金相圖片的視覺效果在工程材料學習中的作用

張樹玲 崔寧 馬興華 吳軍

摘 要 通過金相實驗與課程教學的緊密結(jié)合，利用金相圖片的分析和觀察，加強工程材料課程學習中相、組織、凝固過程、樹枝晶等概念的理解;并通過實際ADC12 合金組織的觀察與分析，認識工程材料組織，建立理論學習和工程實際的聯(lián)系，利用金相圖片的視覺高分辨率，加強課程學習的理解，并激發(fā)學生的學習興趣，提高課堂學習效果。

關鍵詞 金相圖片 材料科學 學習效率 視覺刺激

中圖分類號：G642? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2020.12.025

Abstract The application of metallographic picture analysis and observation enables the combination of metallographic experiment and teaching， and the application of metallographic picture analysis and observation enables the deeper understanding of the concepts of phase， organization， solidification process and dendritic， etc.， in the course learning of engineering materials. By the observing and analyzing of the scanning electron microscope microstructure of ADC12 aluminum alloy， the first precipitated phase and eutectic microstructure of the material were distinguished， and the relationship between theoretical study and engineering practice was established. The high visual resolution of the metallographic pictures stimulates students' interest in daily study and their learning initiative and improves their learning efficiency.

Keywords metallographic pictures; material science; learning efficiency; visual stimulation

0 引言

隨著高等教育逐漸轉(zhuǎn)為大眾教育，高等教育的質(zhì)量參差不齊，大學教育效果決定了未來的發(fā)展。[1]然而，目前大學生學習能動性和時間管理能力差、學習效率低，特別是工科大學生學習學習壓力大，專業(yè)課程學習效果不好。[2]“工程材料”是材料基礎知識的一門本科專業(yè)基礎課程，它是高等學校材料類、機械類專業(yè)必修的技術基礎課。課程任務是要求熟悉常用工程料的種類、成分、組織、性能和改性方法，具有選用工程材料的初步能力。機械學院中，工程材料的相關基礎知識往往在大學二年級開設，但是機械類專業(yè)由于材料科學相關的基礎課程涉及少，教學中發(fā)現(xiàn)工程材料的學習效果差、學生掌握不夠好，這又影響了機械制造、機械設計等后續(xù)課程的學習。基于此，通過對“工程材料”課程的教學改革，激發(fā)學生的學習興趣，充分激發(fā)學生的求知欲，才能大大提高學生的學習熱情;[3]學生的學習主動性和熱情被點燃，學習效果才能大大提高;在教學過程中，合理的激勵機制，才能調(diào)動大學生的專業(yè)學習興趣。[4]而視覺情緒設計可以激發(fā)學習者的積極情緒，提高學習效果。[5]金相實驗是工程材料的基本實驗，以磨制、觀察和辨識不同材料的組織為根本。金相實驗最大的特點是需要動手磨制金相樣品、動手操作金相顯微鏡，自主通過視覺觀察金相組織。但是，高校實驗一般由專職實驗員來指導，任課教師按照大綱進行基礎知識的講授，這使得實驗和教學分開;另外，由于實驗室條件約束，實驗人數(shù)較多，金相實驗實踐操作也往往滯后，存在教學進度和試驗進度不匹配現(xiàn)象。機械學院本科生對工程材料的興趣本來就不高，教學和實踐的脫節(jié)，使得工程材料課程成為機械學院掛科較多的一門基礎課程。本文以某高校機械學院2個班級為例，通過金相圖片、掃描電鏡圖片和能譜等視覺照片的準備、設計，豐富多媒體課件內(nèi)容，探索課堂教學與實踐教學相結(jié)合的模式，對材料學習中的相、組織、偏析等不易理解的概念進行語言描述和視覺展示，概念解釋配合直觀的圖片，使得概念可視化，以此激發(fā)機械學院本科生學習工程材料的興趣，并鼓勵本科生積極參與到材料科學的研究中去。

