改進金相實驗教學方法的探索與實踐

徐京　陳卓　謝群　姚德偉　楊弋濤

摘要：利用多媒體互動金相實驗教學系統，加強了師生的互動交流，調動了學生學習的積極性和主動性，并組織學生參加全國大學生金相技能大賽，通過總結參賽經驗，改善教學中的薄弱環節，提高了學生的實踐動手能力和創新意識，有效地改善了金相實驗教學效果。

關鍵詞：金相實驗；教學方法；多媒體互動；金相大賽

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）16-0036-02

隨著社會和經濟的快速發展，應用型人才的需求量正不斷增加。高等院校人才培養應以提高學生的實踐創新能力為重點，不斷加強實踐教學環節，努力探索應用創新型人才的培養模式。金屬材料工程是一門理論知識抽象、應用性很強的學科，與生產實際緊密結合。由于實驗教學在高校實踐教學中扮演著重要角色，因此，金屬材料工程專業實驗課程在整個專業培養方案中就顯得更為重要。金相技術是綜合研究金屬及合金成分、組織與性能之間內在關系的重要研究方法，因此，改進金相實驗教學方法、提高教學質量具有重要的意義。

一、金相實驗教學的現狀

以往的金相實驗教學模式是學生先在課堂上學習理論知識，包括金相顯微鏡的原理、使用方法和金相樣品制備方法，然后再分組進入實驗室學習實驗技能。由于受到實驗場地大小、金相顯微鏡老舊和試樣種類數量的限制，教師很難直觀系統地講解和指導，也很難對所有學生進行實驗演示，教學過程中學生和教師之間缺乏互動和共同分析探討的機會。此外，由于做實驗的時間有限，學生可能沒有認真體會和掌握具體的實驗操作方法，對于金相顯微鏡的構造、原理和使用方法很可能是一知半解，很難達到實驗要求。因此，在傳統的金相實驗課中存在著互動交流性差、實踐機會少等問題，造成學生學習積極性不高，興趣不濃，一些學生沒能很好地掌握金相技術，也就很難利用金相技術進一步分析金屬材料顯微組織結構，教學效果不理想。對這種傳統的金相教學方法進行改進顯得十分必要。

二、金相實驗教學方法的改進思路和實踐

1.引進多媒體互動金相實驗教學系統。隨著信息化的發展和本科生教學規模的擴大，傳統的實驗課教學方式已經很難實現小班教學的模式。由此而來的大班教學模式也帶來了諸多問題，比如實驗的演示無法顧及所有學生，學生也很少有機會在課堂上直接與教師之間有所互動，學生上機操作機會大大減少，等等。為進一步提升本科實驗教學質量，改善實驗教學效果，引進了多媒體互動金相實驗教學系統。多媒體互動金相實驗教學系統是建立在“多媒體網絡教室”上的互動式金相圖像分析系統。“多媒體網絡教室”是一套應用于校園局域網和多媒體網絡教室的教學應用軟件，它針對多媒體網絡技術和實際學校應用環境進行分析和優化處理，具有強大的教學能力和便捷的操作能力。該系統中教師機是控制中樞，學生機是受控終端，教師機與學生機構成一個小型局域網。在課堂上，教師機可以實時播放或演示金相顯微鏡中的活動影像，監視各個學生的顯微鏡視場和計算機運行狀態，因此，教師可以將金相顯微鏡的調焦和尋找最佳視場等過程都演示出來，實時對照講解，學生可以邊聽邊自己調焦，選擇視場，加深了印象，使學生能更快地掌握金相顯微鏡的使用方法和注意事項。教師還可以針對金屬材料顯微組織中的特征相或組織進行講解，指導學生觀察顯微圖像，辨別各種類型組織。教師可以在教師主機上查看所有學生樣品的觀測情況，制備金相樣品時教師可以切換有代表性的學生觀察視場演示給所有學生看，現場進行針對性講解，讓學生相互比較，相互交流，知道了如何才能制備出高質量的金相試樣。通過讓所有學生都參與討論，使得整個課堂氣氛活躍起來。這樣不僅可以具體指導學生實驗，而且鍛煉了學生的動手能力和分析問題能力，極大地激發了學生的學習興趣。在以往的金相實驗課中，學生遇到金相顯微鏡的操作問題或者看不懂的組織要詢問教師時，學生只能站在一旁，由教師看顯微鏡，再給學生演示或講解，由于學生的專業基礎還不夠扎實，學生經常表述不清具體位置或問題，教師就很難具體講解，很多時候要反復多次才能解決一個問題，費時費力，效率很低。現在，借助系統中的監控軟件，教師和學生能同時在各自的計算機上觀察同一個圖像畫面，學生如果在實驗操作中遇到問題，可以通過電子舉手的方式隨時向教師發出互動交流請求或提問，教師可與任意選定的學生通話，進行圖像的實時指導，或是參與學生們的討論，方便了教師及時解決學生在實驗中遇到的疑難問題，提高了實驗課的教學質量。學生還可以以小組的形式，在自己設備上觀察自己小組其他成員的金相照片，便于根據不同工藝尋找金相組織演變規律。同時，該系統可以實現計算機之間的文檔傳輸和資源共享，學生可以隨時提交自己拍攝的金相照片給教師作為課堂作業，教師查看后將信息反饋給學生，也可以將學生提交的實驗結果通過投影儀進行演示，供所有學生一起探討和學習。在監控系統的控制下，教師在自己的計算機上能夠監視所有學生計算機的狀態，上課時如果有學生利用計算機做與本次實驗課無關的事情，教師能馬上在教師機上察覺并提醒學生注意，有效地改善了課堂紀律，提高了實驗教學的效果。

