工程材料學(xué)習(xí)金相圖片視覺效果作用
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摘要：通過金相實(shí)驗(yàn)與課程教學(xué)的緊密結(jié)合，利用金相圖片的分析和觀察，加強(qiáng)工程材料課程學(xué)習(xí)中相、組織、凝固過程、樹枝晶等概念的理解；并通過實(shí)際ADC12合金組織的觀察與分析，認(rèn)識(shí)工程材料組織，建立理論學(xué)習(xí)和工程實(shí)際的聯(lián)系，利用金相圖片的視覺高分辨率，加強(qiáng)課程學(xué)習(xí)的理解，并激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高課堂學(xué)習(xí)效果。
關(guān)鍵詞：金相圖片；材料科學(xué)；學(xué)習(xí)效率；視覺刺激
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(xué)教育效果決定了未來的發(fā)展。[1]然而，目前大學(xué)生學(xué)習(xí)能動(dòng)性和時(shí)間管理能力差、學(xué)習(xí)效率低，特別是工科大學(xué)生學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)壓力大，專業(yè)課程學(xué)習(xí)效果不好。[2]“工程材料”是材料基礎(chǔ)知識(shí)的一門本科專業(yè)基礎(chǔ)課程，它是高等學(xué)校材料類、機(jī)械類專業(yè)必修的技術(shù)基礎(chǔ)課。課程任務(wù)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(jī)械學(xué)院中，工程材料的相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)往往在大學(xué)二年級(jí)開設(shè)，但是機(jī)械類專業(yè)由于材料科學(xué)相關(guān)的基礎(chǔ)課程涉及少，教學(xué)中發(fā)現(xiàn)工程材料的學(xué)習(xí)效果差、學(xué)生掌握不夠好，這又影響了機(jī)械制造、機(jī)械設(shè)計(jì)等后續(xù)課程的學(xué)習(xí)?；诖耍ㄟ^對(duì)“工程材料”課程的教學(xué)改革，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，充分激發(fā)學(xué)生的求知欲，才能大大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情；[3]學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性和熱情被點(diǎn)燃，學(xué)習(xí)效果才能大大提高；在教學(xué)過程中，合理的激勵(lì)機(jī)制，才能調(diào)動(dòng)大學(xué)生的專業(yè)學(xué)習(xí)興趣。[4]而視覺情緒設(shè)計(jì)可以激發(fā)學(xué)習(xí)者的積極情緒，提高學(xué)習(xí)效果。[5]金相實(shí)驗(yàn)是工程材料的基本實(shí)驗(yàn)，以磨制、觀察和辨識(shí)不同材料的組織為根本。金相實(shí)驗(yàn)最大的特點(diǎn)是需要?jiǎng)邮帜ブ平鹣鄻悠贰?dòng)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(shí)驗(yàn)一般由專職實(shí)驗(yàn)員來指導(dǎo)，任課教師按照大綱進(jìn)行基礎(chǔ)知識(shí)的講授，這使得實(shí)驗(yàn)和教學(xué)分開；另外，由于實(shí)驗(yàn)室條件約束，實(shí)驗(yàn)人數(shù)較多，金相實(shí)驗(yàn)實(shí)踐操作也往往滯后，存在教學(xué)進(jìn)度和試驗(yàn)進(jìn)度不匹配現(xiàn)象。機(jī)械學(xué)院本科生對(duì)工程材料的興趣本來就不高，教學(xué)和實(shí)踐的脫節(jié)，使得工程材料課程成為機(jī)械學(xué)院掛科較多的一門基礎(chǔ)課程。本文以某高校機(jī)械學(xué)院2個(gè)班級(jí)為例，通過金相圖片、掃描電鏡圖片和能譜等視覺照片的準(zhǔn)備、設(shè)計(jì)，豐富多媒體課件內(nèi)容，探索課堂教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合的模式，對(duì)材料學(xué)習(xí)中的相、組織、偏析等不易理解的概念進(jìn)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(jī)械學(xué)院本科生學(xué)習(xí)工程材料的興趣，并鼓勵(lì)本科生積極參與到材料科學(xué)的研究中去。
1實(shí)施過程
