“材料分析方法”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)建設(shè)及應(yīng)用

曹 靜，于 巖，李凌云，王 晨

“材料分析方法”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)建設(shè)及應(yīng)用

曹 靜，于 巖，李凌云，王 晨

（福州大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，福建 福州 350108）

福州大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院通過建設(shè)材料分析方法虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，充分利用其安全、高效、綠色環(huán)保等特點(diǎn)，為學(xué)生提供反復(fù)學(xué)習(xí)、多次練習(xí)、接近真實(shí)的操作體驗(yàn)。在虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)中,合理設(shè)計(jì)交互操作動作，嵌入多樣化數(shù)據(jù)及夸張的動畫效果，科學(xué)設(shè)置評價方式及實(shí)驗(yàn)要求，并采用“虛實(shí)結(jié)合”的教學(xué)方法，使材料分析方法實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量顯著提高，有助于提高學(xué)生的動手能力、科研能力和綜合素質(zhì)，為提高本科教育質(zhì)量和人才培養(yǎng)質(zhì)量做出重要貢獻(xiàn)。

材料分析方法；虛擬仿真；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

材料分析方法是材料學(xué)及其相關(guān)專業(yè)的核心課程，在本科人才培養(yǎng)中起著重要作用。作為一門建立在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上的課程，該課程需配套開出相關(guān)內(nèi)容的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。以我校材料科學(xué)與工程學(xué)院為例，根據(jù)材料分析方法理論課內(nèi)容，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目涉及掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡、X射線光電子能譜儀、X射線衍射儀、紅外光譜儀、熱重分析儀等大型精密儀器的操作。在過去傳統(tǒng)的教學(xué)模式下，該課程的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)受到很多制約，可提供給學(xué)生動手操作的機(jī)會較少，學(xué)生對相關(guān)知識的理解停留在較抽象的理論水平，動手能力、解決問題的能力等均無法得到有效提高，教學(xué)效果不盡人意。尤其近年來，隨著一流本科教學(xué)要求的提出，對實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)質(zhì)量提出了更高要求，因此材料分析方法實(shí)驗(yàn)課程的改革勢在必行。

1 材料分析方法課程中實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問題

受到大型精密儀器設(shè)備成本及臺套數(shù)等制約，在傳統(tǒng)教學(xué)過程中，材料分析方法實(shí)驗(yàn)教學(xué)暴露出較多問題，主要表現(xiàn)為以下幾個方面。

1.1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容受限

大型精密儀器的操作相對復(fù)雜，需要投入較多的時間和精力去學(xué)習(xí)相關(guān)原理、熟悉儀器操作，但這些設(shè)備均為較貴重的儀器設(shè)備，操作注意事項(xiàng)較多，操作不慎易導(dǎo)致儀器故障或損壞，因此在傳統(tǒng)教學(xué)過程中，為了保證設(shè)備正常運(yùn)行，同時受時間和場地等限制，教師在設(shè)置實(shí)驗(yàn)內(nèi)容時均有較多顧慮，例如對于紅外光譜的測試，在科研或?qū)嶋H應(yīng)用中，樣品的狀態(tài)有多種，測試時應(yīng)結(jié)合樣品情況選擇不同的制樣方法，并根據(jù)樣品狀態(tài)選擇不同的測試模式。而由于種種限制，目前大多數(shù)高校在該項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，僅介紹溴化鉀壓片法和相應(yīng)的透過測試模式，導(dǎo)致學(xué)生所獲取的知識不夠全面，限制了學(xué)生思維的拓展。

1.2 學(xué)生參與度低

在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，為了避免學(xué)生操作不當(dāng)造成儀器故障或損壞，教師在制定實(shí)驗(yàn)大綱時一般只設(shè)計(jì)演示或驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，如我校在過去的教學(xué)過程中，將涉及掃描電鏡、透射電鏡、X射線衍射儀等設(shè)備的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)為演示性實(shí)驗(yàn)，將傅里葉變換紅外光譜、紫外光譜、顯微激光拉曼光譜、熱重分析等相關(guān)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。在演示性實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，教師預(yù)先準(zhǔn)備好樣品，設(shè)置正確的實(shí)驗(yàn)參數(shù)或條件，并演示儀器操作過程，學(xué)生則分組觀摩學(xué)習(xí)，由于操作過程有許多細(xì)微動作，尤其很多過程在計(jì)算機(jī)界面完成，導(dǎo)致一些學(xué)生無法看清操作過程，更無法理解實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置依據(jù)；在驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，學(xué)生雖然可以分組進(jìn)行操作，但教師均提前給定實(shí)驗(yàn)參數(shù)、實(shí)驗(yàn)條件等的設(shè)定范圍，學(xué)生僅允許在指定的小范圍內(nèi)進(jìn)行設(shè)置，并根據(jù)指導(dǎo)書按部就班地完成操作，無法體驗(yàn)給定范圍以外的參數(shù)帶來的數(shù)據(jù)異?；蝈e誤等效果，因此只能知其然，而不知其所以然。

