基于数字图像处理技术的金相实验教学改革与实践

彭兆+史晓亮+吴超华+王玉伏+黄丰

摘要：针对传统金相实验教学的不足，提出了基于数字图像处理技术，将传统的金相组织观察验证性实验提升为综合型实验，从而对教学方式、教学内容和考核方式进行初步改革，学生的实验积极性、创新设计能力、动手能力以及教学效果都有了显著的提高。

关键词：金相实验；数字图像处理；金相组织分析；金相互动系统

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）15-0268-03

金相实验是高等工科院校机械类专业和近机械类专业学生必须掌握的一门基本实验技能[1，2]。通过实验，加强学生对课堂讲授工程材料的成分—组织—性能理论知识的理解掌握和灵活运用。同时，培养学生的基本实验技能、发现和分析解决实际问题的能力[3，4]。通过金相实验加深对所学有关理论知识的理解，并进一步验证理论知识点的正确性，从感性认识转变为理性认识，更重要的是使学生掌握如何改变材料的组织，进而使其满足机件性能要求的能力。

一、金相实验教学的现状分析

1.实验设备。金相实验室作为公共专业基础课程实验室在各大高校都有，主要是以观察金属材料的金相组织为目的，所以金相显微镜是必配装置，主要经历了三代产品如图1，第一代江南仪器的XPT-7型单目偏光显微镜，第二代上海炳宇4XB型单目倒置金相显微镜，第三代上海蔡康4XCE电脑型三目倒置金相显微镜，既可人工观察金相图像，又可以在计算机显示器上很方便地适时观察金相图像，并可随时捕捉记录金相图片，从而对金相图谱进行分析、评级等，还可以保存或打印出高像素金相照片。这样的设备为学生实验提供了高效、快捷的操作，也可以让学生真正地了解到实际工厂或者实验室用到的最新设备。

2.实验教学内容。一般传统的教学中都包含了金相试样制备技术和金相显微镜的使用，注重学生对材料组织的腐蚀、成像技术及各种仪器设备使用技术的掌握。观察的金属材料，大多数都是纯铁、20钢、45钢、60钢、T8钢、T12钢、亚共晶白口铸铁、共晶白口铸铁和过共晶白口铸铁[5]，需要去验证一下这些典型材料的金相组织。采用了新金相显微镜后，对于这些试样的观察非常简便，使得原本的2学时内容在1学时多点就可以完成，这种验证性实验对于激发学生的学习热情是远远不够的。另外，先进的观察设备还有很多其他功能没有充分发挥出来，这就需要结合新设备特性开展有目的的变革实验教学内容，激发学生的学习兴趣，全面掌握金相检验的基本知识，满足应用型人才的培养要求。

二、基于数字图像处理技术的金相实验教学改革与实践

正是由于金相组织观察的设备提升，一些比较专业的观测方法得以在实验教学中实施。例如，实时的金相组织图像交流、金相组织的鉴定等，都可以通过新的实验教学模式来实现。结合数字图像处理技术，对金相实验内容和方法进行挖掘，将验证性的实验变革成设计性、综合性，乃至研究性的实验，充分调动学生学习的主动性和积极性。

1.引入数字图像处理技术，提升教学手段。金相图片是分析金属材料微观组织结构的基本依据。随着数字图像处理技术的发展，金相图片的作用越来越大，可用于新型材料的组成成分及产品的质量检测、金相组织特性的定量分析等。当然对于定量分析的精度要求越高，也就意味着利用金相显微镜采集的图片质量要求越高。将数字图像处理技术引入实验中，可为金相图片的观察带来简便，让学生了解到最新的金相分析手段。

（1）金相组织的相对量确定。原始的测定方法需要对金相图片上的不同组织区域进行尺寸测量，再用数学方法将组织的面积求解出来。图像处理技术的引入可以通过图片上的像素进行组织的面积计算。组织的区域面积是由这一区域所包围的像素数量来决定的，只需要将采集到的金相图像的像素数转化为相对应的定量数据，也就是标定出每个像素所代表的实际尺寸，最终就能将组织的面积计算出来，这些都可由计算机来完成，如图2所示。这样比传统的测量方法更加精确，也更加的简便。