2.以賽促學。為了培養學生的創新實踐精神、提高學生的創新意識和實踐能力、促進各高校在實驗教學方面的經驗交流，全國高校材料學科實驗教學研究會經高等學校實驗室工作研究會批準后成立，并先后舉辦了四屆全國大學生金相技能大賽。在學校的支持下，學院積極組織學生參加了近三屆全國大學生金相技能大賽，取得了優異的成績。

大賽分為預賽、復賽和決賽三個階段進行。其中，預賽由各參賽高校在本校范圍內自行組織；復賽和決賽在大賽承辦單位進行。根據大賽的要求和競賽規則，結合實驗室的自身條件，學院認真制定了合理的預賽規則，舉辦了三屆校內預賽，由學生自愿報名參加。根據預賽學生的成績，擇優參加全國大賽。從校內預賽的比賽情況來看，學生參加的積極性非常高。由于在金相實驗教學中，實驗室教師將金相大賽的要求融入到了課堂教學中，一方面有助于學生更好地掌握金相制樣的基本方法，更快地提高制備高質量金相試樣的能力；另一方面，采用了多媒體互動金相實驗教學系統，充分調動了學生學習金相技術和參加金相競賽的積極性。學生通過參加比賽，鞏固了金相學的基礎知識，提高了理論聯系實際、分析和解決實際問題的能力。確定了參加全國大賽的學生后，對他們進行了金相實驗技術的集中訓練，包括金相樣品的制備和金相顯微鏡的正確使用。在進行顯微觀察之前，試樣必須經過磨光與拋光。磨料選擇的適當與否，對制備好金相樣品是極其重要的。在訓練中，針對不同材料適合的磨光與拋光磨料進行了多次摸索，對學生制作過程中出現的問題及時糾正，對出現的疑難問題進行有針對性的訓練。例如，第三屆大賽只提供水砂紙，這類砂紙的粘結劑通常是非水溶性粘結劑，砂粒之間的間隙較小，磨出的試樣碎屑也較小，在水沖刷的條件下使用時碎屑會隨水流出，從而保持砂紙使用面的鋒利度。水磨時，試樣與砂紙的相對速度比較大，可以很快地把較深的劃痕或坑點去除，但由于摩擦力較大，不容易控制，容易磨出兩個甚至更多的平面，而干磨的速度雖然可能會慢一點，但比較穩妥。由于實驗室條件的限制，平時實驗教學只讓學生學習了干磨的操作方法。為了讓學生多掌握一種制備樣品的方法，并適應大賽的要求，在教學時讓學生嘗試在預磨機上水磨，賽前也對水磨進行了針對性訓練，提高了學生機械磨光的能力和技巧。此外，學生在制備球墨鑄鐵試樣時，試樣總是產生石墨曳尾、污染和脫落等問題，為了解決這些問題，教師通過查閱相關文獻資料、和學生一起磨光和拋光，很大程度上提高了學生制備球墨鑄鐵試樣的質量。通過參加全國金相大賽，不僅提高了學生的材料分析能力和金相制樣水平，也在平時訓練和比賽過程中發現了一些問題。經過校內預賽和集中訓練，學生對制樣的操作方法和技巧已經基本掌握，但是對金相實驗的基本理論以及金屬材料的專業基礎知識掌握的還不夠扎實，對知識的應用能力也比較欠缺。例如，第三屆大賽要求比賽學生在制備好金相試樣后，要對試樣的顯微組織進行判斷，一些學生已經可以制備出高質量的金相樣品，但對不同鋼種以及同一鋼種不同熱處理工藝下的顯微組織形態認識得不夠全面，導致在判斷試樣的組織時出現了失誤，因此沒能取得更好的成績。參賽的學生是從預賽中選拔出來的，他們在金相實驗技能方面相對比較優秀，那么對于其他大多數學生來說，可能這方面的問題更為突出一些。因此，在后面的實驗教學中，進一步加強了學生對基本理論的學習，并提供了多種材料以及多種工藝條件的試樣進行實驗，同時也增加了磨光、拋光磨料的種類，要求學生對不同材料的顯微組織進行辨認并說出材料的大概成分和工藝，提高了學生學以致用的能力。

通過引進多媒體互動金相實驗教學系統，實現了師生互動式教學，使學生加深了對基礎理論的理解，激發了學生自主學習的興趣和積極性；與此同時，積極組織學生參加全國大學生金相技能大賽，提高了學生應用知識的能力，有效地改善了金相實驗教學質量，為應用型和創新型人才的培養奠定了基礎。