金相互动开放教学在金属学实验课程中的应用

　　中图分类号：G642 文献标识码：B

　　文章编号：1671-489X（2016）10-0132-04

　　Application of Metallographic Interactive Teaching to Metallo-graphy Experiment Course//SHI Xiaoli， CAO Jianchun， HU Jin， DUAN Yunbiao， TAN Songlin

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

　　Key words metallographic interactive teaching； metallography； experiment course

　　1 引言

　　金属学是一门综合性、实践性和复杂性相结合的课程。其综合性是指学科内容知识面广泛，从金属凝固过程到性能，并涉及物理、化学等跨学科知识；实践性是指课程的内容需要在实践应用中熟悉掌握；复杂性是指涉及领域多，变量大，内容繁杂[1]。在金属学课程教学中，需要让学生知其然并知其所以然，所以在教学过程中，开放互动的实践教学至关重要，可引导学生自主思考，主动解决问题，并提供相互探讨的空间，提高学生对知识的理解和领悟。

　　金相互动教学就是金属学课程中开放互动实践教学的重要内容之一，通过现代通信和科技手段，人为创造主动、互动的教学环境，能良好地达到教学目的，并提高学生的自主研究能力。昆明理工大学材料科学与工程学院在金属学实验教学中使用了金相互动教学方法，取得了良好的效果。尤其在研究生高等金属学的教学过程中，在基础三实验的基础上，利用金相互动开放系统，还开发了先进钢铁材料专题、综合性实验等实践性更强的教学环节，使学生的动手及分析解决问题能力大大提高。

　　2 传统金相教学

　　如图1所示，在传统金相教学中，教师先讲授金相结构的特点和原理，再由学生各自使用显微镜观察不同的金相结构，并与教师讲授的内容一一验证，而学习各种金相知识。这种方式存在以下几个主要问题：

　　1）学生每次观察的金相样品数量有限，决定了所学知识有限；

　　2）学生与教师之间互动较少，教师没有时间为每一个学生单独讲解，更多依靠学生的学习能力和自觉性；

　　3）学生之间的互动较少，除了两三人的小团队相互探讨之外，多是独自研习；

　　4）由于能够进行金相照片采集处理的显微镜数量有限，因此，学生获得并保存金相组织照片需要时间过长，不利于提高学习效率。

　　因此，传统的金相教学不利于学生的主动研习和探讨交流，特别是在实验教学阶段，需要更深入的理解和探讨。学生往往也很需要这种条件，而金相互动教学可以达到这种目的。

　　3 金相互动开放教学系统

　　金相互动教学系统如图2所示。它是建立在多媒体网络教室基础上的一对多互动式分析系统，集显微镜、图像分析、照相、网络、中枢控制于一体的现代化教学系统，主要有以下几个特点。

　　1）一对多系统：由1台教师用的连接电脑服务器的OPTON AXIOPHOT显微镜和20台学生用计算机以及20台学生用显微镜组成，教师用服务器可看到任意学生电脑显示的金相照片，任何学生均可通过电脑联系教师。

　　2）集中讨论系统：教师用电脑服务器连接投影仪，可同时显示20台学生电脑显示的金相照片，并可放大任意照片于投影仪显示，方便集体学习和讨论。

　　3）学生互动研习系统：学生用的每一台显微镜均有独立电脑连接，金相照片显示便捷，学生之间可随意相互交流，缩短看片准备时间，方便快捷，也提高了学生对金相学习的效率[2]。

　　4）反馈系统：学生电脑端呼叫教师，及时询问不理解的问题，及时沟通交流，大大提高教师的工作效率。

　　5）配置HP D7368照片打印机和计算机等，能打印出带有成像清晰照片的检验报告，极大地提高了工作效率。

　　6）安装IS100A金相图像分析系统软件。如图3所示，IS100系列金相图像分析系统采集图像清晰，可以测量面积、周长、形状因子、等效直径、最大直径、最小直径等几十种形态参数，可以按照指定倍率，实时显示动态图像[3]；可以用标准图谱直接与屏幕上活动图像进行比对评级。此外还配置常用分析模块。

　　金相互动教学的目的在于激发学生的学习主动性和兴趣，提高教学的生动性和互动性，提高学生的学习效率；能够突出教学重点，及时突破课程难点，整合教育资源，增加课堂教学容量；最重要的是方便教师和学生使用，改善教学环境。

　　4 金相互动开放教学在金属学实验课程中的应用

　　新颖的教学过程 昆明理工大学材料科学与工程学院在金属学课程教学中使用了金相互动教学方法，并取得良好的效果。教学过程如下：

　　1）在教师讲解设备使用方法之后，学生各自使用显微镜观察金相，通过电脑存取金相照片；

　　2）教师在学生使用显微镜观察过程中，通过电脑服务器实时观察、了解学生学习的过程，发现问题，及时进行指导； 　　3）学生在观察完毕之后，相互自由交换讨论，发现问题后可及时呼叫教师进行讲解；