1 實施過程

首先，分析了機械工程學院某專業(yè) 2 個班的“工程材料”成績，發(fā)現(xiàn)工程材料課程期末考試成績差，及格率僅為21%，成績多分布在30-45分之間，如圖 1 所示，兩個班級60人，進入2019 年重修人數(shù)達到23人，超過了三分之一。因此，在2019年的教學過程中，根據(jù)教學大綱的要求，對相圖這一重要內(nèi)容進行教學實驗改革，充分發(fā)揮金相實驗的作用。相圖基礎知識學習后，對這學生的掌握情況進行了問卷調(diào)查，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，純粹的課堂授課， 學生根本不能夠正確區(qū)分實際材料的“金相”和“組織”，調(diào)查結(jié)果如圖2所示。

圖2所示，金相實驗前后，能夠清楚金相的學生不到 10%，能夠分辨金相照片的僅僅只有 30%。也就是說大部分學生根本不知道什么是金相、組織，這部分學生在畢業(yè)設計中將會不能準確設計材料相關實驗，更不會分析金相組織，畢業(yè)后涉及金屬材料組織性能的相關工作也將很難做好。

為了提高學生學習效率，在隨后的教學過程中，以 Al-Si 共晶合金相圖為例，首先分析了亞共晶、共晶和過共晶組織、凝固結(jié)晶過程、先析出相、偏析、樹枝晶等基本概念。通過概念學習后，學生進入金相實驗室進行金相實驗。采用 ADC12 合金為標樣，通過金相試樣磨制，利用光學顯微鏡對 ADC12 的組織、相等進行觀察分析。經(jīng)過課堂概念學習、實驗操作學習后，學生對共晶合金相圖有了一定的認識，結(jié)合金相實驗觀察分析，掌握并理解凝固結(jié)晶過程中相的形成及組織長大。然而，必須注意，對機械學院的學生來說，由于對相形成過程、組織長大動力學等知識的缺乏，凝固結(jié)晶過程是一個完全陌生的概念或者知識點，很快掌握共晶相圖的重點和難點存在一定難度;另一方面，ADC12 金相組織中存在其它雜質(zhì)相，如Fe 相等，這對他們認識實際工程材料的金相組織非常有益。

經(jīng)過光學顯微鏡的學習和觀察，大部分學生能夠指出金相圖中的初晶鋁相（樹枝晶）、共晶 Al-Si 組織（方框區(qū)域）。相同的調(diào)查問卷顯示，經(jīng)過本次金相大部分學生已經(jīng)能夠清楚金相和組織，并能夠分辨 ADC12 組織中的各個相，如圖 2 所示。經(jīng)過 ADC12 金相照片的分析、觀察后，能分辨組織的學生數(shù)提高到了 50%，能夠分辨金相照片的學生數(shù)從 31%提高到了 68%。

為了進一步提高學習效果，利用掃描電鏡對ADC12 合金金相組織、元素分布進行分析，掃描電鏡能譜分析的彩色圖片，增強了視覺效果，更能開發(fā)學生的空間想象。為此，課堂教學中再次進行掃描電鏡圖片的學習，加強學生對金相組織等相關知識的理解和掌握。如圖 3 所示，利用能譜掃描彩圖更清楚的展示了組織中Cu 元素在樹枝晶間的偏析（圖中所圈），樹枝晶形貌也清晰可辨，共晶組織更輪廓分明。

經(jīng)過金相、掃描電鏡的實際觀察分析，發(fā)現(xiàn)學生不但理解和掌握了金相、組織等抽象的概念，同時對常見金屬材料的金相有了一定的了解，并激發(fā)對材料的學習興趣，課程的學習積極性更高，課堂更加活躍。有 3 位同學主動提出要進入老師的科研實驗，進行材料相關的科研工作。另外，通過金相實驗，使他們認識到“工程材料”課程在工程領域的應用及重要性，并掌握了實際金屬材料的組織狀態(tài)，為后續(xù)的材料加工、機械制造等相關課程的學習做好充分的知識儲備。

2 結(jié)論

“工程材料”課程是實驗性和理論性較強的課程，教學中實驗和理論有機的配合，可以有效提高學生對知識的理解和掌握。以實際金屬 ADC12 合金的金相組織觀察、分析為典型，建立了工程材料課程中的基本概念與實際實驗之間的聯(lián)系，通過金相觀察激勵機械學院學生的學習積極性，提高了學生的學習興趣和學習主動性。

*通訊作者：張樹玲

參考文獻

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