（2）金相图像的增强。在实际实验过程中，利用计算机和金相显微镜采集到的金相图像会受到各种干扰，导致图片质量下降，不利于观测。例如，在亚共析钢材料中珠光体和铁素体在经过长期服役以后，由于珠光体自身的不断球化与分解，导致珠光体和铁素体的边界模糊不清，为了能够准确分辨需要对图像进行增强处理，如图2中将原始图像处理后的图像识别更加清晰。基于数字图像处理技术，增强处理的手段有：灰度变换、调整亮度与对比度、锐化处理等。利用这些技术使得金相图像的质量大幅度提升，为后期的定量金相测量和金相分析奠定了基础。

2.扩展知识面，增强学生的实践能力。学生在传统的金相实验中，主要观察的是常规组织，这显然是不够的。为了拓宽学生的视野和紧密联系实际，可以从广度和深度两方面来加强学生的实践能力。广度是增加观察材料的种类，例如增加典型合金、不锈钢、铜及铜合金、铝及铝合金、钛及钛合金等实际生活中学生熟悉的常用材料[2]。深度是指除了基本的金相组织观察与分析任务以外，还可以加入学生制备试样环节，利用金相互动[6，7]系统完成金相组织显微镜观察及图像拍照。通过互动对比，既多方面了解不同材料的组织形貌，加深记忆，又比较各自的操作水平，提高了学生积极向上的学习氛围，同时单一的验证性实驗也转变成了综合性实验。

3.考核方式多样化，提高学生的综合素质。金相实验是一门基础课程实验，做实验的学生多。利用第三代金相显微镜组成了一套金相互动系统，在互动系统中利用数字图像处理技术增加了实验的考核内容，提高了学生的综合素质。构建科学、合理的实验考核体系，可以全面掌握学生的学习情况和实验技能，还能充分调动学生的积极性。考核主要包括：书面形式的实验报告主要体现在实验预习阶段；在操作中，考核内容比较多，例如操作金相显微镜是否规范、试样组织的调节速度和质量、拍摄金相图像的质量、金相组织的定量分析准确性、互动交流中的提问等。借助于数字图像处理技术，学生可以在图片上标记组织的结构特征、辨识未知材料的金相组织或文字说明分析，在规定时间内提交给教师，教师对每个学生的操作过程评阅打分，如图3所示。通过这些多样化的考核形式激发了学生的学习兴趣，同时锻炼了其动手能力、分析问题和解决问题的能力。

三、结语

在金相互动系统的基础上，发挥数字图像处理技术的优势，大大提升了学生的实验积极性。在对教学方式、教学内容和考核方式等全面改革后，旧的金相实验学时不饱满问题得以解决，提升了课堂的师生互动性，学生的实践技能加强了，知识面得到了拓宽，实验教学效果较以往大为提高。

金相实验技术是机械类学生必须掌握的一门基本实验技能。随着技术的发展，将数字图像处理技术引入到实验教学内容、教学方法、教学手段中，完善了实验课教学，进一步提高了学生的实验技术能力，对于培养高素质的工程技术人才具有重要意义。

参考文献：

[1]马杰，王长征，黄宝旭，等.金相实验教学改革及实验技术能力提升探索[J].考试周刊，2015，（77）：11.

[2]葛利玲.“金相显微技术”课程改革与实践[J].实验技术与管理，2015，32（2）：197-200.

[3]王丽，周玲，尹丽丹，等.创新型实践教学在大学生能力培养中的作用[J].实验室研究与探索，2013，（3）：143-146.

[4]马杰，王长征，黄宝旭，等.金属材料工程专业金相实验技术能力提升与改革实践[J].新校园：上旬刊，2015，（12）：45.

[5]王志刚，井敏，孙德明，等.“金相检验技术”教学改革与实践探讨[J].实验室科学，2013，16（4）：41-42.

[6]刘长虹，艾云龙，邓克明.基于多媒体显微互动系统的金相实验教学的改革[J].实验技术与管理，2008，25（5）：89-91.

[7]高圆，席生岐，范传伟，等.信息技术在金相实验教学中的应用[J].中国现代教育装备，2014，（21）：14-16.