金相互動開放教學在金屬學實驗課程中的應用*

◆師曉莉 曹建春 胡 勁 段云彪 談松林

金相互動開放教學在金屬學實驗課程中的應用*

◆師曉莉 曹建春 胡 勁 段云彪 談松林

在金屬學實驗課程中應用金相互動教學，有力提高實驗教學效率及質量，增強學生積極、主動學習的意識和能力，并對大學生的素質教育產生深遠影響。

金相互動開放教學；金屬學；實驗課

1 引言

金屬學是一門綜合性、實踐性和復雜性相結合的課程。其綜合性是指學科內容知識面廣泛，從金屬凝固過程到性能，并涉及物理、化學等跨學科知識；實踐性是指課程的內容需要在實踐應用中熟悉掌握；復雜性是指涉及領域多，變量大，內容繁雜［1］。在金屬學課程教學中，需要讓學生知其然并知其所以然，所以在教學過程中，開放互動的實踐教學至關重要，可引導學生自主思考，主動解決問題，并提供相互探討的空間，提高學生對知識的理解和領悟。

金相互動教學就是金屬學課程中開放互動實踐教學的重要內容之一，通過現代通信和科技手段，人為創造主動、互動的教學環境，能良好地達到教學目的，并提高學生的自主研究能力。昆明理工大學材料科學與工程學院在金屬學實驗教學中使用了金相互動教學方法，取得了良好的效果。尤其在研究生高等金屬學的教學過程中，在基礎三實驗的基礎上，利用金相互動開放系統，還開發了先進鋼鐵材料專題、綜合性實驗等實踐性更強的教學環節，使學生的動手及分析解決問題能力大大提高。

2 傳統金相教學

如圖1所示，在傳統金相教學中，教師先講授金相結構的特點和原理，再由學生各自使用顯微鏡觀察不同的金相結構，并與教師講授的內容一一驗證，而學習各種金相知識。這種方式存在以下幾個主要問題：

1）學生每次觀察的金相樣品數量有限，決定了所學知識有限；

2）學生與教師之間互動較少，教師沒有時間為每一個學生單獨講解，更多依靠學生的學習能力和自覺性；

3）學生之間的互動較少，除了兩三人的小團隊相互探討之外，多是獨自研習；

圖1 傳統金相教學

4）由于能夠進行金相照片采集處理的顯微鏡數量有限，因此，學生獲得并保存金相組織照片需要時間過長，不利于提高學習效率。

因此，傳統的金相教學不利于學生的主動研習和探討交流，特別是在實驗教學階段，需要更深入的理解和探討。學生往往也很需要這種條件，而金相互動教學可以達到這種目的。

3 金相互動開放教學系統

金相互動教學系統如圖2所示。它是建立在多媒體網絡教室基礎上的一對多互動式分析系統，集顯微鏡、圖像分析、照相、網絡、中樞控制于一體的現代化教學系統，主要有以下幾個特點。

圖2 金相互動教學系統

1）一對多系統：由1臺教師用的連接電腦服務器的OPTON AXI OPHOT顯微鏡和20臺學生用計算機以及20臺學生用顯微鏡組成，教師用服務器可看到任意學生電腦顯示的金相照片，任何學生均可通過電腦聯系教師。

2）集中討論系統：教師用電腦服務器連接投影儀，可同時顯示20臺學生電腦顯示的金相照片，并可放大任意照片于投影儀顯示，方便集體學習和討論。

3）學生互動研習系統：學生用的每一臺顯微鏡均有獨立電腦連接，金相照片顯示便捷，學生之間可隨意相互交流，縮短看片準備時間，方便快捷，也提高了學生對金相學習的效率［2］。

圖3 金相互動系統安裝的軟件中的常用分析模塊

4）反饋系統：學生電腦端呼叫教師，及時詢問不理解的問題，及時溝通交流，大大提高教師的工作效率。

5）配置HP D7368照片打印機和計算機等，能打印出帶有成像清晰照片的檢驗報告，極大地提高了工作效率。

6）安裝IS100A金相圖像分析系統軟件。如圖3所示，IS100系列金相圖像分析系統采集圖像清晰，可以測量面積、周長、形狀因子、等效直徑、最大直徑、最小直徑等幾十種形態參數，可以按照指定倍率，實時顯示動態圖像［3］；可以用標準圖譜直接與屏幕上活動圖像進行比對評級。此外還配置常用分析模塊。

