金相實驗教學(xué)方法改革探索

秦亮 張艷 周瑞 張靜 張小立 王淑艷

摘 要：本文就金相實驗課程的特點和教學(xué)的現(xiàn)狀進行了剖析，并提出了金相實驗教學(xué)方法改革的辦法。通過優(yōu)化、擴展實驗課程內(nèi)容，引入多媒體教學(xué)系統(tǒng)，完善實驗教學(xué)手段，強化教學(xué)中的薄弱環(huán)節(jié)，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)積極性。并根據(jù)學(xué)生參加金相技能大賽的經(jīng)歷，結(jié)合本校自身教學(xué)情況闡述如何以全國大學(xué)生金相技能大賽為契機，以賽促學(xué)，有效的改善了金相實驗教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：金相實驗 教學(xué)改革 多媒體 金相大賽

中圖分類號：G642 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）05（b）-0160-02

金相實驗技術(shù)是材料科學(xué)與工程專業(yè)類學(xué)生必須掌握的一門基本實驗技能，也是當(dāng)今金屬材料開發(fā)、產(chǎn)品質(zhì)量檢驗及失效分析常用的分析方法。因此，金相實驗是材料專業(yè)非常重要的實驗課。金相實驗技術(shù)的實踐性和操作性非常強，不僅要讓學(xué)生掌握金相顯微分析的基本知識和方法，加深對相關(guān)材料科學(xué)理論知識的理解，還要鍛煉學(xué)生動手實踐能力、培養(yǎng)學(xué)生實驗技能，并進一步培養(yǎng)學(xué)生在材料研究過程中發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力[1]，為學(xué)生畢業(yè)設(shè)計實驗甚至是后續(xù)解決實際工程問題奠定基礎(chǔ)。

傳統(tǒng)的教學(xué)模式，往往是學(xué)生在課堂上進行材料理論知識的學(xué)習(xí)，然后進實驗室進行金相實驗，而且實驗講義采用的金相組織照片也多為試樣的典型組織形貌，與實際組織相差較大。另外，教師在實驗過程中的講解和指導(dǎo)有時很難對所有學(xué)生進行實驗演示，學(xué)生對于實驗操作方法的掌握還比較欠缺，尤其是對金相顯微鏡的構(gòu)造、原理及使用方法都一知半解，影響金相實驗教學(xué)效果。造成很多學(xué)生沒有很好的掌握金相技術(shù)，也就很難利用金相技術(shù)進一步分析金屬材料顯微組織結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致金相技術(shù)基礎(chǔ)非常薄弱。因此，十分有必要對傳統(tǒng)的金相教學(xué)方法進行改革。本文將針對上述存在的問題，結(jié)合筆者多年的實驗教學(xué)工作經(jīng)驗和體會提出對金相實驗課程改革的設(shè)想。

1 金相實驗課程的特點

金相實驗課程是一項實踐性和操作性非常強的教學(xué)課程，包含金相試樣的制備、顯微組織的觀察與分析、金相攝影等，內(nèi)容繁雜、信息量大[2-3]。金相試樣的制備包括磨樣、拋光、腐蝕等基本工序，其中每個工序都要求學(xué)生具有較強的動手能力。對于初學(xué)者來說，實驗過程中容易出現(xiàn)各種各樣的問題，比如，樣品表面出現(xiàn)縱橫交錯的劃痕、樣品表面不平整出現(xiàn)多個面，拋光過程中飛樣、樣品表面出現(xiàn)拖尾以及腐蝕過程中腐蝕不均勻、腐蝕過淺或過深等等問題。顯微組織的觀察與分析又要求學(xué)生不僅具有一定的科學(xué)理論知識，同時還要有較強的分析能力，能夠結(jié)合理論知識進行樣品中組織的識別。此外，學(xué)生還要具備一定的金相攝影知識，了解顯微鏡的構(gòu)造和成像原理，并能夠使用電腦軟件進行金相照片的拍攝。

這是一門既要牢固掌握專業(yè)理論知識，又要具有較強分析能力和實踐能力的實驗課程。我校早期辦學(xué)時就已開設(shè)金相實驗課程，目的也是讓學(xué)生熟練和掌握金相分析的基本知識與方法，鍛煉學(xué)生的動手能力和分析能力。以期在實驗教學(xué)過程中培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力，為學(xué)生走上工作崗位后解決實際問題奠定基礎(chǔ)。

