游曉暢

金屬材料具有良好的塑性和導(dǎo)電性，高強(qiáng)度等性能，在結(jié)構(gòu)材料和功能材料中均扮演著重要的角色，因此在人類社會(huì)各個(gè)轉(zhuǎn)型期起到了舉足輕重的作用。由于金屬材料涉及的知識(shí)點(diǎn)非常多，除化學(xué)成分外，內(nèi)部結(jié)構(gòu)和組織狀態(tài)也是決定金屬材料性能的重要因素。學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中不僅需要掌握金屬材料的微觀組織，還需要了解熱處理過程中的工藝過程。學(xué)生普遍反映金屬材料在學(xué)習(xí)過程中內(nèi)容抽象，理論繁雜，難以真正學(xué)通、學(xué)懂。為了幫助學(xué)生理解所學(xué)知識(shí)，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，教師采用“原位實(shí)驗(yàn)+仿真分析”等手段將金屬材料在一定程度上實(shí)現(xiàn)“可視化”，既加深了學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握，又使學(xué)生能夠了解到最新的科技前沿動(dòng)態(tài)，同時(shí)能夠?yàn)槲覈叨瞬牧袭a(chǎn)業(yè)發(fā)展提供人才保障。

絕大多數(shù)金屬材料及其合金具有優(yōu)良的鑄造、耐腐蝕、焊接等性能及較好的力學(xué)性能，廣泛應(yīng)用于航空航天、海洋裝備及核電等領(lǐng)域，金屬材料學(xué)科是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科，它的發(fā)展在一定程度上直接影響著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展水平。由于金屬材料設(shè)計(jì)的知識(shí)面非常廣泛，需要學(xué)生重點(diǎn)掌握金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu)、金屬凝固過程、相圖基本理論、塑性變形與再結(jié)晶、固態(tài)相變與擴(kuò)散、材料熱處理工藝過程、強(qiáng)化材料的基本工藝方法以及常用的金屬材料性能等內(nèi)容。金屬材料的化學(xué)成分不同，其性能千差萬別，對(duì)于同一成分的金屬材料，通過不同的加工處理工藝，改變材料內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)，也可以使其性能發(fā)生極大的變化。因此，除化學(xué)成分外，金屬的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和組織狀態(tài)也是決定金屬材料性能的重要因素。這就促使人們致力于金屬及其合金內(nèi)部結(jié)構(gòu)的研究，以尋求改善和發(fā)展金屬材料的途徑。對(duì)于專業(yè)教師來說，圍繞金屬材料組織、性能、加工處理方式三要素，重點(diǎn)闡述金屬微觀組織與宏觀性能之間的聯(lián)系，使學(xué)生充分了解金屬材料的研究方法與思路，從而可以為后續(xù)繼續(xù)深入學(xué)習(xí)奠定一定的理論基礎(chǔ)。但是教師在實(shí)際教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)，對(duì)于大部分尤其是初學(xué)者來說，金屬材料相關(guān)課程存在一定的難度，例如專業(yè)名詞多，公式推導(dǎo)復(fù)雜，部分章節(jié)與實(shí)驗(yàn)結(jié)合不緊密等問題，這些問題的存在使得學(xué)生學(xué)習(xí)困難，容易造成學(xué)習(xí)懈怠。所以如何將復(fù)雜的理論知識(shí)通過形象的手段展示給學(xué)生，對(duì)于教學(xué)質(zhì)量的提高至關(guān)重要。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，科學(xué)“可視化”越來越受到重視，該技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在醫(yī)學(xué)、地質(zhì)、大氣科學(xué)等領(lǐng)域，科研人員利用計(jì)算機(jī)建立視覺可視化，將復(fù)雜的科學(xué)問題轉(zhuǎn)化為易于大眾理解和感知的簡單問題。近年來隨著計(jì)算機(jī)軟件模擬仿真技術(shù)及實(shí)驗(yàn)設(shè)備儀器的不斷進(jìn)步，“可視化”教學(xué)過程進(jìn)一步深入到教育教學(xué)過程中，這也給金屬材料專業(yè)教師提出了更大的機(jī)會(huì)與挑戰(zhàn)，學(xué)生也可以借助一定的數(shù)值模擬技術(shù)及科研方法，通過仿真及實(shí)驗(yàn)手段實(shí)時(shí)觀察材料內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的變化，從而可以加深對(duì)書本理論內(nèi)容的理解，對(duì)于一些冗長復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)條件，可以借助于仿真手段對(duì)其材料性能參數(shù)進(jìn)行快速分析，可大量減少實(shí)驗(yàn)次數(shù)，節(jié)約時(shí)間成本，從這一點(diǎn)來看，“可視化”課程建設(shè)將發(fā)展為未來的主要趨勢。本文是基于現(xiàn)代教育技術(shù)助力金屬材料“可視化”的背景下，總結(jié)一些實(shí)際教育教學(xué)中的方法及典型案例，以期為教學(xué)中“可視化”技術(shù)的應(yīng)用提供幫助。