　　4）学生确定的金相照片统一在服务器显示，由教师讲解，发现问题或学生提问，可单独放大照片，集体探讨；

　　5）教师集合学生观测所有照片，对应金相讲解金属成型过程，并延伸讲解金属性能对应的金相，期间学生可通过各自的麦克风提问，延展知识体系；

　　6）对教学课程之外的相关知识体系，若探讨需要，可由教师通过服务器显示于投影仪，并分别发送至每一台学生电脑，让每一名学生都能仔细观察。

　　多元化的教学开放模式 金属学课程实验数目众多，为使金相实验室更好更全面地为广大师生服务，材料学院金相实验室开放的内容包括基础实验项目开放和综合创新实验开放两个层面。

　　1）基础实验项目开放。对于基础实验项目，由于它是本专业学生必修课程，因此对低年级学生基础能力的提高最为关键。首先由实验室针对某一基础实验（如表1所示），预选某种材料的铸态及热处理态样品，由低年级学生自己磨制金相试样，抛光、腐蚀、判断组织，然后选择参数拍照片。教师做完引导性讲解后，实验步骤如设备调试、操作、数据记录都应由学生独立完成。最后，每人完成一份内容不同的热处理工艺和金相分析报告。

　　金相实验有一定难度，步骤烦杂，一般包括试样粗磨、精磨、抛光、侵蚀以及金相显微镜前观察，每一步都关系到实验的成败。教师应及时纠正违反操作规程的实验方法，严格规范操作，如试样粗磨时要求表面平整；试样精磨时要求每换一次砂纸，试样均需旋转90°，并用刷子刷净试样表面砂粒，而且只能均匀用力向前推磨，不能来回往返运动。教师指导实验过程中，还要时常提醒学生不要只顾操作，要学会思考。比如试样抛光时，引导学生思考怎样才能使磨面达到镜面？为什么要先在抛光盘外缘抛光，然后在盘上按圆形轨道划动，最后才移到盘中央精抛？金相试样制备好后，进行金相显微镜观察是整个实验的重点和难点，此时应指导学生在显微镜里寻找有代表性的显微组织，分析各种金相组织的名称及其组成比例，得到金相组织与热处理之间的关系[4]。

　　在实验中，一般4人一组，要求每位学生拿到不同的热处理样品，在金相互动条件下，对比铸态和热处理态组织的不同，从而推测正确的热处理工艺。这些实验使学生全面掌握金相组织与热处理关系的理论知识，理解退火使钢软化、正火使钢细化、淬火使钢硬化、回火使钢多性化的真正含义[5]。

　　此外，在研究生教学过程中，针对典型金属材料，如图4所示，还开发了先进钢铁材料专题，如对双相不锈钢材料（组织：铁素体+奥氏体）及高强IV级（500 MPa））抗震钢筋组织（组织：铁素体+珠光体+少量贝氏体）的观察，使学生掌握不同材料的金相处理方法，如抛光剂粒度的选择、浸蚀剂的选取、浸蚀时间的把握，并掌握典型金属材料组织特征，为今后课题的开展打下坚实的基础。

　　2）综合创新实验开放。综合创新实验是教师根据材料学相关专业情况，设置一系列具有关键知识点的实验项目使之串在一起，学生从中选择一个课题来做。这种方式有利于学生发挥自主创新性，如表2所示。

　　基础实验室的开放与综合设计创新实验很好地融合，为材料基础实验室的扩大开放找到了比较好的运行机制[6]，即由高年级本科生带教低年级本科生。高年级本科生也自认为是一次挑战机会，因为他们要不断思考和回答学弟、学妹提出来的问题，并要能够很好地解释实验过程中的现象，排除实验仪器的故障和修理，完善实验方案。这样一来，他们在创新能力和组织管理能力等方面都得到提升。

　　金相互动教学系统的教学及素质教育成果 金相互动教学在金属学实验课程中，依据设备的数量对学生分组授课。学生在课后反映良好，非常认同金相互动教学的方式，总结其良好效果，主要体现在三个方面。

　　1）学生积极、主动学习。互动联通的平台为学生创造了沟通交流的空间，也增加了学生的积极主动性，增强了学习的趣味性。

　　2）扩展了课程的知识量。相互探讨总能激发思维的碰撞，并产生新的问题，在新问题的提出、解决过程中，课程的知识量得以扩展。

　　3）锻炼了学生的创新思维。学生由被动灌输转为主动发现问题，进而研究、拓展出新的思路和方法，这正是一个创新思维诞生的过程，学生乐此不疲。

　　同时，受2012年北京科技大学组织第一届金相技能大赛的启发，为进一步提高学生的综合能力，特别是培养学生的创新意识，2015年10月，昆明理工大学材料学院主办了“全国大学生金相技能大赛”，如图5所示。参赛学生先制备标准金相试样，通过磨抛、腐蚀等工序考查学生的动手能力，再到金相互动实验室观察分析，由评委确定最终成绩。

　　昆明理工大学学生在此次比赛中获得了团体第一的好成绩。这一活动再次证明了金相互动教学模式大大增强了本专业学生的基本功，激发了学生的学习兴趣和动力。

　　5 结论

　　金相互动教学是一种活跃的、互动的、开放的教学方式，它在金属学实验课程中发挥了积极的应用，可有效提高学生的学习积极性，强化自主创新的能力，增强教学质量。而且，在知识不断更新的信息时代，金相互动教学的设备、方式等都需与时俱进，以课程的目的为出发点进行调整；授课教师也应积极更新知识，才能更好地发挥这个互动教学平台的作用，更好地为提高大学生的综合素质服务。

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