现代教育技术助力金属材料可视化

游晓畅

金属材料具有良好的塑性和导电性，高强度等性能，在结构材料和功能材料中均扮演着重要的角色，因此在人类社会各个转型期起到了举足轻重的作用。由于金属材料涉及的知识点非常多，除化学成分外，内部结构和组织状态也是决定金属材料性能的重要因素。学生在学习过程中不仅需要掌握金属材料的微观组织，还需要了解热处理过程中的工艺过程。学生普遍反映金属材料在学习过程中内容抽象，理论繁杂，难以真正学通、学懂。为了帮助学生理解所学知识，调动学生学习积极性，教师采用“原位实验+仿真分析”等手段将金属材料在一定程度上实现“可视化”，既加深了学生对知识点的掌握，又使学生能够了解到最新的科技前沿动态，同时能够为我国高端材料产业发展提供人才保障。

绝大多数金属材料及其合金具有优良的铸造、耐腐蚀、焊接等性能及较好的力学性能，广泛应用于航空航天、海洋装备及核电等领域，金属材料学科是一门实践性很强的学科，它的发展在一定程度上直接影响着国民经济的发展水平。由于金属材料设计的知识面非常广泛，需要学生重点掌握金属与合金的晶体结构、金属凝固过程、相图基本理论、塑性变形与再结晶、固态相变与扩散、材料热处理工艺过程、强化材料的基本工艺方法以及常用的金属材料性能等内容。金属材料的化学成分不同，其性能千差万别，对于同一成分的金属材料，通过不同的加工处理工艺，改变材料内部的组织结构，也可以使其性能发生极大的变化。因此，除化学成分外，金属的内部结构和组织状态也是决定金属材料性能的重要因素。这就促使人们致力于金属及其合金内部结构的研究，以寻求改善和发展金属材料的途径。对于专业教师来说，围绕金属材料组织、性能、加工处理方式三要素，重点阐述金属微观组织与宏观性能之间的联系，使学生充分了解金属材料的研究方法与思路，从而可以为后续继续深入学习奠定一定的理论基础。但是教师在实际教学过程中发现，对于大部分尤其是初学者来说，金属材料相关课程存在一定的难度，例如专业名词多，公式推导复杂，部分章节与实验结合不紧密等问题，这些问题的存在使得学生学习困难，容易造成学习懈怠。所以如何将复杂的理论知识通过形象的手段展示给学生，对于教学质量的提高至关重要。

随着计算机技术的发展，科学“可视化”越来越受到重视，该技术已经广泛应用在医学、地质、大气科学等领域，科研人员利用计算机建立视觉可视化，将复杂的科学问题转化为易于大众理解和感知的简单问题。近年来随着计算机软件模拟仿真技术及实验设备仪器的不断进步，“可视化”教学过程进一步深入到教育教学过程中，这也给金属材料专业教师提出了更大的机会与挑战，学生也可以借助一定的数值模拟技术及科研方法，通过仿真及实验手段实时观察材料内部微观结构的变化，从而可以加深对书本理论内容的理解，对于一些冗长复杂的实验条件，可以借助于仿真手段对其材料性能参数进行快速分析，可大量减少实验次数，节约时间成本，从这一点来看，“可视化”课程建设将发展为未来的主要趋势。本文是基于现代教育技术助力金属材料“可视化”的背景下，总结一些实际教育教学中的方法及典型案例，以期为教学中“可视化”技术的应用提供帮助。

1.教学中学生普遍存在的问题

在金属材料相关课程中，以金属学与热处理课程为例，学生在学习中普遍反映理论枯燥、难以理解、公式推导过程复杂乏味等，如构件在热处理过程与介质之间进行的热传递，该过程满足非稳态微分方程，<H：＼科学大众·智慧教育202205＼内芯＼9.6-1.jpg>（1）

此公式中，各参数物理意义如下，ρ、c、t和T分别为密度、比热容、时间、温度，λ为热传导系数。由于学生对此类知识点理解不清，常常导致对于后续的课程内容更加无法理解和掌握，从而失去了学习的兴趣，导致恶性循环。加之大多数学生对此类公式无法深刻理解，短时间内无法将所学知识加以运用，无法深刻理解知识点背后的物理意义，从而无法真正理解科学研究的价值。

2.“可视化”教育教学方法探索

通过教育活动中实际存在的问题，同时借助一些教学手段和方法，将典型的“教师教”逐步转变为学生的“启发式学习”，在此过程中将教学内容进行一定程度的“可视化”，在具体的教学活动中，教师要注重发挥主导地位，引导学生独立思考，提高學生分析问题、解决问题的能力。“可视化”教学方法可以借助以下几种方法，如动画及图表、数值模拟分析技术、原位实验等。

（1）动画及图表

目前采用多媒体教学辅助手段已经成为教学活动的普遍方法，作为多媒体教学方法之一的动画技术，有研究指出，采用动画的方式可以将学习效率提高30%左右，不仅能够帮助学生理解所学的知识，还能够使学生直观感受到所学内容，激发学习过程的兴趣，更好地将所学内容消化和吸收，避免以短期记忆的方式应对考试。目前一些精美的动画已经应用到金属材料教学过程中，如图1所示，该模型反映了典型三种金属晶体结构的堆垛模型，三种晶体结构分别为面心立方（fcc）、体心立方（bcc）以及密排六方（hcp）结构，从原子模型简化到钢球模型，可以帮助学生更好地理解三种典型金属材料中原子的堆垛次序，一方面由于堆垛顺序的不同直接影响到晶体结构的致密度不同，宏观上反映为不同结构的金属力学性能不同，另一方面，堆垛顺序不同影响到密排面与密排方向的差异，导致单晶金属材料表现为各向异性。堆垛次序的不同也造成了晶格结构的不同，从而出现了后续的固态相变，造成相变过程中体积的突变，例如工业纯铁在热处理过程中，从常温下α-铁素体转变为高温下的γ-奥氏体结构，即从体心立方转化为面心立方结构，因此体积会发生突变，对于不同晶体结构的理解也会对后续扩散过程的学习产生一定的影响。