1.教學(xué)中學(xué)生普遍存在的問題

在金屬材料相關(guān)課程中，以金屬學(xué)與熱處理課程為例，學(xué)生在學(xué)習(xí)中普遍反映理論枯燥、難以理解、公式推導(dǎo)過程復(fù)雜乏味等，如構(gòu)件在熱處理過程與介質(zhì)之間進(jìn)行的熱傳遞，該過程滿足非穩(wěn)態(tài)微分方程，<H：＼科學(xué)大眾·智慧教育202205＼內(nèi)芯＼9.6-1.jpg>（1）

此公式中，各參數(shù)物理意義如下，ρ、c、t和T分別為密度、比熱容、時(shí)間、溫度，λ為熱傳導(dǎo)系數(shù)。由于學(xué)生對(duì)此類知識(shí)點(diǎn)理解不清，常常導(dǎo)致對(duì)于后續(xù)的課程內(nèi)容更加無法理解和掌握，從而失去了學(xué)習(xí)的興趣，導(dǎo)致惡性循環(huán)。加之大多數(shù)學(xué)生對(duì)此類公式無法深刻理解，短時(shí)間內(nèi)無法將所學(xué)知識(shí)加以運(yùn)用，無法深刻理解知識(shí)點(diǎn)背后的物理意義，從而無法真正理解科學(xué)研究的價(jià)值。

2.“可視化”教育教學(xué)方法探索

通過教育活動(dòng)中實(shí)際存在的問題，同時(shí)借助一些教學(xué)手段和方法，將典型的“教師教”逐步轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生的“啟發(fā)式學(xué)習(xí)”，在此過程中將教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行一定程度的“可視化”，在具體的教學(xué)活動(dòng)中，教師要注重發(fā)揮主導(dǎo)地位，引導(dǎo)學(xué)生獨(dú)立思考，提高學(xué)生分析問題、解決問題的能力?！翱梢暬苯虒W(xué)方法可以借助以下幾種方法，如動(dòng)畫及圖表、數(shù)值模擬分析技術(shù)、原位實(shí)驗(yàn)等。

（1）動(dòng)畫及圖表

目前采用多媒體教學(xué)輔助手段已經(jīng)成為教學(xué)活動(dòng)的普遍方法，作為多媒體教學(xué)方法之一的動(dòng)畫技術(shù)，有研究指出，采用動(dòng)畫的方式可以將學(xué)習(xí)效率提高30%左右，不僅能夠幫助學(xué)生理解所學(xué)的知識(shí)，還能夠使學(xué)生直觀感受到所學(xué)內(nèi)容，激發(fā)學(xué)習(xí)過程的興趣，更好地將所學(xué)內(nèi)容消化和吸收，避免以短期記憶的方式應(yīng)對(duì)考試。目前一些精美的動(dòng)畫已經(jīng)應(yīng)用到金屬材料教學(xué)過程中，如圖1所示，該模型反映了典型三種金屬晶體結(jié)構(gòu)的堆垛模型，三種晶體結(jié)構(gòu)分別為面心立方（fcc）、體心立方（bcc）以及密排六方（hcp）結(jié)構(gòu)，從原子模型簡化到鋼球模型，可以幫助學(xué)生更好地理解三種典型金屬材料中原子的堆垛次序，一方面由于堆垛順序的不同直接影響到晶體結(jié)構(gòu)的致密度不同，宏觀上反映為不同結(jié)構(gòu)的金屬力學(xué)性能不同，另一方面，堆垛順序不同影響到密排面與密排方向的差異，導(dǎo)致單晶金屬材料表現(xiàn)為各向異性。堆垛次序的不同也造成了晶格結(jié)構(gòu)的不同，從而出現(xiàn)了后續(xù)的固態(tài)相變，造成相變過程中體積的突變，例如工業(yè)純鐵在熱處理過程中，從常溫下α-鐵素體轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷叵碌摩?奧氏體結(jié)構(gòu)，即從體心立方轉(zhuǎn)化為面心立方結(jié)構(gòu)，因此體積會(huì)發(fā)生突變，對(duì)于不同晶體結(jié)構(gòu)的理解也會(huì)對(duì)后續(xù)擴(kuò)散過程的學(xué)習(xí)產(chǎn)生一定的影響。