2 金相實驗教學(xué)的現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的金相實驗教學(xué)模式是教師先給學(xué)生講授理論知識，包括金相顯微鏡的原理、使用方法和金相樣品的制作方法，然后再分小組進行實驗技能的訓(xùn)練。由于實驗場地的限制，教師的指導(dǎo)和講解受到限制，也很難對所有學(xué)生進行實驗演示。

除了客觀原因，還存在許多主觀原因，例如有些高校教師對實驗教學(xué)的重視程度還不夠，對學(xué)生的現(xiàn)場指導(dǎo)不細致。而學(xué)生對理論課程不感興趣，狀態(tài)不佳，基礎(chǔ)不扎實，知識理解不透徹。對待實驗課的態(tài)度更加敷衍，實驗過程中更是對于實驗技巧完全應(yīng)付。很多學(xué)生在金相組織觀察的實驗過程中連組織都分不清，如鐵素體球墨鑄鐵中，分不清哪些是鐵素體，哪些是石墨，更不要說稍微復(fù)雜一些的組織了。這樣的情況比比皆是。課堂學(xué)時有限，學(xué)生本身掌握的就不好，課外又不愿意花時間探索，嚴(yán)重影響了學(xué)習(xí)的效果。

此外，目前大多數(shù)的金屬材料理論教學(xué)多以碳鋼、鑄鐵為主要教學(xué)素材，對于有色金屬如：鋁、鎂、鈦等則較粗泛。實驗教學(xué)中也是以45鋼、40Cr、灰鑄鐵、球墨鑄鐵等為主，幾乎不涉及有色金屬。然而，現(xiàn)代社會材料的發(fā)展越來越傾向于輕量化，從軍用到民用，從航空航天飛行器到汽車，有色金屬正在被越來越廣泛的應(yīng)用。

綜上所述，金相實驗課程的改革勢在必行。提高教師和學(xué)生對金相技能實驗教學(xué)的重視，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、改變教學(xué)方式，采取一定的手段激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升金相實驗教學(xué)的效果和學(xué)生金相技能的實踐創(chuàng)新能力。

3 金相實驗教學(xué)的方法改革

3.1 優(yōu)化、擴展實驗課程內(nèi)容

目前，金相實驗教學(xué)中組織觀察基本都是實驗教師將制備好的標(biāo)準(zhǔn)金相試樣提供給學(xué)生進行觀察，樣品常規(guī)顯微組織居多，數(shù)量也有限，每個學(xué)生可能觀察的只有有限幾種顯微組織。而且標(biāo)準(zhǔn)試樣多次使用后表面容易有劃痕，影響實驗教學(xué)效果。因此，如果教師建立一個金相圖庫，除了常規(guī)的顯微組織，將自己平時搜集到的一些試樣顯微組織圖片都放入金相圖庫。課上學(xué)生不僅能看到常規(guī)的金相顯微組織，還可以隨意調(diào)取其他顯微組織圖片進行觀察和對比分析。不僅豐富了實驗教學(xué)內(nèi)容，還激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，建立教師和學(xué)生之間的互動。除了各種各樣的典型顯微組織，教學(xué)中對于缺陷組織也應(yīng)該多引入些案例，讓學(xué)生結(jié)合案例分析，自己做一回“助理工程師”，和教師一起找出缺陷產(chǎn)生的原因。

3.2 引入多媒體教學(xué)系統(tǒng)，完善實驗教學(xué)手段

隨著信息化的發(fā)展，傳統(tǒng)的金相實驗教學(xué)模式也應(yīng)該加入多媒體技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)大數(shù)據(jù)來豐富教學(xué)內(nèi)容和手段并且充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

首先，教師在教學(xué)之前要進行多媒體課件、實驗演示等教程的完善。將抽象的實驗原理進行具體化，多設(shè)計動畫進行演示。而實驗的演示也通過操作錄像、解說錄像、軟件等將金相實驗技術(shù)的具體操作步驟、操作細節(jié)及操作技巧等進行更加具體的演示。讓學(xué)生通過多媒體能夠清楚的看到，以解決傳統(tǒng)的教學(xué)過程中學(xué)生對于教師的演示看不清，掌握不透的問題。

