的知識(shí)點(diǎn)反復(fù)觀看學(xué)習(xí)直到掌握，提升學(xué)習(xí)效率。在課程平臺(tái)上學(xué)生可以完成習(xí)題及試卷，檢驗(yàn)自己的學(xué)習(xí)情況。信息化的教學(xué)方式可以實(shí)現(xiàn)課上課下聯(lián)動(dòng)，與傳統(tǒng)教學(xué)形成立體化的教學(xué)模式，提升教學(xué)質(zhì)量與效率。

人類認(rèn)識(shí)世界的普遍過(guò)程是從實(shí)踐到理論最終再用于實(shí)踐，因此實(shí)踐是知識(shí)檢驗(yàn)、人才培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)?；谡n時(shí)被縮減的現(xiàn)狀，實(shí)踐內(nèi)容也被取消，而競(jìng)賽項(xiàng)目恰恰能彌補(bǔ)這一部分的缺失。新形態(tài)一體化課程的目的是在教授知識(shí)的基礎(chǔ)上，通過(guò)實(shí)踐使學(xué)生的應(yīng)用能力得到提升，以競(jìng)賽項(xiàng)目為牽引培養(yǎng)和提高學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)造能力，同時(shí)可以培養(yǎng)學(xué)生腳踏實(shí)地、不畏困難、堅(jiān)韌不拔的品質(zhì)。

通過(guò)以上分析，總結(jié)出一體化課程教學(xué)實(shí)施方式，如圖3所示。在課內(nèi)學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，為了讓學(xué)生留出更多的時(shí)間對(duì)知識(shí)進(jìn)行消化、練習(xí)、實(shí)踐，基于KAPIV 的課程實(shí)施以項(xiàng)目為牽引，以創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室為學(xué)習(xí)場(chǎng)所，通過(guò)“課堂教學(xué)+微課/慕課+教師輔導(dǎo)”等方式獲取核心知識(shí)和拓展知識(shí)[5]，實(shí)驗(yàn)及競(jìng)賽項(xiàng)目為對(duì)應(yīng)的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容。

圖3 一體化課程實(shí)施方式

學(xué)生根據(jù)教師指定的教材進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，除了參與線下課堂授課之外，課后需要觀看學(xué)校微課及慕課的課程資源鞏固知識(shí)。同時(shí)，教師根據(jù)大賽項(xiàng)目?jī)?nèi)容對(duì)學(xué)生進(jìn)行針對(duì)性的指導(dǎo)，指出與大賽相關(guān)的重點(diǎn)內(nèi)容。在教學(xué)計(jì)劃外，利用教師和學(xué)生團(tuán)隊(duì)開(kāi)設(shè)專項(xiàng)訓(xùn)練、培訓(xùn)、講座，鞏固和拓展學(xué)生知識(shí)。另外，教師會(huì)安排答疑課，再次強(qiáng)調(diào)重點(diǎn)內(nèi)容并解惑難點(diǎn)。這種課內(nèi)外一體化的教學(xué)模式可以實(shí)現(xiàn)“師生相輔、學(xué)練結(jié)合、手腦融合”，提高教學(xué)質(zhì)量和培養(yǎng)效果。

