金相互動開放教學(xué)在金屬學(xué)實驗課程中的應(yīng)用*

◆師曉莉 曹建春 胡 勁 段云彪 談松林

金相互動開放教學(xué)在金屬學(xué)實驗課程中的應(yīng)用*

◆師曉莉 曹建春 胡 勁 段云彪 談松林

在金屬學(xué)實驗課程中應(yīng)用金相互動教學(xué)，有力提高實驗教學(xué)效率及質(zhì)量，增強學(xué)生積極、主動學(xué)習(xí)的意識和能力，并對大學(xué)生的素質(zhì)教育產(chǎn)生深遠影響。

金相互動開放教學(xué)；金屬學(xué)；實驗課

1 引言

金屬學(xué)是一門綜合性、實踐性和復(fù)雜性相結(jié)合的課程。其綜合性是指學(xué)科內(nèi)容知識面廣泛，從金屬凝固過程到性能，并涉及物理、化學(xué)等跨學(xué)科知識；實踐性是指課程的內(nèi)容需要在實踐應(yīng)用中熟悉掌握；復(fù)雜性是指涉及領(lǐng)域多，變量大，內(nèi)容繁雜［1］。在金屬學(xué)課程教學(xué)中，需要讓學(xué)生知其然并知其所以然，所以在教學(xué)過程中，開放互動的實踐教學(xué)至關(guān)重要，可引導(dǎo)學(xué)生自主思考，主動解決問題，并提供相互探討的空間，提高學(xué)生對知識的理解和領(lǐng)悟。

金相互動教學(xué)就是金屬學(xué)課程中開放互動實踐教學(xué)的重要內(nèi)容之一，通過現(xiàn)代通信和科技手段，人為創(chuàng)造主動、互動的教學(xué)環(huán)境，能良好地達到教學(xué)目的，并提高學(xué)生的自主研究能力。昆明理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院在金屬學(xué)實驗教學(xué)中使用了金相互動教學(xué)方法，取得了良好的效果。尤其在研究生高等金屬學(xué)的教學(xué)過程中，在基礎(chǔ)三實驗的基礎(chǔ)上，利用金相互動開放系統(tǒng)，還開發(fā)了先進鋼鐵材料專題、綜合性實驗等實踐性更強的教學(xué)環(huán)節(jié)，使學(xué)生的動手及分析解決問題能力大大提高。

2 傳統(tǒng)金相教學(xué)

如圖1所示，在傳統(tǒng)金相教學(xué)中，教師先講授金相結(jié)構(gòu)的特點和原理，再由學(xué)生各自使用顯微鏡觀察不同的金相結(jié)構(gòu)，并與教師講授的內(nèi)容一一驗證，而學(xué)習(xí)各種金相知識。這種方式存在以下幾個主要問題：

1）學(xué)生每次觀察的金相樣品數(shù)量有限，決定了所學(xué)知識有限；

2）學(xué)生與教師之間互動較少，教師沒有時間為每一個學(xué)生單獨講解，更多依靠學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和自覺性；

3）學(xué)生之間的互動較少，除了兩三人的小團隊相互探討之外，多是獨自研習(xí)；

圖1 傳統(tǒng)金相教學(xué)

4）由于能夠進行金相照片采集處理的顯微鏡數(shù)量有限，因此，學(xué)生獲得并保存金相組織照片需要時間過長，不利于提高學(xué)習(xí)效率。

因此，傳統(tǒng)的金相教學(xué)不利于學(xué)生的主動研習(xí)和探討交流，特別是在實驗教學(xué)階段，需要更深入的理解和探討。學(xué)生往往也很需要這種條件，而金相互動教學(xué)可以達到這種目的。

3 金相互動開放教學(xué)系統(tǒng)

金相互動教學(xué)系統(tǒng)如圖2所示。它是建立在多媒體網(wǎng)絡(luò)教室基礎(chǔ)上的一對多互動式分析系統(tǒng)，集顯微鏡、圖像分析、照相、網(wǎng)絡(luò)、中樞控制于一體的現(xiàn)代化教學(xué)系統(tǒng)，主要有以下幾個特點。

圖2 金相互動教學(xué)系統(tǒng)