其次，設(shè)計一些多媒體互動模塊，實現(xiàn)師生之間一對一或一對多的互動交流教學(xué)。多媒體互動教室每臺顯微鏡配置一臺電腦，設(shè)置一臺主機和若干子機。設(shè)計一個局域網(wǎng)平臺，主機作為教師的控制平臺，子機分成若干個由學(xué)生操作。教學(xué)過程中，進行主機進行課程教學(xué)，學(xué)生可以通過子機觀摩學(xué)習(xí)。而且局域網(wǎng)平臺還可以實現(xiàn)資源共享，學(xué)生可以通過子機展示自己的實驗結(jié)果，讓教師和其他學(xué)生都能夠看到。例如，不同熱處理工藝的金相實驗中，分組進行后，各組學(xué)生將結(jié)果通過局域網(wǎng)發(fā)布。學(xué)生可以清楚的認識和對比不同熱處理狀態(tài)的金相組織，加深對理論知識的掌握。此外，學(xué)生和教師可以進行在線互動，學(xué)生有任何金相實驗技術(shù)有關(guān)的問題都可以通過局域網(wǎng)平臺提問，教師也可以直接回答，進行講解。不僅方便了師生之間交流和溝通，也讓學(xué)生和學(xué)生之間的交流變得更容易。

3.3 以賽促學(xué)，提升實驗教學(xué)效果

為了培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新時間精神、提高學(xué)生的創(chuàng)新意識和實踐能力、促進各高校在實驗教學(xué)方面的經(jīng)驗交流，全國高校材料學(xué)科實驗教學(xué)研究會經(jīng)高等學(xué)校實驗室工作研究會比準(zhǔn)后成立，并先后舉辦了六屆全國大學(xué)生金相技能大賽。經(jīng)過我校積極鼓勵金屬材料專業(yè)學(xué)生參加金相大賽，自2013年以來連續(xù)5年參加全國大學(xué)生金相技能大賽，都取得了不錯的成績。學(xué)生的金相實驗技能較之前有了大幅度的提高，這些成果都緣于平時對金相實驗的時間及精力的投入。

正式參賽前半年，我校會在材料實驗室分別舉行預(yù)賽、復(fù)賽和決賽進行人才的選拔。比賽的要求和競賽規(guī)則都按照全國金相大賽的要求進行，學(xué)生自愿報名參加。從校內(nèi)預(yù)賽比賽的情況來看，學(xué)生的參加積極性一年比一年高。由于教師對校內(nèi)金相技能選拔賽的學(xué)生指導(dǎo)的經(jīng)驗越來越豐富，將金相大賽的要求也融入到了平時的金相實驗教學(xué)中。學(xué)生的金相實驗技能得到了大幅度的提升，教學(xué)效果也取得了更好的效果。

另一方面，學(xué)生經(jīng)過比賽如果沒被選拔參加全國大賽，自己的金相實驗技能可以得到了一定程度的提高；如果被選拔參加全國大賽，不僅金相實驗技能得到了大幅度提高，自信心也得到了極大的加強。尤其是教師要對選拔參加全國大賽的學(xué)生集中訓(xùn)練，在訓(xùn)練過程中從金相試樣的制備到金相顯微鏡的正確使用都要進行詳細的指導(dǎo)。對于學(xué)生在實驗過程中出現(xiàn)的問題及時糾正，對出現(xiàn)的疑難問題進行有針對性的訓(xùn)練。例如，參加第六屆全國金相大賽時復(fù)賽中提供的是球墨鑄鐵試樣，雖然材料的硬度比較大，相對碳鋼不容易出現(xiàn)劃痕，但是由于石墨的存在，經(jīng)驗不足的學(xué)生極易在拋光過程中出現(xiàn)石墨曳尾、污染和脫落等問題。因此今年在校內(nèi)集訓(xùn)時，指導(dǎo)教師針對這一問題特別做了指導(dǎo)，大大提高了學(xué)生制備球磨鑄鐵試樣的質(zhì)量。通過參加全國金相大賽，不僅提高了學(xué)生的材料分析能力和金相制樣水平，也增加了教師對于金相實驗教學(xué)方法的思考。

4 結(jié)語

本文總結(jié)了傳統(tǒng)金相實驗課程的特點，分析了目前金相實驗教學(xué)存在的問題，并提出了金相實驗教學(xué)改革的方法。通過優(yōu)化、擴展實驗課程內(nèi)容，引入多媒體教學(xué)系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)平臺等實驗手段，并結(jié)合全國金相大賽，以賽促學(xué)，努力提升金相實驗教學(xué)的效果，加強學(xué)生金相實驗技能，并將全面培養(yǎng)創(chuàng)新性實用型人才的教學(xué)理念融入到實驗教學(xué)中去。

參考文獻

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[3] 魏建忠，王國紅，宗斌.金相樣品制備和分析中的技巧及方法[J].理化檢測-物理分冊，2006，42（3）：154-156.