現(xiàn)代教育技術(shù)助力金屬材料可視化

游曉暢

金屬材料具有良好的塑性和導電性，高強度等性能，在結(jié)構(gòu)材料和功能材料中均扮演著重要的角色，因此在人類社會各個轉(zhuǎn)型期起到了舉足輕重的作用。由于金屬材料涉及的知識點非常多，除化學成分外，內(nèi)部結(jié)構(gòu)和組織狀態(tài)也是決定金屬材料性能的重要因素。學生在學習過程中不僅需要掌握金屬材料的微觀組織，還需要了解熱處理過程中的工藝過程。學生普遍反映金屬材料在學習過程中內(nèi)容抽象，理論繁雜，難以真正學通、學懂。為了幫助學生理解所學知識，調(diào)動學生學習積極性，教師采用“原位實驗+仿真分析”等手段將金屬材料在一定程度上實現(xiàn)“可視化”，既加深了學生對知識點的掌握，又使學生能夠了解到最新的科技前沿動態(tài)，同時能夠為我國高端材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供人才保障。

絕大多數(shù)金屬材料及其合金具有優(yōu)良的鑄造、耐腐蝕、焊接等性能及較好的力學性能，廣泛應(yīng)用于航空航天、海洋裝備及核電等領(lǐng)域，金屬材料學科是一門實踐性很強的學科，它的發(fā)展在一定程度上直接影響著國民經(jīng)濟的發(fā)展水平。由于金屬材料設(shè)計的知識面非常廣泛，需要學生重點掌握金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu)、金屬凝固過程、相圖基本理論、塑性變形與再結(jié)晶、固態(tài)相變與擴散、材料熱處理工藝過程、強化材料的基本工藝方法以及常用的金屬材料性能等內(nèi)容。金屬材料的化學成分不同，其性能千差萬別，對于同一成分的金屬材料，通過不同的加工處理工藝，改變材料內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)，也可以使其性能發(fā)生極大的變化。因此，除化學成分外，金屬的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和組織狀態(tài)也是決定金屬材料性能的重要因素。這就促使人們致力于金屬及其合金內(nèi)部結(jié)構(gòu)的研究，以尋求改善和發(fā)展金屬材料的途徑。對于專業(yè)教師來說，圍繞金屬材料組織、性能、加工處理方式三要素，重點闡述金屬微觀組織與宏觀性能之間的聯(lián)系，使學生充分了解金屬材料的研究方法與思路，從而可以為后續(xù)繼續(xù)深入學習奠定一定的理論基礎(chǔ)。但是教師在實際教學過程中發(fā)現(xiàn)，對于大部分尤其是初學者來說，金屬材料相關(guān)課程存在一定的難度，例如專業(yè)名詞多，公式推導復雜，部分章節(jié)與實驗結(jié)合不緊密等問題，這些問題的存在使得學生學習困難，容易造成學習懈怠。所以如何將復雜的理論知識通過形象的手段展示給學生，對于教學質(zhì)量的提高至關(guān)重要。

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，科學“可視化”越來越受到重視，該技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在醫(yī)學、地質(zhì)、大氣科學等領(lǐng)域，科研人員利用計算機建立視覺可視化，將復雜的科學問題轉(zhuǎn)化為易于大眾理解和感知的簡單問題。近年來隨著計算機軟件模擬仿真技術(shù)及實驗設(shè)備儀器的不斷進步，“可視化”教學過程進一步深入到教育教學過程中，這也給金屬材料專業(yè)教師提出了更大的機會與挑戰(zhàn)，學生也可以借助一定的數(shù)值模擬技術(shù)及科研方法，通過仿真及實驗手段實時觀察材料內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的變化，從而可以加深對書本理論內(nèi)容的理解，對于一些冗長復雜的實驗條件，可以借助于仿真手段對其材料性能參數(shù)進行快速分析，可大量減少實驗次數(shù)，節(jié)約時間成本，從這一點來看，“可視化”課程建設(shè)將發(fā)展為未來的主要趨勢。本文是基于現(xiàn)代教育技術(shù)助力金屬材料“可視化”的背景下，總結(jié)一些實際教育教學中的方法及典型案例，以期為教學中“可視化”技術(shù)的應(yīng)用提供幫助。

1.教學中學生普遍存在的問題

在金屬材料相關(guān)課程中，以金屬學與熱處理課程為例，學生在學習中普遍反映理論枯燥、難以理解、公式推導過程復雜乏味等，如構(gòu)件在熱處理過程與介質(zhì)之間進行的熱傳遞，該過程滿足非穩(wěn)態(tài)微分方程，<H：＼科學大眾·智慧教育202205＼內(nèi)芯＼9.6-1.jpg>（1）