首先，分析了機(jī)械工程學(xué)院某專業(yè)2個(gè)班的“工程材料”成績(jī)，發(fā)現(xiàn)工程材料課程期末考試成績(jī)差，及格率僅為21%，成績(jī)多分布在30-45分之間，如圖1所示，兩個(gè)班級(jí)60人，進(jìn)入2019年重修人數(shù)達(dá)到23人，超過了三分之一。因此，在2019年的教學(xué)過程中，根據(jù)教學(xué)大綱的要求，對(duì)相圖這一重要內(nèi)容進(jìn)行教學(xué)實(shí)驗(yàn)改革，充分發(fā)揮金相實(shí)驗(yàn)的作用。相圖基礎(chǔ)知識(shí)學(xué)習(xí)后，對(duì)這學(xué)生的掌握情況進(jìn)行了問卷調(diào)查，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，純粹的課堂授課，學(xué)生根本不能夠正確區(qū)分實(shí)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(shí)驗(yàn)前后，能夠清楚金相的學(xué)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(xué)生根本不知道什么是金相、組織，這部分學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計(jì)中將會(huì)不能準(zhǔn)確設(shè)計(jì)材料相關(guān)實(shí)驗(yàn)，更不會(huì)分析金相組織，畢業(yè)后涉及金屬材料組織性能的相關(guān)工作也將很難做好。年第期月（上）為了提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率，在隨后的教學(xué)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(xué)習(xí)后，學(xué)生進(jìn)入金相實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行金相實(shí)驗(yàn)。采用ADC12合金為標(biāo)樣，通過金相試樣磨制，利用光學(xué)顯微鏡對(duì)ADC12的組織、相等進(jìn)行觀察分析。經(jīng)過課堂概念學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)操作學(xué)習(xí)后，學(xué)生對(duì)共晶合金相圖有了一定的認(rèn)識(shí)，結(jié)合金相實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)大。然而，必須注意，對(duì)機(jī)械學(xué)院的學(xué)生來說，由于對(duì)相形成過程、組織長(zhǎng)大動(dòng)力學(xué)等知識(shí)的缺乏，凝固結(jié)晶過程是一個(gè)完全陌生的概念或者知識(shí)點(diǎn)，很快掌握共晶相圖的重點(diǎn)和難點(diǎn)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(duì)他們認(rèn)識(shí)實(shí)際工程材料的金相組織非常有益。經(jīng)過光學(xué)顯微鏡的學(xué)習(xí)和觀察，大部分學(xué)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(xué)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(gè)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(xué)生數(shù)提高到了50%，能夠分辨金相照片的學(xué)生數(shù)從31%提高到了68%。為了進(jìn)一步提高學(xué)習(xí)效果，利用掃描電鏡對(duì)ADC12合金金相組織、元素分布進(jìn)行分析，掃描電鏡能譜分析的彩色圖片，增強(qiáng)了視覺效果，更能開發(fā)學(xué)生的空間想象。為此，課堂教學(xué)中再次進(jìn)行掃描電鏡圖片的學(xué)習(xí)，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)金相組織等相關(guān)知識(shí)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(jīng)過金相、掃描電鏡的實(shí)際觀察分析，發(fā)現(xiàn)學(xué)生不但理解和掌握了金相、組織等抽象的概念，同時(shí)對(duì)常見金屬材料的金相有了一定的了解，并激發(fā)對(duì)材料的學(xué)習(xí)興趣，課程的學(xué)習(xí)積極性更高，課堂更加活躍。有3位同學(xué)主動(dòng)提出要進(jìn)入老師的科研實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行材料相關(guān)的科研工作。另外，通過金相實(shí)驗(yàn)，使他們認(rèn)識(shí)到“工程材料”課程在工程領(lǐng)域的應(yīng)用及重要性，并掌握了實(shí)際金屬材料的組織狀態(tài)，為后續(xù)的材料加工、機(jī)械制造等相關(guān)課程的學(xué)習(xí)做好充分的知識(shí)儲(chǔ)備。
2結(jié)論
“工程材料”課程是實(shí)驗(yàn)性和理論性較強(qiáng)的課程，教學(xué)中實(shí)驗(yàn)和理論有機(jī)的配合，可以有效提高學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解和掌握。以實(shí)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(shí)際實(shí)驗(yàn)之間的聯(lián)系，通過金相觀察激勵(lì)機(jī)械學(xué)院學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)主動(dòng)性。
參考文獻(xiàn)
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作者：張樹玲 崔寧 馬興華 吳軍 單位：青島理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院
