金相圖片的視覺效果在工程材料學(xué)習(xí)中的作用

張樹玲 崔寧 馬興華 吳軍

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

中圖分類號：G642? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)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(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)知識往往在大學(xué)二年級開設(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“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，合理的激勵機(jī)制，才能調(diào)動大學(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(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，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(gè)班級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)知識學(xué)習(xí)后，對這學(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)中將會不能準(zhǔn)確設(shè)計(jì)材料相關(guān)實(shí)驗(yàn)，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(guān)工作也將很難做好。

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 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)生對共晶合金相圖有了一定的認(rèn)識，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大。然而，必須注意，對機(jī)械學(xué)院的學(xué)生來說，由于對相形成過程、組織長大動力學(xué)等知識的缺乏，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，這對他們認(rèn)識實(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)生對金相組織等相關(guān)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(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(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)做好充分的知識儲備。

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)生對知識的理解和掌握。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)主動性。

*通訊作者：張樹玲

參考文獻(xiàn)

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