光学金相技术课程实践教学的建设

艾　茹，宗　斌，王金淑，王二平，魏建忠

(北京工业大学材料学院，北京　100022)

摘  要：学科内涵决定了课程体系中不同课程之间的关联、架构，不仅在搭建专业基础理论课程体系中，而且对于构建相应的实践教学环节，以及学生在有关实践课程的学习、训练过程环节中领会基础实验技术的地位、作用非常有价值。光学金相技术是材料科学与工程学科建设总体规划中实践教学部分的一个环节，其在规划、建设以及发展过程中，应该自觉寻找在学科内涵中的位置。

关键词：材料科学与工程；内涵；光学金相技术；实践教学

1　引　言

本科专业教育过程中，课程之间缺乏关联介绍的事实是一件必须关注并予以解决的任务。在构建实践教学课程大纲、项目以及运作的过程中，如何抓住学科内涵的指导作用，以克服现在常见的弊病是一项不容忽视的任务。光学金相技术是一门独立课程，但在许多与之相关课程的运作过程中都需要运用到金相技术。这就为课程自身以及相关教学环节过程中渗透学科内涵的指导意义创造了条件。

2　材料科学与工程学科的组成要素

2.1　4要素模型

材料科学的核心问题可以归纳为：材料的合成与制备、组成与结构、性能以及应用与效能及其相互关系，又被称为材料科学中的4要素。材料科学便是研究这4方面的问题，特别是他们之间相互关系的科学。这4者之间是错综复杂地联系在一起的，可以用一个简单的四角锥体来表示，如图1(a)所示。

   (a)　四角锥体关系图　　   　(b)　5要素构成的六面体关系图

图1　材料科学与工程学科的内涵

2.2　5要素模型

考虑到结构与成分并不是一回事，同样成分的材料因处理方法不同，可得出不同结构的材料，从而导致性能与使用效能并不一样。因此，师昌绪院士提出，应将成分、合成与加工、结构、性能以及使用效能这5者视为材料科学与工程的5个要素，把它们连接在一起，组成一个6面体，如图1(b)所示。理论及材料与工艺设计位于6面体的中心，它直接和其他5个要素相连，表明它的中心地位。

在4要素以及5要素模型中，都将结构列为一个基本要素，而光学金相技术对于结构认识的作用是毋庸置疑的；这对于认识金相技术在课程体系中的位置、作用极其重要。

3　光学金相实验技术的教学实践

为培养学生的科学试验及理论联系实践的能力，除一般基础理论课、公共必修专业基础课以外，北京工业大学材料学院还开设有实验平台课，光学金相技术课程是其中之一。通过光学金相技术实践掌握的基本实验技能是整个课程体系中许多课程运作的基础条件，比如，材料科学基础课所有配套的实验需要掌握金相显微镜的操作；材料工程基础综合实验课中需要掌握金相分析的全过程；更不要说到了毕业设计阶段，对于很多同学，基本的光学金相技术会伴随始终。

3.1　光学金相技术的作用、地位

光学金相技术，是材料专业学生必须掌握的专业基础实验方法，也是金属材料研究和工业检验常用的方法。同时，金相技术不仅仅应用于金属材料，对于非金属的岩相样品，某些硬塑料的样品，甚至玻璃、木材的一些基本的样品制备技术、观察手段都是通用的。

结构，是组成材料科学与工程学科中4个(或5个)基本要素之一；借助光学金相技术，可以了解材料的显微组织，也就是微观结构，为进一步研究、分析作基础性的工作，在生产实践中是控制产品质量和监测与改进工艺的重要常规试验方法之一；是沟通成分、制备以及性能之间关联的重要环节，对于改进材料的制备、性能起到关键的作用。这就确认了金相技术在学科建设以及实践教学环节中重要位置、地位。同时，也明确了光学金相技术与学科建设中其他课程之间的关联性。

3.2　课程的学期安排

光学金相技术我们是单独设课，称为光学分析实验。虽然这门课程对于很深的专业基础理论没有必然的要求，但是还是不适合在低年级公共基础课阶段设置。在第3学期开设《材料科学与工程学导论》(国家级精品课程)，第5学期开设《材料科学基础》课程后，就可以考虑开设；但是，由于实验室还要承担毕业设计阶段大量的开放工作，时间、人员安排上存在问题，不能放在偶数学期，必需错开。因此，决定在第5学期开设，与《材料科学基础》课程并行。