1）一對多系統(tǒng)：由1臺教師用的連接電腦服務(wù)器的OPTON AXI OPHOT顯微鏡和20臺學(xué)生用計算機以及20臺學(xué)生用顯微鏡組成，教師用服務(wù)器可看到任意學(xué)生電腦顯示的金相照片，任何學(xué)生均可通過電腦聯(lián)系教師。

2）集中討論系統(tǒng)：教師用電腦服務(wù)器連接投影儀，可同時顯示20臺學(xué)生電腦顯示的金相照片，并可放大任意照片于投影儀顯示，方便集體學(xué)習(xí)和討論。

3）學(xué)生互動研習(xí)系統(tǒng)：學(xué)生用的每一臺顯微鏡均有獨立電腦連接，金相照片顯示便捷，學(xué)生之間可隨意相互交流，縮短看片準(zhǔn)備時間，方便快捷，也提高了學(xué)生對金相學(xué)習(xí)的效率［2］。

圖3 金相互動系統(tǒng)安裝的軟件中的常用分析模塊

4）反饋系統(tǒng)：學(xué)生電腦端呼叫教師，及時詢問不理解的問題，及時溝通交流，大大提高教師的工作效率。

5）配置HP D7368照片打印機和計算機等，能打印出帶有成像清晰照片的檢驗報告，極大地提高了工作效率。

6）安裝IS100A金相圖像分析系統(tǒng)軟件。如圖3所示，IS100系列金相圖像分析系統(tǒng)采集圖像清晰，可以測量面積、周長、形狀因子、等效直徑、最大直徑、最小直徑等幾十種形態(tài)參數(shù)，可以按照指定倍率，實時顯示動態(tài)圖像［3］；可以用標(biāo)準(zhǔn)圖譜直接與屏幕上活動圖像進行比對評級。此外還配置常用分析模塊。

金相互動教學(xué)的目的在于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性和興趣，提高教學(xué)的生動性和互動性，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率；能夠突出教學(xué)重點，及時突破課程難點，整合教育資源，增加課堂教學(xué)容量；最重要的是方便教師和學(xué)生使用，改善教學(xué)環(huán)境。

4 金相互動開放教學(xué)在金屬學(xué)實驗課程中的應(yīng)用

新穎的教學(xué)過程 昆明理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院在金屬學(xué)課程教學(xué)中使用了金相互動教學(xué)方法，并取得良好的效果。教學(xué)過程如下：

1）在教師講解設(shè)備使用方法之后，學(xué)生各自使用顯微鏡觀察金相，通過電腦存取金相照片；

2）教師在學(xué)生使用顯微鏡觀察過程中，通過電腦服務(wù)器實時觀察、了解學(xué)生學(xué)習(xí)的過程，發(fā)現(xiàn)問題，及時進行指導(dǎo)；

3）學(xué)生在觀察完畢之后，相互自由交換討論，發(fā)現(xiàn)問題后可及時呼叫教師進行講解；

4）學(xué)生確定的金相照片統(tǒng)一在服務(wù)器顯示，由教師講解，發(fā)現(xiàn)問題或?qū)W生提問，可單獨放大照片，集體探討；

5）教師集合學(xué)生觀測所有照片，對應(yīng)金相講解金屬成型過程，并延伸講解金屬性能對應(yīng)的金相，期間學(xué)生可通過各自的麥克風(fēng)提問，延展知識體系；

6）對教學(xué)課程之外的相關(guān)知識體系，若探討需要，可由教師通過服務(wù)器顯示于投影儀，并分別發(fā)送至每一臺學(xué)生電腦，讓每一名學(xué)生都能仔細(xì)觀察。

圖4 典型金屬材料的顯微組織

多元化的教學(xué)開放模式 金屬學(xué)課程實驗數(shù)目眾多，為使金相實驗室更好更全面地為廣大師生服務(wù)，材料學(xué)院金相實驗室開放的內(nèi)容包括基礎(chǔ)實驗項目開放和綜合創(chuàng)新實驗開放兩個層面。

