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摘要:通過金相實驗與課程教學的緊密結合,利用金相圖片的分析和觀察,加強工程材料課程學習中相、組織、凝固過程、樹枝晶等概念的理解;并通過實際ADC12合金組織的觀察與分析,認識工程材料組織,建立理論學習和工程實際的聯(lián)系,利用金相圖片的視覺高分辨率,加強課程學習的理解,并激發(fā)學生的學習興趣,提高課堂學習效果。
關鍵詞:金相圖片;材料科學;學習效率;視覺刺激
引言
隨著高等教育逐漸轉為大眾教育,高等教育的質(zhì)量參差不齊,大學教育效果決定了未來的發(fā)展。[1]然而,目前大學生學習能動性和時間管理能力差、學習效率低,特別是工科大學生學習學習壓力大,專業(yè)課程學習效果不好。[2]“工程材料”是材料基礎知識的一門本科專業(yè)基礎課程,它是高等學校材料類、機械類專業(yè)必修的技術基礎課。課程任務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。機械學院中,工程材料的相關基礎知識往往在大學二年級開設,但是機械類專業(yè)由于材料科學相關的基礎課程涉及少,教學中發(fā)現(xiàn)工程材料的學習效果差、學生掌握不夠好,這又影響了機械制造、機械設計等后續(xù)課程的學習?;诖耍ㄟ^對“工程材料”課程的教學改革,激發(fā)學生的學習興趣,充分激發(fā)學生的求知欲,才能大大提高學生的學習熱情;[3]學生的學習主動性和熱情被點燃,學習效果才能大大提高;在教學過程中,合理的激勵機制,才能調(diào)動大學生的專業(yè)學習興趣。[4]而視覺情緒設計可以激發(fā)學習者的積極情緒,提高學習效果。[5]金相實驗是工程材料的基本實驗,以磨制、觀察和辨識不同材料的組織為根本。金相實驗最大的特點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,高校實驗一般由專職實驗員來指導,任課教師按照大綱進行基礎知識的講授,這使得實驗和教學分開;另外,由于實驗室條件約束,實驗人數(shù)較多,金相實驗實踐操作也往往滯后,存在教學進度和試驗進度不匹配現(xiàn)象。機械學院本科生對工程材料的興趣本來就不高,教學和實踐的脫節(jié),使得工程材料課程成為機械學院掛科較多的一門基礎課程。本文以某高校機械學院2個班級為例,通過金相圖片、掃描電鏡圖片和能譜等視覺照片的準備、設計,豐富多媒體課件內(nèi)容,探索課堂教學與實踐教學相結合的模式,對材料學習中的相、組織、偏析等不易理解的概念進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)機械學院本科生學習工程材料的興趣,并鼓勵本科生積極參與到材料科學的研究中去。
1實施過程
首先,分析了機械工程學院某專業(yè)2個班的“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,兩個班級60人,進入2019年重修人數(shù)達到23人,超過了三分之一。因此,在2019年的教學過程中,根據(jù)教學大綱的要求,對相圖這一重要內(nèi)容進行教學實驗改革,充分發(fā)揮金相實驗的作用。相圖基礎知識學習后,對這學生的掌握情況進行了問卷調(diào)查,結果發(fā)現(xiàn),純粹的課堂授課,學生根本不能夠正確區(qū)分實際材料的“金相”和“組織”,調(diào)查結果如圖2所示。圖2所示,金相實驗前后,能夠清楚金相的學生不到10%,能夠分辨金相照片的僅僅只有30%。也就是說大部分學生根本不知道什么是金相、組織,這部分學生在畢業(yè)設計中將會不能準確設計材料相關實驗,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工作也將很難做好。年第期月(上)為了提高學生學習效率,在隨后的教學過程中,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、凝固結晶過程、先析出相、偏析、樹枝晶等基本概念。通過概念學習后,學生進入金相實驗室進行金相實驗。采用ADC12合金為標樣,通過金相試樣磨制,利用光學顯微鏡對ADC12的組織、相等進行觀察分析。經(jīng)過課堂概念學習、實驗操作學習后,學生對共晶合金相圖有了一定的認識,結合金相實驗觀察分析,掌握并理解凝固結晶過程中相的形成及組織長大。然而,必須注意,對機械學院的學生來說,由于對相形成過程、組織長大動力學等知識的缺乏,凝固結晶過程是一個完全陌生的概念或者知識點,很快掌握共晶相圖的重點和難點存在一定難度;另一方面,ADC12金相組織中存在其它雜質(zhì)相,如Fe相等,這對他們認識實際工程材料的金相組織非常有益。經(jīng)過光學顯微鏡的學習和觀察,大部分學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,能分辨組織的學生數(shù)提高到了50%,能夠分辨金相照片的學生數(shù)從31%提高到了68%。為了進一步提高學習效果,利用掃描電鏡對ADC12合金金相組織、元素分布進行分析,掃描電鏡能譜分析的彩色圖片,增強了視覺效果,更能開發(fā)學生的空間想象。為此,課堂教學中再次進行掃描電鏡圖片的學習,加強學生對金相組織等相關知識的理解和掌握。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、掃描電鏡的實際觀察分析,發(fā)現(xiàn)學生不但理解和掌握了金相、組織等抽象的概念,同時對常見金屬材料的金相有了一定的了解,并激發(fā)對材料的學習興趣,課程的學習積極性更高,課堂更加活躍。有3位同學主動提出要進入老師的科研實驗,進行材料相關的科研工作。另外,通過金相實驗,使他們認識到“工程材料”課程在工程領域的應用及重要性,并掌握了實際金屬材料的組織狀態(tài),為后續(xù)的材料加工、機械制造等相關課程的學習做好充分的知識儲備。
2結論
“工程材料”課程是實驗性和理論性較強的課程,教學中實驗和理論有機的配合,可以有效提高學生對知識的理解和掌握。以實際金屬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際實驗之間的聯(lián)系,通過金相觀察激勵機械學院學生的學習積極性,提高了學生的學習興趣和學習主動性。
參考文獻
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作者:張樹玲 崔寧 馬興華 吳軍 單位:青島理工大學機械與汽車工程學院