金相互動教學的目的在于激發學生的學習主動性和興趣，提高教學的生動性和互動性，提高學生的學習效率；能夠突出教學重點，及時突破課程難點，整合教育資源，增加課堂教學容量；最重要的是方便教師和學生使用，改善教學環境。

4 金相互動開放教學在金屬學實驗課程中的應用

新穎的教學過程 昆明理工大學材料科學與工程學院在金屬學課程教學中使用了金相互動教學方法，并取得良好的效果。教學過程如下：

1）在教師講解設備使用方法之后，學生各自使用顯微鏡觀察金相，通過電腦存取金相照片；

2）教師在學生使用顯微鏡觀察過程中，通過電腦服務器實時觀察、了解學生學習的過程，發現問題，及時進行指導；

3）學生在觀察完畢之后，相互自由交換討論，發現問題后可及時呼叫教師進行講解；

4）學生確定的金相照片統一在服務器顯示，由教師講解，發現問題或學生提問，可單獨放大照片，集體探討；

5）教師集合學生觀測所有照片，對應金相講解金屬成型過程，并延伸講解金屬性能對應的金相，期間學生可通過各自的麥克風提問，延展知識體系；

6）對教學課程之外的相關知識體系，若探討需要，可由教師通過服務器顯示于投影儀，并分別發送至每一臺學生電腦，讓每一名學生都能仔細觀察。

圖4 典型金屬材料的顯微組織

多元化的教學開放模式 金屬學課程實驗數目眾多，為使金相實驗室更好更全面地為廣大師生服務，材料學院金相實驗室開放的內容包括基礎實驗項目開放和綜合創新實驗開放兩個層面。

1）基礎實驗項目開放。對于基礎實驗項目，由于它是本專業學生必修課程，因此對低年級學生基礎能力的提高最為關鍵。首先由實驗室針對某一基礎實驗（如 表1所示），預選某種材料的鑄態及熱處理態樣品，由低年級學生自己磨制金相試樣，拋光、腐蝕、判斷組織，然后選擇參數拍照片。教師做完引導性講解后，實驗步驟如設備調試、操作、數據記錄都應由學生獨立完成。最后，每人完成一份內容不同的熱處理工藝和金相分析報告。

表1 基礎實驗

金相實驗有一定難度，步驟煩雜，一般包括試樣粗磨、精磨、拋光、侵蝕以及金相顯微鏡前觀察，每一步都關系到實驗的成敗。教師應及時糾正違反操作規程的實驗方法，嚴格規范操作，如試樣粗磨時要求表面平整；試樣精磨時要求每換一次砂紙，試樣均需旋轉90°，并用刷子刷凈試樣表面砂粒，而且只能均勻用力向前推磨，不能來回往返運動。教師指導實驗過程中，還要時常提醒學生不要只顧操作，要學會思考。比如試樣拋光時，引導學生思考怎樣才能使磨面達到鏡面？為什么要先在拋光盤外緣拋光，然后在盤上按圓形軌道劃動，最后才移到盤中央精拋？金相試樣制備好后，進行金相顯微鏡觀察是整個實驗的重點和難點，此時應指導學生在顯微鏡里尋找有代表性的顯微組織，分析各種金相組織的名稱及其組成比例，得到金相組織與熱處理之間的關系［4］。

在實驗中，一般4人一組，要求每位學生拿到不同的熱處理樣品，在金相互動條件下，對比鑄態和熱處理態組織的不同，從而推測正確的熱處理工藝。這些實驗使學生全面掌握金相組織與熱處理關系的理論知識，理解退火使鋼軟化、正火使鋼細化、淬火使鋼硬化、回火使鋼多性化的真正含義［5］。

此外，在研究生教學過程中，針對典型金屬材料，如圖4所示，還開發了先進鋼鐵材料專題，如對雙相不銹鋼材料（組織：鐵素體+奧氏體）及高強IV級（500 MPa））抗震鋼筋組織（組織：鐵素體+珠光體+少量貝氏體）的觀察，使學生掌握不同材料的金相處理方法，如拋光劑粒度的選擇、浸蝕劑的選取、浸蝕時間的把握，并掌握典型金屬材料組織特征，為今后課題的開展打下堅實的基礎。

2）綜合創新實驗開放。綜合創新實驗是教師根據材料學相關專業情況，設置一系列具有關鍵知識點的實驗項目使之串在一起，學生從中選擇一個課題來做。這種方式有利于學生發揮自主創新性，如表2所示。