此公式中，各參數(shù)物理意義如下，ρ、c、t和T分別為密度、比熱容、時間、溫度，λ為熱傳導系數(shù)。由于學生對此類知識點理解不清，常常導致對于后續(xù)的課程內(nèi)容更加無法理解和掌握，從而失去了學習的興趣，導致惡性循環(huán)。加之大多數(shù)學生對此類公式無法深刻理解，短時間內(nèi)無法將所學知識加以運用，無法深刻理解知識點背后的物理意義，從而無法真正理解科學研究的價值。

2.“可視化”教育教學方法探索

通過教育活動中實際存在的問題，同時借助一些教學手段和方法，將典型的“教師教”逐步轉(zhuǎn)變?yōu)閷W生的“啟發(fā)式學習”，在此過程中將教學內(nèi)容進行一定程度的“可視化”，在具體的教學活動中，教師要注重發(fā)揮主導地位，引導學生獨立思考，提高學生分析問題、解決問題的能力?！翱梢暬苯虒W方法可以借助以下幾種方法，如動畫及圖表、數(shù)值模擬分析技術(shù)、原位實驗等。

（1）動畫及圖表

目前采用多媒體教學輔助手段已經(jīng)成為教學活動的普遍方法，作為多媒體教學方法之一的動畫技術(shù)，有研究指出，采用動畫的方式可以將學習效率提高30%左右，不僅能夠幫助學生理解所學的知識，還能夠使學生直觀感受到所學內(nèi)容，激發(fā)學習過程的興趣，更好地將所學內(nèi)容消化和吸收，避免以短期記憶的方式應(yīng)對考試。目前一些精美的動畫已經(jīng)應(yīng)用到金屬材料教學過程中，如圖1所示，該模型反映了典型三種金屬晶體結(jié)構(gòu)的堆垛模型，三種晶體結(jié)構(gòu)分別為面心立方（fcc）、體心立方（bcc）以及密排六方（hcp）結(jié)構(gòu)，從原子模型簡化到鋼球模型，可以幫助學生更好地理解三種典型金屬材料中原子的堆垛次序，一方面由于堆垛順序的不同直接影響到晶體結(jié)構(gòu)的致密度不同，宏觀上反映為不同結(jié)構(gòu)的金屬力學性能不同，另一方面，堆垛順序不同影響到密排面與密排方向的差異，導致單晶金屬材料表現(xiàn)為各向異性。堆垛次序的不同也造成了晶格結(jié)構(gòu)的不同，從而出現(xiàn)了后續(xù)的固態(tài)相變，造成相變過程中體積的突變，例如工業(yè)純鐵在熱處理過程中，從常溫下α-鐵素體轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷叵碌摩?奧氏體結(jié)構(gòu)，即從體心立方轉(zhuǎn)化為面心立方結(jié)構(gòu)，因此體積會發(fā)生突變，對于不同晶體結(jié)構(gòu)的理解也會對后續(xù)擴散過程的學習產(chǎn)生一定的影響。

除了典型的動畫外，教學過程中大多也需要借助圖表來完成教學工作，圖表是利用大量的數(shù)據(jù)簡化而制作出的數(shù)據(jù)圖，反映了大量的線性與非線性的關(guān)系，從圖中我們可以清晰地看出各物理量或參數(shù)之間的直接關(guān)系，圖表教學具有直接性、可視化的優(yōu)點，因此在教學過程中得到了大量的運用。如圖2所示，圖中示意了航空用7050鋁合金各平衡相成分與溫度的關(guān)系，從中我們就可以得到不同相與溫度之間的析出規(guī)律，從而更好地理解鋁合金固溶處理過程的強化方法與手段，生產(chǎn)中實際固溶過程需要加熱到大部分第二相溶入到Al基體中，所以該圖對于控制固溶處理的溫度也至關(guān)重要。

（2）視頻方法

金屬材料學科是一門實踐性很強的學科，它的發(fā)展在一定程度上直接影響著國民經(jīng)濟的發(fā)展水平。學校教育過程中，如何才能夠使學生理論聯(lián)系實際，深刻理解金屬材料相關(guān)學科背后的邏輯關(guān)系及本質(zhì)，對于提高學生的綜合素質(zhì)以及培養(yǎng)現(xiàn)代社會所需人才是至關(guān)重要的，也需要廣大的教育工作者積極探索教育教學過程的新方法。教師在教學過程中可以適當?shù)牟シ乓曨l，使得學生可以從中更好了解到生產(chǎn)實際過程，無需親自走進工廠，也能從中理解到所學的金屬材料相關(guān)知識與實際工程材料之間的聯(lián)系，從而明白為什么需要學好理論知識，增強學習知識的信心。另一方面，教師和學生通過觀看視頻也能了解到最新的行業(yè)發(fā)展動態(tài)與方向，從而不斷更新自己的知識庫。一般情況下，教師在課堂上借助視頻教學之前，應(yīng)該先對本節(jié)課涉及的重要知識點進行講解，使學生對此有一定的初步認識，能夠達到基本的理解程度，但必然存在某些知識點講解過程不夠具體形象，此時借助一定的視頻講解能夠幫助學生了解知識點，并掌握相關(guān)金屬材料在工程實際中的應(yīng)用情況，播放視頻同時還能緩解教師和學生的課堂疲勞，激發(fā)學習興趣，有利于對知識點的消化和吸收。

