基于數字圖像處理技術的金相實驗教學改革與實踐

彭兆+史曉亮+吳超華+王玉伏+黃豐

摘要：針對傳統金相實驗教學的不足，提出了基于數字圖像處理技術，將傳統的金相組織觀察驗證性實驗提升為綜合型實驗，從而對教學方式、教學內容和考核方式進行初步改革，學生的實驗積極性、創新設計能力、動手能力以及教學效果都有了顯著的提高。

關鍵詞：金相實驗；數字圖像處理；金相組織分析；金相互動系統

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）15-0268-03

金相實驗是高等工科院校機械類專業和近機械類專業學生必須掌握的一門基本實驗技能[1，2]。通過實驗，加強學生對課堂講授工程材料的成分—組織—性能理論知識的理解掌握和靈活運用。同時，培養學生的基本實驗技能、發現和分析解決實際問題的能力[3，4]。通過金相實驗加深對所學有關理論知識的理解，并進一步驗證理論知識點的正確性，從感性認識轉變為理性認識，更重要的是使學生掌握如何改變材料的組織，進而使其滿足機件性能要求的能力。

一、金相實驗教學的現狀分析

1.實驗設備。金相實驗室作為公共專業基礎課程實驗室在各大高校都有，主要是以觀察金屬材料的金相組織為目的，所以金相顯微鏡是必配裝置，主要經歷了三代產品如圖1，第一代江南儀器的XPT-7型單目偏光顯微鏡，第二代上海炳宇4XB型單目倒置金相顯微鏡，第三代上海蔡康4XCE電腦型三目倒置金相顯微鏡，既可人工觀察金相圖像，又可以在計算機顯示器上很方便地適時觀察金相圖像，并可隨時捕捉記錄金相圖片，從而對金相圖譜進行分析、評級等，還可以保存或打印出高像素金相照片。這樣的設備為學生實驗提供了高效、快捷的操作，也可以讓學生真正地了解到實際工廠或者實驗室用到的最新設備。

2.實驗教學內容。一般傳統的教學中都包含了金相試樣制備技術和金相顯微鏡的使用，注重學生對材料組織的腐蝕、成像技術及各種儀器設備使用技術的掌握。觀察的金屬材料，大多數都是純鐵、20鋼、45鋼、60鋼、T8鋼、T12鋼、亞共晶白口鑄鐵、共晶白口鑄鐵和過共晶白口鑄鐵[5]，需要去驗證一下這些典型材料的金相組織。采用了新金相顯微鏡后，對于這些試樣的觀察非常簡便，使得原本的2學時內容在1學時多點就可以完成，這種驗證性實驗對于激發學生的學習熱情是遠遠不夠的。另外，先進的觀察設備還有很多其他功能沒有充分發揮出來，這就需要結合新設備特性開展有目的的變革實驗教學內容，激發學生的學習興趣，全面掌握金相檢驗的基本知識，滿足應用型人才的培養要求。

二、基于數字圖像處理技術的金相實驗教學改革與實踐

正是由于金相組織觀察的設備提升，一些比較專業的觀測方法得以在實驗教學中實施。例如，實時的金相組織圖像交流、金相組織的鑒定等，都可以通過新的實驗教學模式來實現。結合數字圖像處理技術，對金相實驗內容和方法進行挖掘，將驗證性的實驗變革成設計性、綜合性，乃至研究性的實驗，充分調動學生學習的主動性和積極性。

1.引入數字圖像處理技術，提升教學手段。金相圖片是分析金屬材料微觀組織結構的基本依據。隨著數字圖像處理技術的發展，金相圖片的作用越來越大，可用于新型材料的組成成分及產品的質量檢測、金相組織特性的定量分析等。當然對于定量分析的精度要求越高，也就意味著利用金相顯微鏡采集的圖片質量要求越高。將數字圖像處理技術引入實驗中，可為金相圖片的觀察帶來簡便，讓學生了解到最新的金相分析手段。

（1）金相組織的相對量確定。原始的測定方法需要對金相圖片上的不同組織區域進行尺寸測量，再用數學方法將組織的面積求解出來。圖像處理技術的引入可以通過圖片上的像素進行組織的面積計算。組織的區域面積是由這一區域所包圍的像素數量來決定的，只需要將采集到的金相圖像的像素數轉化為相對應的定量數據，也就是標定出每個像素所代表的實際尺寸，最終就能將組織的面積計算出來，這些都可由計算機來完成，如圖2所示。這樣比傳統的測量方法更加精確，也更加的簡便。