1.3 高危操作相關(guān)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果欠佳

材料分析方法的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目涉及高壓、高溫、輻射、以及有害溶劑等的使用[1]，如掃描電鏡、熱重分析、差示掃描量熱分析等實(shí)驗(yàn)中均涉及高壓氣瓶操作；X射線衍射、X射線光電子能譜等存在射線輻射；又如熱重分析、差示掃描熱量分析中涉及高溫操作，如果學(xué)生設(shè)置溫度過高或升溫速度過快等，則可能導(dǎo)致樣品發(fā)生意外反應(yīng)，或儀器損壞等后果。因此相關(guān)操作過程一般由教師代為完成，或告知學(xué)生應(yīng)如何設(shè)置，學(xué)生在教師的監(jiān)督下按要求完成操作，很難培養(yǎng)學(xué)生高危實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的操作能力。

1.4 實(shí)驗(yàn)原理教學(xué)效果不理想

由于材料分析方法實(shí)驗(yàn)中很多項(xiàng)目涉及分子水平的結(jié)構(gòu)變化，相對比較抽象，如紅外光譜中不同的分子振動形式、紫外光譜中不同類型的電子躍遷等，在傳統(tǒng)的理論灌輸式教學(xué)方法引導(dǎo)下，學(xué)生主要靠機(jī)械記憶的方法掌握相關(guān)原理，很難深入理解分子結(jié)構(gòu)變化與測試結(jié)果之間的關(guān)聯(lián)。

2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)建設(shè)的必要性

提高材料分析方法類課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，最為有效的解決方法是讓學(xué)生有較多機(jī)會去操作相關(guān)儀器設(shè)備、學(xué)習(xí)并明確相關(guān)原理、掌握數(shù)據(jù)分析方法等。而利用現(xiàn)代信息技術(shù)[2]，采用虛擬仿真系統(tǒng)，將以往難以實(shí)現(xiàn)，甚至不可及的實(shí)驗(yàn)操作環(huán)節(jié)在虛擬環(huán)境中呈現(xiàn)[3-5]，尤其是上述大型精密儀器、高危操作等部分在虛擬仿真系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)[6]，使學(xué)生可以大膽嘗試、 反復(fù)學(xué)習(xí)，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)更加安全高效、綠色環(huán)保、不受時間和空間限制[7]，并突破傳統(tǒng)教學(xué)方法的局限， 因此能夠很好地解決傳統(tǒng)教學(xué)方法在實(shí)踐環(huán)節(jié)存在的問題。

3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)建設(shè)要點(diǎn)

利用虛擬仿真系統(tǒng)，不僅為學(xué)生提供反復(fù)操作大型貴重儀器的機(jī)會，還可以讓學(xué)生自主設(shè)置實(shí)驗(yàn)參數(shù)，并體驗(yàn)不同參數(shù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果；對于上述涉及儀器安全、人身安全的操作部分，允許學(xué)生通過虛擬環(huán)境的不規(guī)范操作，體驗(yàn)可能帶來的后果，使學(xué)生加深對安全相關(guān)注意事項(xiàng)的印象。充分利用虛擬仿真技術(shù)的功能和優(yōu)勢，徹底解決材料分析方法傳統(tǒng)教學(xué)過程中存在的問題，達(dá)到理想的教學(xué)目的。