現(xiàn)階段，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷進步以及網(wǎng)絡(luò)課程資源的不斷豐富，學生的學習不僅限于課堂的短短幾十分鐘，更多的時間學生可以借助網(wǎng)絡(luò)進行視頻學習，從而豐富了學生的學習手段與方法，真正地將學習從“教師教”轉(zhuǎn)變?yōu)椤皩W生學”的過程。

（3）數(shù)值模擬仿真技術(shù)

金屬材料涉及的知識點非常廣泛，不僅需要學生掌握金屬的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和組織狀態(tài)與其宏觀性能的關(guān)系，同時金屬材料相關(guān)學科也是一門實踐性很強的學科，要求學生掌握一定的加工方法。在金屬材料中常用的加工方法包括鑄造、鍛壓、焊接等，構(gòu)件經(jīng)過加工后一般不能直接用于生產(chǎn)服役中，還需要經(jīng)過一定的熱處理工藝保證其組織性能滿足一定的要求。隨著仿真技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的工業(yè)化軟件走進課堂，對專業(yè)教師提出了更高的要求，教師可以利用數(shù)值模擬軟件真正將金屬材料宏觀變形、組織演變、位錯運動等做到“可視化”，金屬宏觀變形過程是學生容易感知的，但是內(nèi)部晶粒變形、位錯運動等內(nèi)容就需要借助數(shù)值模擬技術(shù)，從而促進教學效果的提升。如圖3所示，顯示了鋁合金變形過程中位錯密度及晶粒尺寸演變規(guī)律。

3.“可視化”教學過程典型案例

金屬材料的熱處理工藝對于其組織和性能有直接的影響，鋼的熱處理工藝就是通過加熱、保溫和冷卻的方法改變鋼的組織結(jié)構(gòu)以獲得工件所要求性能的一種熱加工工藝。本文以一個實際案例說明數(shù)值模擬“可視化”在材料熱處理中的應(yīng)用。工件具體熱處理條件為首先550℃爐內(nèi)加熱0.5h，隨后在850℃進行2h滲碳處理，之后在進行20min油淬，隨后立即進行30min280℃回火處理，最后經(jīng)過1h空冷至室溫，熱處理過程涉及步驟，工藝過程復雜，學生很難對其狀態(tài)有直觀的認識，為了更好地提高教學質(zhì)量與效果，可以采取數(shù)值模擬加實驗驗證的方法，如圖4所示，可以看出爐內(nèi)升溫過程中齒輪構(gòu)件溫度場的變化過程。圖5顯示了該構(gòu)件經(jīng)過850℃滲碳2h處理后，含碳量變化情況。圖6分別顯示了經(jīng)過空冷至室溫后，珠光體+貝氏體、馬氏體、回火鐵素體+滲碳體的含量。由此可見，教師在講解過程中可以借助數(shù)值模擬計算輔助教學過程，能夠幫助學生更直觀理解相應(yīng)知識點，從而減輕學習負擔。

除此之外，隨著原位電子顯微鏡在金屬材料中的大量使用，教師在教學過程中也可以借助于一定的實驗手段，圖7為Zhangling等人進行的原位壓縮實驗，將位錯的變化過程呈現(xiàn)給學生，使學生能夠直接觀察到位錯塞積過程及產(chǎn)生的位錯滑移現(xiàn)象，幫助學生更加深入理解位錯運動規(guī)律。

4.結(jié)語

學生在學習過程中理解所學知識的程度對于教學過程的評價極其重要，同時能否做到理論與實際相結(jié)合關(guān)系到我國高端材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展所需人才保障的問題。基于此，本文介紹了一些現(xiàn)代教育技術(shù)在金屬材料可視化中的應(yīng)用方法和案例，希望將“可視化”技術(shù)進一步融入到課堂教學活動中，培養(yǎng)學生對金屬材料相關(guān)課程的興趣，提高學習效率，為金屬材料產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展奠定人才基礎(chǔ)。