1）基礎(chǔ)實驗項目開放。對于基礎(chǔ)實驗項目，由于它是本專業(yè)學(xué)生必修課程，因此對低年級學(xué)生基礎(chǔ)能力的提高最為關(guān)鍵。首先由實驗室針對某一基礎(chǔ)實驗（如 表1所示），預(yù)選某種材料的鑄態(tài)及熱處理態(tài)樣品，由低年級學(xué)生自己磨制金相試樣，拋光、腐蝕、判斷組織，然后選擇參數(shù)拍照片。教師做完引導(dǎo)性講解后，實驗步驟如設(shè)備調(diào)試、操作、數(shù)據(jù)記錄都應(yīng)由學(xué)生獨立完成。最后，每人完成一份內(nèi)容不同的熱處理工藝和金相分析報告。

表1 基礎(chǔ)實驗

金相實驗有一定難度，步驟煩雜，一般包括試樣粗磨、精磨、拋光、侵蝕以及金相顯微鏡前觀察，每一步都關(guān)系到實驗的成敗。教師應(yīng)及時糾正違反操作規(guī)程的實驗方法，嚴(yán)格規(guī)范操作，如試樣粗磨時要求表面平整；試樣精磨時要求每換一次砂紙，試樣均需旋轉(zhuǎn)90°，并用刷子刷凈試樣表面砂粒，而且只能均勻用力向前推磨，不能來回往返運動。教師指導(dǎo)實驗過程中，還要時常提醒學(xué)生不要只顧操作，要學(xué)會思考。比如試樣拋光時，引導(dǎo)學(xué)生思考怎樣才能使磨面達到鏡面？為什么要先在拋光盤外緣拋光，然后在盤上按圓形軌道劃動，最后才移到盤中央精拋？金相試樣制備好后，進行金相顯微鏡觀察是整個實驗的重點和難點，此時應(yīng)指導(dǎo)學(xué)生在顯微鏡里尋找有代表性的顯微組織，分析各種金相組織的名稱及其組成比例，得到金相組織與熱處理之間的關(guān)系［4］。

在實驗中，一般4人一組，要求每位學(xué)生拿到不同的熱處理樣品，在金相互動條件下，對比鑄態(tài)和熱處理態(tài)組織的不同，從而推測正確的熱處理工藝。這些實驗使學(xué)生全面掌握金相組織與熱處理關(guān)系的理論知識，理解退火使鋼軟化、正火使鋼細(xì)化、淬火使鋼硬化、回火使鋼多性化的真正含義［5］。

此外，在研究生教學(xué)過程中，針對典型金屬材料，如圖4所示，還開發(fā)了先進鋼鐵材料專題，如對雙相不銹鋼材料（組織：鐵素體+奧氏體）及高強IV級（500 MPa））抗震鋼筋組織（組織：鐵素體+珠光體+少量貝氏體）的觀察，使學(xué)生掌握不同材料的金相處理方法，如拋光劑粒度的選擇、浸蝕劑的選取、浸蝕時間的把握，并掌握典型金屬材料組織特征，為今后課題的開展打下堅實的基礎(chǔ)。

2）綜合創(chuàng)新實驗開放。綜合創(chuàng)新實驗是教師根據(jù)材料學(xué)相關(guān)專業(yè)情況，設(shè)置一系列具有關(guān)鍵知識點的實驗項目使之串在一起，學(xué)生從中選擇一個課題來做。這種方式有利于學(xué)生發(fā)揮自主創(chuàng)新性，如表2所示。

表2 開放綜合創(chuàng)新實驗

基礎(chǔ)實驗室的開放與綜合設(shè)計創(chuàng)新實驗很好地融合，為材料基礎(chǔ)實驗室的擴大開放找到了比較好的運行機制［6］，即由高年級本科生帶教低年級本科生。高年級本科生也自認(rèn)為是一次挑戰(zhàn)機會，因為他們要不斷思考和回答學(xué)弟、學(xué)妹提出來的問題，并要能夠很好地解釋實驗過程中的現(xiàn)象，排除實驗儀器的故障和修理，完善實驗方案。這樣一來，他們在創(chuàng)新能力和組織管理能力等方面都得到提升。

金相互動教學(xué)系統(tǒng)的教學(xué)及素質(zhì)教育成果 金相互動教學(xué)在金屬學(xué)實驗課程中，依據(jù)設(shè)備的數(shù)量對學(xué)生分組授課。學(xué)生在課后反映良好，非常認(rèn)同金相互動教學(xué)的方式，總結(jié)其良好效果，主要體現(xiàn)在三個方面。

