工程材料學習金相圖片視覺效果作用

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摘要：通過金相實驗與課程教學的緊密結合，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

引言

隨著高等教育逐漸轉為大眾教育，高等教育的質量參差不齊，大學教育效果決定了未來的發展。[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基礎課程，它是高等學校材料類、機械類專業必修的技術基礎課。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，但是機械類專業由于材料科學相關的基礎課程涉及少，教學中發現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、機械設計等后續課程的學習。基于此，通過對“工程材料”課程的教學改革，激發學生的學習興趣，充分激發學生的求知欲，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，才能調動大學生的專業學習興趣。[4]而視覺情緒設計可以激發學習者的積極情緒，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，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，豐富多媒體課件內容，探索課堂教學與實踐教學相結合的模式，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2個班的“工程材料”成績，發現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年重修人數達到23人，超過了三分之一。因此，在2019年的教學過程中，根據教學大綱的要求，對相圖這一重要內容進行教學實驗改革，充分發揮金相實驗的作用。相圖基礎知識學習后，對這學生的掌握情況進行了問卷調查，結果發現，純粹的課堂授課，學生根本不能夠正確區分實際材料的“金相”和“組織”，調查結果如圖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，畢業后涉及金屬材料組織性能的相關工作也將很難做好。年第期月（上）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，結合金相實驗觀察分析，掌握并理解凝固結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（方框區域）。相同的調查問卷顯示，經過本次金相大部分學生已經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。經過ADC12金相照片的分析、觀察后，能分辨組織的學生數提高到了50%，能夠分辨金相照片的學生數從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。經過金相、掃描電鏡的實際觀察分析，發現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，為后續的材料加工、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。

參考文獻

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[2]彭成紅,陳靈,朱偉恒,朱小科,陳志領.基于金相競賽的金屬材料實驗教學改革與探索.中國現代教育裝備,2018,281:80-82.

[3]唐春暉,李志祥.培養學習興趣，提高大學生創新能力.上海理工大學學報(社會科學版),2018,40(3):274-277.

[4]潘松.大學生專業學習興趣的表現及激勵探討.法治與社會,2018,8:192-193.

[5]熊俊梅,辛亮,高苗苗,王福興,周麗,龔少英.視覺和聽覺情緒設計對多媒體學習的影響,2018,41(5):1124-1129.

作者：張樹玲 崔寧 馬興華 吳軍 單位：青島理工大學機械與汽車工程學院