（2）金相圖像的增強。在實際實驗過程中，利用計算機和金相顯微鏡采集到的金相圖像會受到各種干擾，導致圖片質量下降，不利于觀測。例如，在亞共析鋼材料中珠光體和鐵素體在經過長期服役以后，由于珠光體自身的不斷球化與分解，導致珠光體和鐵素體的邊界模糊不清，為了能夠準確分辨需要對圖像進行增強處理，如圖2中將原始圖像處理后的圖像識別更加清晰。基于數字圖像處理技術，增強處理的手段有：灰度變換、調整亮度與對比度、銳化處理等。利用這些技術使得金相圖像的質量大幅度提升，為后期的定量金相測量和金相分析奠定了基礎。

2.擴展知識面，增強學生的實踐能力。學生在傳統的金相實驗中，主要觀察的是常規組織，這顯然是不夠的。為了拓寬學生的視野和緊密聯系實際，可以從廣度和深度兩方面來加強學生的實踐能力。廣度是增加觀察材料的種類，例如增加典型合金、不銹鋼、銅及銅合金、鋁及鋁合金、鈦及鈦合金等實際生活中學生熟悉的常用材料[2]。深度是指除了基本的金相組織觀察與分析任務以外，還可以加入學生制備試樣環節，利用金相互動[6，7]系統完成金相組織顯微鏡觀察及圖像拍照。通過互動對比，既多方面了解不同材料的組織形貌，加深記憶，又比較各自的操作水平，提高了學生積極向上的學習氛圍，同時單一的驗證性實驗也轉變成了綜合性實驗。

3.考核方式多樣化，提高學生的綜合素質。金相實驗是一門基礎課程實驗，做實驗的學生多。利用第三代金相顯微鏡組成了一套金相互動系統，在互動系統中利用數字圖像處理技術增加了實驗的考核內容，提高了學生的綜合素質。構建科學、合理的實驗考核體系，可以全面掌握學生的學習情況和實驗技能，還能充分調動學生的積極性。考核主要包括：書面形式的實驗報告主要體現在實驗預習階段；在操作中，考核內容比較多，例如操作金相顯微鏡是否規范、試樣組織的調節速度和質量、拍攝金相圖像的質量、金相組織的定量分析準確性、互動交流中的提問等。借助于數字圖像處理技術，學生可以在圖片上標記組織的結構特征、辨識未知材料的金相組織或文字說明分析，在規定時間內提交給教師，教師對每個學生的操作過程評閱打分，如圖3所示。通過這些多樣化的考核形式激發了學生的學習興趣，同時鍛煉了其動手能力、分析問題和解決問題的能力。

三、結語

在金相互動系統的基礎上，發揮數字圖像處理技術的優勢，大大提升了學生的實驗積極性。在對教學方式、教學內容和考核方式等全面改革后，舊的金相實驗學時不飽滿問題得以解決，提升了課堂的師生互動性，學生的實踐技能加強了，知識面得到了拓寬，實驗教學效果較以往大為提高。

金相實驗技術是機械類學生必須掌握的一門基本實驗技能。隨著技術的發展，將數字圖像處理技術引入到實驗教學內容、教學方法、教學手段中，完善了實驗課教學，進一步提高了學生的實驗技術能力，對于培養高素質的工程技術人才具有重要意義。

參考文獻：

[1]馬杰，王長征，黃寶旭，等.金相實驗教學改革及實驗技術能力提升探索[J].考試周刊，2015，（77）：11.

[2]葛利玲.“金相顯微技術”課程改革與實踐[J].實驗技術與管理，2015，32（2）：197-200.

[3]王麗，周玲，尹麗丹，等.創新型實踐教學在大學生能力培養中的作用[J].實驗室研究與探索，2013，（3）：143-146.

[4]馬杰，王長征，黃寶旭，等.金屬材料工程專業金相實驗技術能力提升與改革實踐[J].新校園：上旬刊，2015，（12）：45.

[5]王志剛，井敏，孫德明，等.“金相檢驗技術”教學改革與實踐探討[J].實驗室科學，2013，16（4）：41-42.

[6]劉長虹，艾云龍，鄧克明.基于多媒體顯微互動系統的金相實驗教學的改革[J].實驗技術與管理，2008，25（5）：89-91.

[7]高圓，席生岐，范傳偉，等.信息技術在金相實驗教學中的應用[J].中國現代教育裝備，2014，（21）：14-16.