除了典型的動(dòng)畫外，教學(xué)過程中大多也需要借助圖表來完成教學(xué)工作，圖表是利用大量的數(shù)據(jù)簡化而制作出的數(shù)據(jù)圖，反映了大量的線性與非線性的關(guān)系，從圖中我們可以清晰地看出各物理量或參數(shù)之間的直接關(guān)系，圖表教學(xué)具有直接性、可視化的優(yōu)點(diǎn)，因此在教學(xué)過程中得到了大量的運(yùn)用。如圖2所示，圖中示意了航空用7050鋁合金各平衡相成分與溫度的關(guān)系，從中我們就可以得到不同相與溫度之間的析出規(guī)律，從而更好地理解鋁合金固溶處理過程的強(qiáng)化方法與手段，生產(chǎn)中實(shí)際固溶過程需要加熱到大部分第二相溶入到Al基體中，所以該圖對(duì)于控制固溶處理的溫度也至關(guān)重要。

（2）視頻方法

金屬材料學(xué)科是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科，它的發(fā)展在一定程度上直接影響著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展水平。學(xué)校教育過程中，如何才能夠使學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際，深刻理解金屬材料相關(guān)學(xué)科背后的邏輯關(guān)系及本質(zhì)，對(duì)于提高學(xué)生的綜合素質(zhì)以及培養(yǎng)現(xiàn)代社會(huì)所需人才是至關(guān)重要的，也需要廣大的教育工作者積極探索教育教學(xué)過程的新方法。教師在教學(xué)過程中可以適當(dāng)?shù)牟シ乓曨l，使得學(xué)生可以從中更好了解到生產(chǎn)實(shí)際過程，無需親自走進(jìn)工廠，也能從中理解到所學(xué)的金屬材料相關(guān)知識(shí)與實(shí)際工程材料之間的聯(lián)系，從而明白為什么需要學(xué)好理論知識(shí)，增強(qiáng)學(xué)習(xí)知識(shí)的信心。另一方面，教師和學(xué)生通過觀看視頻也能了解到最新的行業(yè)發(fā)展動(dòng)態(tài)與方向，從而不斷更新自己的知識(shí)庫。一般情況下，教師在課堂上借助視頻教學(xué)之前，應(yīng)該先對(duì)本節(jié)課涉及的重要知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行講解，使學(xué)生對(duì)此有一定的初步認(rèn)識(shí)，能夠達(dá)到基本的理解程度，但必然存在某些知識(shí)點(diǎn)講解過程不夠具體形象，此時(shí)借助一定的視頻講解能夠幫助學(xué)生了解知識(shí)點(diǎn)，并掌握相關(guān)金屬材料在工程實(shí)際中的應(yīng)用情況，播放視頻同時(shí)還能緩解教師和學(xué)生的課堂疲勞，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，有利于對(duì)知識(shí)點(diǎn)的消化和吸收。

現(xiàn)階段，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷進(jìn)步以及網(wǎng)絡(luò)課程資源的不斷豐富，學(xué)生的學(xué)習(xí)不僅限于課堂的短短幾十分鐘，更多的時(shí)間學(xué)生可以借助網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行視頻學(xué)習(xí)，從而豐富了學(xué)生的學(xué)習(xí)手段與方法，真正地將學(xué)習(xí)從“教師教”轉(zhuǎn)變?yōu)椤皩W(xué)生學(xué)”的過程。