1）學(xué)生積極、主動學(xué)習(xí)。互動聯(lián)通的平臺為學(xué)生創(chuàng)造了溝通交流的空間，也增加了學(xué)生的積極主動性，增強了學(xué)習(xí)的趣味性。

圖5 第四屆全國大學(xué)生金相技能大賽

2）擴展了課程的知識量。相互探討總能激發(fā)思維的碰撞，并產(chǎn)生新的問題，在新問題的提出、解決過程中，課程的知識量得以擴展。

3）鍛煉了學(xué)生的創(chuàng)新思維。學(xué)生由被動灌輸轉(zhuǎn)為主動發(fā)現(xiàn)問題，進而研究、拓展出新的思路和方法，這正是一個創(chuàng)新思維誕生的過程，學(xué)生樂此不疲。

同時，受2012年北京科技大學(xué)組織第一屆金相技能大賽的啟發(fā)，為進一步提高學(xué)生的綜合能力，特別是培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識，2015年10月，昆明理工大學(xué)材料學(xué)院主辦了“全國大學(xué)生金相技能大賽”，如圖5所示。參賽學(xué)生先制備標(biāo)準(zhǔn)金相試樣，通過磨拋、腐蝕等工序考查學(xué)生的動手能力，再到金相互動實驗室觀察分析，由評委確定最終成績。

昆明理工大學(xué)學(xué)生在此次比賽中獲得了團體第一的好成績。這一活動再次證明了金相互動教學(xué)模式大大增強了本專業(yè)學(xué)生的基本功，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動力。

5 結(jié)論

金相互動教學(xué)是一種活躍的、互動的、開放的教學(xué)方式，它在金屬學(xué)實驗課程中發(fā)揮了積極的應(yīng)用，可有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，強化自主創(chuàng)新的能力，增強教學(xué)質(zhì)量。而且，在知識不斷更新的信息時代，金相互動教學(xué)的設(shè)備、方式等都需與時俱進，以課程的目的為出發(fā)點進行調(diào)整；授課教師也應(yīng)積極更新知識，才能更好地發(fā)揮這個互動教學(xué)平臺的作用，更好地為提高大學(xué)生的綜合素質(zhì)服務(wù)。■

［1］張燕鴻.多媒體技術(shù)在職業(yè)教育焊接專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用［J］.中國教育技術(shù)裝備，2015（14）∶148-149.

［2］閆國棟，姜麗艷，劉艷，等.實踐教學(xué)儀器設(shè)備共享平臺的建設(shè)與管理［J］.中國教育技術(shù)裝備，2015（14）∶28-30.

［3］蘇紹璟，王躍科.工科研究生實驗教學(xué)精品課程建設(shè)實踐［J］.科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2008（29）∶183-184.

［4］劉國福，李慧，熊艷.研究生課程“現(xiàn)代測試技術(shù)實驗”的教學(xué)改革實踐［J］.實驗室研究與探索，2014（1）∶211-213.

［5］劉曉峰，陳建華.開放性實驗室管理系統(tǒng)的開發(fā)與研究［J］.東北電力大學(xué)學(xué)報，2006（5）∶73-75.

［6］雷鳳蘭.談多媒體的個性化管理服務(wù)［J］.中國教育技術(shù)裝備，2015（14）∶35-36.

Application of Metallographic Interactive Teaching to Metallo graphy Experiment Course

SHI Xiaoli， CAO Jianchun， HU Jin，DUAN Yunbiao， TAN Songlin

Metallographic interactive teaching is used in metallo graphy experiment course， it can drastically improve the effi ciency and quality of experimental teaching， arouse student's enthusiasm of active learning， and have a profound impact for quality education of college students.

metallographic interactive teaching； metallography；experiment course

G642

B

1671-489X（2016）10-0132-04

10.3969/j.issn.1671-489X.2016.10.132

*項目來源：昆明理工大學(xué)百門研究生核心課程“高等金屬學(xué)”（項目編號：10998100）。

作者：師曉莉，昆明理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院講師，研究方向為耐磨材料及復(fù)合材料；曹建春，通訊作者，昆明理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授，研究方向為先進鋼鐵材料；胡勁、段云彪、談松林，昆明理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院（650093）。