《光学金相技术》课程结束后的第6学期，开设的课程中包括：《现代分析方法》、《材料工程基础综合实验》。这些课程或多或少必须要运用到金相技术。

3.3　《光学金相技术》教学模块的特点

课程的具体运作也必须考虑如何在学科内涵的指导下开展具体的工作，运用到课程本身的实践中。

(1)关注第1节课的重要性。必须明确告知学生学科的内涵与课程体系建设的关系，《光学金相技术》课程的作用、地位。

(2)我们对于要素模型进行了一些简化。6面体模型性质与效能之间的感觉偏远，没有一条棱边相连，顺畅性不是很好。

所以，我们在实际教学过程中，考虑构建新的5面体模型，如图2所示，这样，更简洁、直观。

图2　金字塔模型

随后，对于每个分立的实验环节注意关注在整个光学分析技术过程中的地位、次序，随时提醒学生要主动联系单独开设实验之间的关联。

最后，课程实际运作要注意搭建一个综合性、设计性的实验，使学生在实际检验过程中认识金相技术中的各个独立的技术环节在《金相技术分析》本身以及专业学习、研究过程中的位置、作用；深刻体会学科内涵以及课程设置的意义。

3.4　材料设计与环境意识

如果考虑环境意识在现代科技中的重视程度，材料科学与工程学科的内涵还可以进一步拓展，需要增加环境和谐的理念，如图3所示；那么，材料的效能必须保证是对环境危害最低的情况下获得的。这是未来发展必须涉及的问题，是材料工作者的责任。我们在实践教学环节有意识地渗透节约、环保的理念，在一切细小的环节逐步培养。比如，注意节约水、电，提高技术以节约耗材；离开实验室前进行充分的整理、恢复，保持一个良好的工作环境等。

图3　材料与持续发展的关系

3.5　金相技术在其他教学环节的应用

(1)材料工程基础综合实验实践教学中有一个综合实验“铝合金制备、加工及改性”，其中的有关实验项目包括：铝合金的熔炼、铸锭与固溶-时效处理、铝合金轧制工艺、铝合金金相组织的观察及力学性能测定等。

对于涉及金相组织检验部分的实验，我们最关注学生是否了解本次实验在整个综合实验中的地位、作用，实验过程中需要注意的工作方法，然后才是具体的技术操作内容。通过相应的金相显微组织的检验，了解材料、工艺、性能之间关系的基础问题。

(2)《材料科学基础》课程是专业主干课之一，各类热处理条件下金属的显微组织观察实验是很普遍的。为了使学生更深刻、感性地理解基础理论，我们应用学科要素的提示，参考“唯成分论”、“组织决定一切”的思想引导学生建立显微组织与材料学科其他要素的关联。

“唯成分论”，是指所有的合金材料都是由其组元组成的，它在很大程度上决定了合金的各种基本组织和构成；而每一种组织及构成都对应着与之相应的性能，这就是所谓的“组织决定一切”，它是材料科学与工程学科基本要素的最佳阐释。通过显微组织观察实验，建立成分、工艺以及显微组织之间的关联。

随着现代分析测试技术的不断进步，许多光学分析无法完成的项目得以实现。不过，在进行进一步分析之前，还是需要首先完成最初步的光学分析环节的工作。

还有，当本科4年级学生进入毕业设计阶段后，需要进行金相样品的制备及显微组织观察。如何开展实验，分析、采用结果、数据，没有一个明确的指导思想就会是盲目的。学科内涵对于显微组织分析、应用，指导试验，有着不可替代的作用。

4　结束语

任何一个课程体系的建设、完善，有赖于每门课程、每个章节、每个实验的建设、完善。实践环节的每件细微的具体任务都是不可或缺的基石。在参考有关经验[9]的基础上，自觉应用材料科学与工程学科的内涵来建设学科实践教学体系、课程，可谓事半功倍。