金相图片的视觉效果在工程材料学习中的作用

张树玲 崔宁 马兴华 吴军

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

中图分类号：G642                                 文献标识码：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

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，具有選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。

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展示了组织中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。

*通訊作者：张树玲

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.