除了典型的动画外，教学过程中大多也需要借助图表来完成教学工作，图表是利用大量的数据简化而制作出的数据图，反映了大量的线性与非线性的关系，从图中我们可以清晰地看出各物理量或参数之间的直接关系，图表教学具有直接性、可视化的优点，因此在教学过程中得到了大量的运用。如图2所示，图中示意了航空用7050铝合金各平衡相成分与温度的关系，从中我们就可以得到不同相与温度之间的析出规律，从而更好地理解铝合金固溶处理过程的强化方法与手段，生产中实际固溶过程需要加热到大部分第二相溶入到Al基体中，所以该图对于控制固溶处理的温度也至关重要。

（2）视频方法

金属材料学科是一门实践性很强的学科，它的发展在一定程度上直接影响着国民经济的发展水平。学校教育过程中，如何才能够使学生理论联系实际，深刻理解金属材料相关学科背后的逻辑关系及本质，对于提高学生的综合素质以及培养现代社会所需人才是至关重要的，也需要广大的教育工作者积极探索教育教学过程的新方法。教师在教学过程中可以适当的播放视频，使得学生可以从中更好了解到生产实际过程，无需亲自走进工厂，也能从中理解到所学的金属材料相关知识与实际工程材料之间的联系，从而明白为什么需要学好理论知识，增强学习知识的信心。另一方面，教师和学生通过观看视频也能了解到最新的行业发展动态与方向，从而不断更新自己的知识库。一般情况下，教师在课堂上借助视频教学之前，应该先对本节课涉及的重要知识点进行讲解，使学生对此有一定的初步认识，能够达到基本的理解程度，但必然存在某些知识点讲解过程不够具体形象，此时借助一定的视频讲解能够帮助学生了解知识点，并掌握相关金属材料在工程实际中的应用情况，播放视频同时还能缓解教师和学生的课堂疲劳，激发学习兴趣，有利于对知识点的消化和吸收。

现阶段，随着互联网技术的不断进步以及网络课程资源的不断丰富，学生的学习不仅限于课堂的短短几十分钟，更多的时间学生可以借助网络进行视频学习，从而丰富了学生的学习手段与方法，真正地将学习从“教师教”转变为“学生学”的过程。

（3）数值模拟仿真技术

金属材料涉及的知识点非常广泛，不仅需要学生掌握金属的内部结构和组织状态与其宏观性能的关系，同时金属材料相关学科也是一门实践性很强的学科，要求学生掌握一定的加工方法。在金属材料中常用的加工方法包括铸造、锻压、焊接等，构件经过加工后一般不能直接用于生产服役中，还需要经过一定的热处理工艺保证其组织性能满足一定的要求。随着仿真技术的不断发展，越来越多的工业化软件走进课堂，对专业教师提出了更高的要求，教师可以利用数值模拟软件真正将金属材料宏观变形、组织演变、位错运动等做到“可视化”，金属宏观变形过程是学生容易感知的，但是内部晶粒变形、位错运动等内容就需要借助数值模拟技术，从而促进教学效果的提升。如图3所示，显示了铝合金变形过程中位错密度及晶粒尺寸演变规律。

3.“可视化”教学过程典型案例

金属材料的热处理工艺对于其组织和性能有直接的影响，钢的热处理工艺就是通过加热、保温和冷却的方法改变钢的组织结构以获得工件所要求性能的一种热加工工艺。本文以一个实际案例说明数值模拟“可视化”在材料热处理中的应用。工件具体热处理条件为首先550℃炉内加热0.5h，随后在850℃进行2h渗碳处理，之后在进行20min油淬，随后立即进行30min280℃回火处理，最后經过1h空冷至室温，热处理过程涉及步骤，工艺过程复杂，学生很难对其状态有直观的认识，为了更好地提高教学质量与效果，可以采取数值模拟加实验验证的方法，如图4所示，可以看出炉内升温过程中齿轮构件温度场的变化过程。图5显示了该构件经过850℃渗碳2h处理后，含碳量变化情况。图6分别显示了经过空冷至室温后，珠光体+贝氏体、马氏体、回火铁素体+渗碳体的含量。由此可见，教师在讲解过程中可以借助数值模拟计算辅助教学过程，能够帮助学生更直观理解相应知识点，从而减轻学习负担。

除此之外，随着原位电子显微镜在金属材料中的大量使用，教师在教学过程中也可以借助于一定的实验手段，图7为Zhangling等人进行的原位压缩实验，将位错的变化过程呈现给学生，使学生能够直接观察到位错塞积过程及产生的位错滑移现象，帮助学生更加深入理解位错运动规律。

4.结语

学生在学习过程中理解所学知识的程度对于教学过程的评价极其重要，同时能否做到理论与实际相结合关系到我国高端材料产业发展所需人才保障的问题。基于此，本文介绍了一些现代教育技术在金属材料可视化中的应用方法和案例，希望将“可视化”技术进一步融入到课堂教学活动中，培养学生对金属材料相关课程的兴趣，提高学习效率，为金属材料产业的可持续发展奠定人才基础。