表2 開放綜合創新實驗

基礎實驗室的開放與綜合設計創新實驗很好地融合，為材料基礎實驗室的擴大開放找到了比較好的運行機制［6］，即由高年級本科生帶教低年級本科生。高年級本科生也自認為是一次挑戰機會，因為他們要不斷思考和回答學弟、學妹提出來的問題，并要能夠很好地解釋實驗過程中的現象，排除實驗儀器的故障和修理，完善實驗方案。這樣一來，他們在創新能力和組織管理能力等方面都得到提升。

金相互動教學系統的教學及素質教育成果 金相互動教學在金屬學實驗課程中，依據設備的數量對學生分組授課。學生在課后反映良好，非常認同金相互動教學的方式，總結其良好效果，主要體現在三個方面。

1）學生積極、主動學習。互動聯通的平臺為學生創造了溝通交流的空間，也增加了學生的積極主動性，增強了學習的趣味性。

圖5 第四屆全國大學生金相技能大賽

2）擴展了課程的知識量。相互探討總能激發思維的碰撞，并產生新的問題，在新問題的提出、解決過程中，課程的知識量得以擴展。

3）鍛煉了學生的創新思維。學生由被動灌輸轉為主動發現問題，進而研究、拓展出新的思路和方法，這正是一個創新思維誕生的過程，學生樂此不疲。

同時，受2012年北京科技大學組織第一屆金相技能大賽的啟發，為進一步提高學生的綜合能力，特別是培養學生的創新意識，2015年10月，昆明理工大學材料學院主辦了“全國大學生金相技能大賽”，如圖5所示。參賽學生先制備標準金相試樣，通過磨拋、腐蝕等工序考查學生的動手能力，再到金相互動實驗室觀察分析，由評委確定最終成績。

昆明理工大學學生在此次比賽中獲得了團體第一的好成績。這一活動再次證明了金相互動教學模式大大增強了本專業學生的基本功，激發了學生的學習興趣和動力。

5 結論

金相互動教學是一種活躍的、互動的、開放的教學方式，它在金屬學實驗課程中發揮了積極的應用，可有效提高學生的學習積極性，強化自主創新的能力，增強教學質量。而且，在知識不斷更新的信息時代，金相互動教學的設備、方式等都需與時俱進，以課程的目的為出發點進行調整；授課教師也應積極更新知識，才能更好地發揮這個互動教學平臺的作用，更好地為提高大學生的綜合素質服務。■

［1］張燕鴻.多媒體技術在職業教育焊接專業教學中的應用［J］.中國教育技術裝備，2015（14）∶148-149.

［2］閆國棟，姜麗艷，劉艷，等.實踐教學儀器設備共享平臺的建設與管理［J］.中國教育技術裝備，2015（14）∶28-30.

［3］蘇紹璟，王躍科.工科研究生實驗教學精品課程建設實踐［J］.科技創新導報，2008（29）∶183-184.

［4］劉國福，李慧，熊艷.研究生課程“現代測試技術實驗”的教學改革實踐［J］.實驗室研究與探索，2014（1）∶211-213.

［5］劉曉峰，陳建華.開放性實驗室管理系統的開發與研究［J］.東北電力大學學報，2006（5）∶73-75.

［6］雷鳳蘭.談多媒體的個性化管理服務［J］.中國教育技術裝備，2015（14）∶35-36.

Application of Metallographic Interactive Teaching to Metallo graphy Experiment Course

SHI Xiaoli， CAO Jianchun， HU Jin，DUAN Yunbiao， TAN Songlin

Metallographic interactive teaching is used in metallo graphy experiment course， it can drastically improve the effi ciency and quality of experimental teaching， arouse student's enthusiasm of active learning， and have a profound impact for quality education of college students.

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G642

B

1671-489X（2016）10-0132-04

10.3969/j.issn.1671-489X.2016.10.132

*項目來源：昆明理工大學百門研究生核心課程“高等金屬學”（項目編號：10998100）。

作者：師曉莉，昆明理工大學材料科學與工程學院講師，研究方向為耐磨材料及復合材料；曹建春，通訊作者，昆明理工大學材料科學與工程學院教授，研究方向為先進鋼鐵材料；胡勁、段云彪、談松林，昆明理工大學材料科學與工程學院（650093）。