工程材料学习金相图片视觉效果作用

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摘要：通过金相实验与课程教学的紧密结合，利用金相图片的分析和观察，加强工程材料课程学习中相、组织、凝固过程、树枝晶等概念的理解；并通过实际ADC12合金组织的观察与分析，认识工程材料组织，建立理论学习和工程实际的联系，利用金相图片的视觉高分辨率，加强课程学习的理解，并激发学生的学习兴趣，提高课堂学习效果。

关键词：金相图片；材料科学；学习效率；视觉刺激

引言

随着高等教育逐渐转为大众教育，高等教育的质量参差不齐，大学教育效果决定了未来的发展。[1]然而，目前大学生学习能动性和时间管理能力差、学习效率低，特别是工科大学生学习学习压力大，专业课程学习效果不好。[2]“工程材料”是材料基础知识的一门本科专业基础课程，它是高等学校材料类、机械类专业必修的技术基础课。课程任务是要求熟悉常用工程料的种类、成分、组织、性能和改性方法，具有选用工程材料的初步能力。机械学院中，工程材料的相关基础知识往往在大学二年级开设，但是机械类专业由于材料科学相关的基础课程涉及少，教学中发现工程材料的学习效果差、学生掌握不够好，这又影响了机械制造、机械设计等后续课程的学习。基于此，通过对“工程材料”课程的教学改革，激发学生的学习兴趣，充分激发学生的求知欲，才能大大提高学生的学习热情；[3]学生的学习主动性和热情被点燃，学习效果才能大大提高；在教学过程中，合理的激励机制，才能调动大学生的专业学习兴趣。[4]而视觉情绪设计可以激发学习者的积极情绪，提高学习效果。[5]金相实验是工程材料的基本实验，以磨制、观察和辨识不同材料的组织为根本。金相实验最大的特点是需要动手磨制金相样品、动手操作金相显微镜，自主通过视觉观察金相组织。但是，高校实验一般由专职实验员来指导，任课教师按照大纲进行基础知识的讲授，这使得实验和教学分开；另外，由于实验室条件约束，实验人数较多，金相实验实践操作也往往滞后，存在教学进度和试验进度不匹配现象。机械学院本科生对工程材料的兴趣本来就不高，教学和实践的脱节，使得工程材料课程成为机械学院挂科较多的一门基础课程。本文以某高校机械学院2个班级为例，通过金相图片、扫描电镜图片和能谱等视觉照片的准备、设计，丰富多媒体课件内容，探索课堂教学与实践教学相结合的模式，对材料学习中的相、组织、偏析等不易理解的概念进行语言描述和视觉展示，概念解释配合直观的图片，使得概念可视化，以此激发机械学院本科生学习工程材料的兴趣，并鼓励本科生积极参与到材料科学的研究中去。

1实施过程

首先，分析了机械工程学院某专业2个班的“工程材料”成绩，发现工程材料课程期末考试成绩差，及格率仅为21%，成绩多分布在30-45分之间，如图1所示，两个班级60人，进入2019年重修人数达到23人，超过了三分之一。因此，在2019年的教学过程中，根据教学大纲的要求，对相图这一重要内容进行教学实验改革，充分发挥金相实验的作用。相图基础知识学习后，对这学生的掌握情况进行了问卷调查，结果发现，纯粹的课堂授课，学生根本不能够正确区分实际材料的“金相”和“组织”，调查结果如图2所示。图2所示，金相实验前后，能够清楚金相的学生不到10%，能够分辨金相照片的仅仅只有30%。也就是说大部分学生根本不知道什么是金相、组织，这部分学生在毕业设计中将会不能准确设计材料相关实验，更不会分析金相组织，毕业后涉及金属材料组织性能的相关工作也将很难做好。年第期月（上）为了提高学生学习效率，在随后的教学过程中，以Al-Si共晶合金相图为例，首先分析了亚共晶、共晶和过共晶组织、凝固结晶过程、先析出相、偏析、树枝晶等基本概念。通过概念学习后，学生进入金相实验室进行金相实验。采用ADC12合金为标样，通过金相试样磨制，利用光学显微镜对ADC12的组织、相等进行观察分析。经过课堂概念学习、实验操作学习后，学生对共晶合金相图有了一定的认识，结合金相实验观察分析，掌握并理解凝固结晶过程中相的形成及组织长大。然而，必须注意，对机械学院的学生来说，由于对相形成过程、组织长大动力学等知识的缺乏，凝固结晶过程是一个完全陌生的概念或者知识点，很快掌握共晶相图的重点和难点存在一定难度；另一方面，ADC12金相组织中存在其它杂质相，如Fe相等，这对他们认识实际工程材料的金相组织非常有益。经过光学显微镜的学习和观察，大部分学生能够指出金相图中的初晶铝相（树枝晶）、共晶Al-Si组织（方框区域）。相同的调查问卷显示，经过本次金相大部分学生已经能够清楚金相和组织，并能够分辨ADC12组织中的各个相，如图2所示。经过ADC12金相照片的分析、观察后，能分辨组织的学生数提高到了50%，能够分辨金相照片的学生数从31%提高到了68%。为了进一步提高学习效果，利用扫描电镜对ADC12合金金相组织、元素分布进行分析，扫描电镜能谱分析的彩色图片，增强了视觉效果，更能开发学生的空间想象。为此，课堂教学中再次进行扫描电镜图片的学习，加强学生对金相组织等相关知识的理解和掌握。如图3所示，利用能谱扫描彩图更清楚的示了组织中Cu元素在树枝晶间的偏析（图中所圈），树枝晶形貌也清晰可辨，共晶组织更轮廓分明。经过金相、扫描电镜的实际观察分析，发现学生不但理解和掌握了金相、组织等抽象的概念，同时对常见金属材料的金相有了一定的了解，并激发对材料的学习兴趣，课程的学习积极性更高，课堂更加活跃。有3位同学主动提出要进入老师的科研实验，进行材料相关的科研工作。另外，通过金相实验，使他们认识到“工程材料”课程在工程领域的应用及重要性，并掌握了实际金属材料的组织状态，为后续的材料加工、机械制造等相关课程的学习做好充分的知识储备。

2结论

“工程材料”课程是实验性和理论性较强的课程，教学中实验和理论有机的配合，可以有效提高学生对知识的理解和掌握。以实际金属ADC12合金的金相组织观察、分析为典型，建立了工程材料课程中的基本概念与实际实验之间的联系，通过金相观察激励机械学院学生的学习积极性，提高了学生的学习兴趣和学习主动性。

参考文献

[1]史美静,峰孙.当代大学生学习现状研究.大学教育,2018.8:157-159.

[2]彭成红,陈灵,朱伟恒,朱小科,陈志领.基于金相竞赛的金属材料实验教学改革与探索.中国现代教育装备,2018,281:80-82.

[3]唐春晖,李志祥.培养学习兴趣，提高大学生创新能力.上海理工大学学报(社会科学版),2018,40(3):274-277.

[4]潘松.大学生专业学习兴趣的表现及激励探讨.法治与社会,2018,8:192-193.

[5]熊俊梅,辛亮,高苗苗,王福兴,周丽,龚少英.视觉和听觉情绪设计对多媒体学习的影响,2018,41(5):1124-1129.

作者：张树玲 崔宁 马兴华 吴军 单位：青岛理工大学机械与汽车工程学院