（3）數(shù)值模擬仿真技術(shù)

金屬材料涉及的知識(shí)點(diǎn)非常廣泛，不僅需要學(xué)生掌握金屬的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和組織狀態(tài)與其宏觀性能的關(guān)系，同時(shí)金屬材料相關(guān)學(xué)科也是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科，要求學(xué)生掌握一定的加工方法。在金屬材料中常用的加工方法包括鑄造、鍛壓、焊接等，構(gòu)件經(jīng)過加工后一般不能直接用于生產(chǎn)服役中，還需要經(jīng)過一定的熱處理工藝保證其組織性能滿足一定的要求。隨著仿真技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的工業(yè)化軟件走進(jìn)課堂，對(duì)專業(yè)教師提出了更高的要求，教師可以利用數(shù)值模擬軟件真正將金屬材料宏觀變形、組織演變、位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)等做到“可視化”，金屬宏觀變形過程是學(xué)生容易感知的，但是內(nèi)部晶粒變形、位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)等內(nèi)容就需要借助數(shù)值模擬技術(shù)，從而促進(jìn)教學(xué)效果的提升。如圖3所示，顯示了鋁合金變形過程中位錯(cuò)密度及晶粒尺寸演變規(guī)律。

3.“可視化”教學(xué)過程典型案例

金屬材料的熱處理工藝對(duì)于其組織和性能有直接的影響，鋼的熱處理工藝就是通過加熱、保溫和冷卻的方法改變鋼的組織結(jié)構(gòu)以獲得工件所要求性能的一種熱加工工藝。本文以一個(gè)實(shí)際案例說明數(shù)值模擬“可視化”在材料熱處理中的應(yīng)用。工件具體熱處理?xiàng)l件為首先550℃爐內(nèi)加熱0.5h，隨后在850℃進(jìn)行2h滲碳處理，之后在進(jìn)行20min油淬，隨后立即進(jìn)行30min280℃回火處理，最后經(jīng)過1h空冷至室溫，熱處理過程涉及步驟，工藝過程復(fù)雜，學(xué)生很難對(duì)其狀態(tài)有直觀的認(rèn)識(shí)，為了更好地提高教學(xué)質(zhì)量與效果，可以采取數(shù)值模擬加實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方法，如圖4所示，可以看出爐內(nèi)升溫過程中齒輪構(gòu)件溫度場的變化過程。圖5顯示了該構(gòu)件經(jīng)過850℃滲碳2h處理后，含碳量變化情況。圖6分別顯示了經(jīng)過空冷至室溫后，珠光體+貝氏體、馬氏體、回火鐵素體+滲碳體的含量。由此可見，教師在講解過程中可以借助數(shù)值模擬計(jì)算輔助教學(xué)過程，能夠幫助學(xué)生更直觀理解相應(yīng)知識(shí)點(diǎn)，從而減輕學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)。

除此之外，隨著原位電子顯微鏡在金屬材料中的大量使用，教師在教學(xué)過程中也可以借助于一定的實(shí)驗(yàn)手段，圖7為Zhangling等人進(jìn)行的原位壓縮實(shí)驗(yàn)，將位錯(cuò)的變化過程呈現(xiàn)給學(xué)生，使學(xué)生能夠直接觀察到位錯(cuò)塞積過程及產(chǎn)生的位錯(cuò)滑移現(xiàn)象，幫助學(xué)生更加深入理解位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

4.結(jié)語

學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中理解所學(xué)知識(shí)的程度對(duì)于教學(xué)過程的評(píng)價(jià)極其重要，同時(shí)能否做到理論與實(shí)際相結(jié)合關(guān)系到我國高端材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展所需人才保障的問題?；诖耍疚慕榻B了一些現(xiàn)代教育技術(shù)在金屬材料可視化中的應(yīng)用方法和案例，希望將“可視化”技術(shù)進(jìn)一步融入到課堂教學(xué)活動(dòng)中，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)金屬材料相關(guān)課程的興趣，提高學(xué)習(xí)效率，為金屬材料產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展奠定人才基礎(chǔ)。