基于數(shù)字圖像處理技術(shù)的金相實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與實(shí)踐

彭兆+史曉亮+吳超華+王玉伏+黃豐

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)金相實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足，提出了基于數(shù)字圖像處理技術(shù)，將傳統(tǒng)的金相組織觀察驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)提升為綜合型實(shí)驗(yàn)，從而對(duì)教學(xué)方式、教學(xué)內(nèi)容和考核方式進(jìn)行初步改革，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)積極性、創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力、動(dòng)手能力以及教學(xué)效果都有了顯著的提高。

關(guān)鍵詞：金相實(shí)驗(yàn)；數(shù)字圖像處理；金相組織分析；金相互動(dòng)系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2017）15-0268-03

金相實(shí)驗(yàn)是高等工科院校機(jī)械類專業(yè)和近機(jī)械類專業(yè)學(xué)生必須掌握的一門基本實(shí)驗(yàn)技能[1，2]。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)課堂講授工程材料的成分—組織—性能理論知識(shí)的理解掌握和靈活運(yùn)用。同時(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的基本實(shí)驗(yàn)技能、發(fā)現(xiàn)和分析解決實(shí)際問(wèn)題的能力[3，4]。通過(guò)金相實(shí)驗(yàn)加深對(duì)所學(xué)有關(guān)理論知識(shí)的理解，并進(jìn)一步驗(yàn)證理論知識(shí)點(diǎn)的正確性，從感性認(rèn)識(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)槔硇哉J(rèn)識(shí)，更重要的是使學(xué)生掌握如何改變材料的組織，進(jìn)而使其滿足機(jī)件性能要求的能力。

一、金相實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀分析

1.實(shí)驗(yàn)設(shè)備。金相實(shí)驗(yàn)室作為公共專業(yè)基礎(chǔ)課程實(shí)驗(yàn)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(jīng)歷了三代產(chǎn)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(jì)算機(jī)顯示器上很方便地適時(shí)觀察金相圖像，并可隨時(shí)捕捉記錄金相圖片，從而對(duì)金相圖譜進(jìn)行分析、評(píng)級(jí)等，還可以保存或打印出高像素金相照片。這樣的設(shè)備為學(xué)生實(shí)驗(yàn)提供了高效、快捷的操作，也可以讓學(xué)生真正地了解到實(shí)際工廠或者實(shí)驗(yàn)室用到的最新設(shè)備。

2.實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。一般傳統(tǒng)的教學(xué)中都包含了金相試樣制備技術(shù)和金相顯微鏡的使用，注重學(xué)生對(duì)材料組織的腐蝕、成像技術(shù)及各種儀器設(shè)備使用技術(shù)的掌握。觀察的金屬材料，大多數(shù)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(guò)共晶白口鑄鐵[5]，需要去驗(yàn)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(duì)于這些試樣的觀察非常簡(jiǎn)便，使得原本的2學(xué)時(shí)內(nèi)容在1學(xué)時(shí)多點(diǎn)就可以完成，這種驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)對(duì)于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。另外，先進(jìn)的觀察設(shè)備還有很多其他功能沒(méi)有充分發(fā)揮出來(lái)，這就需要結(jié)合新設(shè)備特性開(kāi)展有目的的變革實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，全面掌握金相檢驗(yàn)的基本知識(shí)，滿足應(yīng)用型人才的培養(yǎng)要求。

二、基于數(shù)字圖像處理技術(shù)的金相實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與實(shí)踐

正是由于金相組織觀察的設(shè)備提升，一些比較專業(yè)的觀測(cè)方法得以在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中實(shí)施。例如，實(shí)時(shí)的金相組織圖像交流、金相組織的鑒定等，都可以通過(guò)新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式來(lái)實(shí)現(xiàn)。結(jié)合數(shù)字圖像處理技術(shù)，對(duì)金相實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和方法進(jìn)行挖掘，將驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)變革成設(shè)計(jì)性、綜合性，乃至研究性的實(shí)驗(yàn)，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性。

1.引入數(shù)字圖像處理技術(shù)，提升教學(xué)手段。金相圖片是分析金屬材料微觀組織結(jié)構(gòu)的基本依據(jù)。隨著數(shù)字圖像處理技術(shù)的發(fā)展，金相圖片的作用越來(lái)越大，可用于新型材料的組成成分及產(chǎn)品的質(zhì)量檢測(cè)、金相組織特性的定量分析等。當(dāng)然對(duì)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(zhì)量要求越高。將數(shù)字圖像處理技術(shù)引入實(shí)驗(yàn)中，可為金相圖片的觀察帶來(lái)簡(jiǎn)便，讓學(xué)生了解到最新的金相分析手段。