3.4 課程考核

3.4.1 車(chē)輛工程KAPIV 項(xiàng)目課程考核管理辦法

車(chē)輛工程教研室制定的本專業(yè)KAPIV 項(xiàng)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(chē)輛工程專業(yè)KAPIV 項(xiàng)目學(xué)生的課程考核。第二條，本辦法參照2020 級(jí)車(chē)輛工程專業(yè)培養(yǎng)方案進(jìn)行。第三條，凡車(chē)輛工程專業(yè)培養(yǎng)方案中設(shè)置的課程均要進(jìn)行考核，考核通過(guò)后方可獲得相應(yīng)學(xué)分。學(xué)生在校期間必須按照專業(yè)的教學(xué)計(jì)劃規(guī)定修滿160 學(xué)分方準(zhǔn)予畢業(yè)。第四條，課程考核應(yīng)側(cè)重考查學(xué)生靈活運(yùn)用知識(shí)、綜合運(yùn)用知識(shí)解決問(wèn)題及創(chuàng)造性解決問(wèn)題等能力，體現(xiàn)知識(shí)、能力、實(shí)踐、創(chuàng)新和思政的要求。在制定工程材料學(xué)課程考核方式時(shí)，必須對(duì)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(guò)程、多元化的課程考核體系，可以對(duì)學(xué)生的課程知識(shí)掌握情況作出客觀、準(zhǔn)確、綜合的評(píng)價(jià)，是基于項(xiàng)目的課程實(shí)施與教學(xué)效果的重要保證，也是一體化培養(yǎng)的重要內(nèi)容[6]。

1）平時(shí)成績(jī)的考核內(nèi)容（占15%）。包括學(xué)生平時(shí)學(xué)習(xí)情況、學(xué)習(xí)態(tài)度、網(wǎng)課學(xué)習(xí)時(shí)長(zhǎng)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告及測(cè)試題完成情況。

2）結(jié)課考試考核內(nèi)容（占55%）。指導(dǎo)教師組從課程試題庫(kù)內(nèi)隨機(jī)抽取一份試卷進(jìn)行閉卷考試。

3）項(xiàng)目匯報(bào)內(nèi)容（占40%）。結(jié)合課程知識(shí)點(diǎn)，學(xué)生匯報(bào)項(xiàng)目最終方案。匯報(bào)內(nèi)容包括項(xiàng)目與課程知識(shí)點(diǎn)之間的聯(lián)系、項(xiàng)目確定的依據(jù)、最終選定的參數(shù)、與其他課程知識(shí)點(diǎn)之間的聯(lián)系等。

另外，可以對(duì)競(jìng)賽獲獎(jiǎng)的學(xué)生按獲獎(jiǎng)級(jí)別、對(duì)競(jìng)賽作品所作的貢獻(xiàn)大小“動(dòng)態(tài)化”地對(duì)相應(yīng)課程進(jìn)行加分，達(dá)到公平、綜合評(píng)價(jià)學(xué)生的課程學(xué)習(xí)情況的目的。加分規(guī)則參照2018 級(jí)《南京航空航天大學(xué)金城學(xué)院學(xué)生手冊(cè)》執(zhí)行，如表1 和表2，按照學(xué)生參加競(jìng)賽活動(dòng)的等級(jí)、獲獎(jiǎng)情況、團(tuán)隊(duì)成員貢獻(xiàn)大小由教務(wù)處參照《南京航空航天大學(xué)金城學(xué)院學(xué)生手冊(cè)》進(jìn)行績(jī)點(diǎn)的置換。

表1 競(jìng)賽對(duì)應(yīng)等級(jí)績(jī)點(diǎn)

表2 等級(jí)績(jī)點(diǎn)與提升績(jī)點(diǎn)對(duì)照表

4 結(jié)束語(yǔ)

基于節(jié)能車(chē)競(jìng)賽項(xiàng)目的KAPIV一體化教學(xué)可以將學(xué)生的工程材料學(xué)理論知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用結(jié)合起來(lái)，以競(jìng)賽為平臺(tái)，以學(xué)生為中心，將知識(shí)、能力、實(shí)踐、創(chuàng)新訓(xùn)練、思政課程有機(jī)融為一體，通過(guò)理論知識(shí)的獲取、實(shí)踐創(chuàng)新、競(jìng)賽等能力的綜合訓(xùn)練，推動(dòng)知識(shí)向能力的轉(zhuǎn)化。為了獲得更高的獎(jiǎng)項(xiàng)，學(xué)生需要對(duì)方案不斷進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到綜合培養(yǎng)學(xué)生知識(shí)能力、實(shí)踐創(chuàng)新的目的，滿足培養(yǎng)學(xué)生的社會(huì)責(zé)任、職業(yè)素養(yǎng)、創(chuàng)新能力的大國(guó)工匠精神的課程要求。