（1）金相組織的相對(duì)量確定。原始的測(cè)定方法需要對(duì)金相圖片上的不同組織區(qū)域進(jìn)行尺寸測(cè)量，再用數(shù)學(xué)方法將組織的面積求解出來(lái)。圖像處理技術(shù)的引入可以通過(guò)圖片上的像素進(jìn)行組織的面積計(jì)算。組織的區(qū)域面積是由這一區(qū)域所包圍的像素?cái)?shù)量來(lái)決定的，只需要將采集到的金相圖像的像素?cái)?shù)轉(zhuǎn)化為相對(duì)應(yīng)的定量數(shù)據(jù)，也就是標(biāo)定出每個(gè)像素所代表的實(shí)際尺寸，最終就能將組織的面積計(jì)算出來(lái)，這些都可由計(jì)算機(jī)來(lái)完成，如圖2所示。這樣比傳統(tǒng)的測(cè)量方法更加精確，也更加的簡(jiǎn)便。

（2）金相圖像的增強(qiáng)。在實(shí)際實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，利用計(jì)算機(jī)和金相顯微鏡采集到的金相圖像會(huì)受到各種干擾，導(dǎo)致圖片質(zhì)量下降，不利于觀測(cè)。例如，在亞共析鋼材料中珠光體和鐵素體在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期服役以后，由于珠光體自身的不斷球化與分解，導(dǎo)致珠光體和鐵素體的邊界模糊不清，為了能夠準(zhǔn)確分辨需要對(duì)圖像進(jìn)行增強(qiáng)處理，如圖2中將原始圖像處理后的圖像識(shí)別更加清晰?；跀?shù)字圖像處理技術(shù)，增強(qiáng)處理的手段有：灰度變換、調(diào)整亮度與對(duì)比度、銳化處理等。利用這些技術(shù)使得金相圖像的質(zhì)量大幅度提升，為后期的定量金相測(cè)量和金相分析奠定了基礎(chǔ)。

2.擴(kuò)展知識(shí)面，增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐能力。學(xué)生在傳統(tǒng)的金相實(shí)驗(yàn)中，主要觀察的是常規(guī)組織，這顯然是不夠的。為了拓寬學(xué)生的視野和緊密聯(lián)系實(shí)際，可以從廣度和深度兩方面來(lái)加強(qiáng)學(xué)生的實(shí)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(shí)際生活中學(xué)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(wù)以外，還可以加入學(xué)生制備試樣環(huán)節(jié)，利用金相互動(dòng)[6，7]系統(tǒng)完成金相組織顯微鏡觀察及圖像拍照。通過(guò)互動(dòng)對(duì)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(xué)生積極向上的學(xué)習(xí)氛圍，同時(shí)單一的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)也轉(zhuǎn)變成了綜合性實(shí)驗(yàn)。

3.考核方式多樣化，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。金相實(shí)驗(yàn)是一門基礎(chǔ)課程實(shí)驗(yàn)，做實(shí)驗(yàn)的學(xué)生多。利用第三代金相顯微鏡組成了一套金相互動(dòng)系統(tǒng)，在互動(dòng)系統(tǒng)中利用數(shù)字圖像處理技術(shù)增加了實(shí)驗(yàn)的考核內(nèi)容，提高了學(xué)生的綜合素質(zhì)。構(gòu)建科學(xué)、合理的實(shí)驗(yàn)考核體系，可以全面掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)情況和實(shí)驗(yàn)技能，還能充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性?？己酥饕ǎ簳嫘问降膶?shí)驗(yàn)報(bào)告主要體現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)階段；在操作中，考核內(nèi)容比較多，例如操作金相顯微鏡是否規(guī)范、試樣組織的調(diào)節(jié)速度和質(zhì)量、拍攝金相圖像的質(zhì)量、金相組織的定量分析準(zhǔn)確性、互動(dòng)交流中的提問(wèn)等。借助于數(shù)字圖像處理技術(shù)，學(xué)生可以在圖片上標(biāo)記組織的結(jié)構(gòu)特征、辨識(shí)未知材料的金相組織或文字說(shuō)明分析，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)提交給教師，教師對(duì)每個(gè)學(xué)生的操作過(guò)程評(píng)閱打分，如圖3所示。通過(guò)這些多樣化的考核形式激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)鍛煉了其動(dòng)手能力、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。

三、結(jié)語(yǔ)

在金相互動(dòng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，發(fā)揮數(shù)字圖像處理技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，大大提升了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)積極性。在對(duì)教學(xué)方式、教學(xué)內(nèi)容和考核方式等全面改革后，舊的金相實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)不飽滿問(wèn)題得以解決，提升了課堂的師生互動(dòng)性，學(xué)生的實(shí)踐技能加強(qiáng)了，知識(shí)面得到了拓寬，實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果較以往大為提高。

金相實(shí)驗(yàn)技術(shù)是機(jī)械類學(xué)生必須掌握的一門基本實(shí)驗(yàn)技能。隨著技術(shù)的發(fā)展，將數(shù)字圖像處理技術(shù)引入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)手段中，完善了實(shí)驗(yàn)課教學(xué)，進(jìn)一步提高了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技術(shù)能力，對(duì)于培養(yǎng)高素質(zhì)的工程技術(shù)人才具有重要意義。

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