3.1 合理設(shè)計(jì)交互操作，貼合實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求

虛擬仿真通過在模擬的三維空間中設(shè)計(jì)人機(jī)交互，實(shí)現(xiàn)物理世界與虛擬世界的無縫交融，其內(nèi)容強(qiáng)調(diào)交互操作[8]。我校材料分析方法虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)將以往由教師代為完成的演示性操作部分，轉(zhuǎn)變?yōu)橛蓪W(xué)生親自操作。教師在設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目時，首先應(yīng)明確要求學(xué)生掌握的操作有哪些，對于這些操作，需要對每一步交互動作進(jìn)行仔細(xì)設(shè)置，并在虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)中設(shè)置學(xué)習(xí)和考核2種操作模式。在學(xué)習(xí)模式中，對這些交互操作進(jìn)行提示，學(xué)生根據(jù)提示完成每一步操作；而在考核模式中，則要求學(xué)生在無提示情況下獨(dú)立完成每一步操作。在“差示掃描量熱分析實(shí)驗(yàn)”項(xiàng)目學(xué)習(xí)模式中，對樣品制備過程，包括稱量、坩堝蓋扎孔、蓋坩堝蓋和壓制等進(jìn)行提示；而對于通過預(yù)習(xí)即可掌握的簡單操作，或常規(guī)、基礎(chǔ)的操作，如上述樣品稱量的過程，包括打開電子天平倉門、放入空坩堝、去皮、放入樣品再次稱量等，則不再詳細(xì)提示，而要求學(xué)生在一次提示后，自行完成一連串動作并及時做好記錄。

通過以上有針對性的設(shè)計(jì)，可以很好地解決以往大型精密儀器實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目只能設(shè)計(jì)為演示性、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的弊端，徹底解決學(xué)生對操作過程看不清、學(xué)不會的問題。

3.2 巧妙設(shè)置多樣化數(shù)據(jù)，拓展學(xué)習(xí)廣度與深度

為了使學(xué)生了解不同實(shí)驗(yàn)參數(shù)或條件下的測試結(jié)果，并理解其原因，在設(shè)計(jì)虛擬仿真項(xiàng)目的數(shù)據(jù)時應(yīng)充分考核多樣化數(shù)據(jù)及效果。如在“紅外光譜測試技術(shù)及譜圖解析”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中，針對傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容受限的情況，不僅設(shè)置了不同樣品如可研磨固體粉末、不可研磨固體塊狀、含水液體、不含水液體、氣體等的制樣和測試方法，還結(jié)合以往實(shí)驗(yàn)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)置了不同制樣條件所得的不同效果的壓片及其數(shù)據(jù)，其中包括：

（1）理想樣品，即按規(guī)范制備的干燥、均勻、較薄的壓片，則吸收光譜基線平滑、透過率較高，出峰清晰易辨別；

（2）未烘干的樣品所制備的壓片，則吸收光譜出現(xiàn)明顯的水峰；

（3）較厚的壓片，則吸收光譜整體透過率較低，導(dǎo)致樣品的部分特征無法顯示；

（4）樣品堆積不均，有裂紋的壓片，則吸收光譜基線不平滑，影響峰的辨別。

如果學(xué)生在操作過程中出現(xiàn)不恰當(dāng)?shù)牟僮?，則后續(xù)所測數(shù)據(jù)會出現(xiàn)相應(yīng)的異常。這樣的設(shè)計(jì)使實(shí)驗(yàn)教學(xué)不僅僅停留在“教師怎么教，學(xué)生就怎么做”的階段，而且使學(xué)生不但知其然，更能知其所以然，進(jìn)而拓展了學(xué)習(xí)的廣度與深度。

3.3 適當(dāng)設(shè)計(jì)動畫效果，加深學(xué)生學(xué)習(xí)印象

對于一些涉及操作者人身安全、儀器安全等的操作，如上述高壓、輻射、高溫等，根據(jù)不規(guī)范操作可能導(dǎo)致的后果，將其設(shè)計(jì)為夸張的動畫效果并進(jìn)行呈現(xiàn)，通過視覺沖擊給學(xué)生帶來深刻印象，可以起到很好的警示作用，使學(xué)生在真實(shí)環(huán)境中接觸到相關(guān)操作時能引起注意，按規(guī)范操作，同時也培養(yǎng)了學(xué)生的規(guī)范操作意識和安全意識。

對于實(shí)驗(yàn)相關(guān)的抽象原理[9]，同樣可以采用虛擬仿真動畫的形式進(jìn)行呈現(xiàn)。如“有機(jī)化合物的紅外光譜”虛擬仿真項(xiàng)目的原理和數(shù)據(jù)分析部分，將化合物中某些化學(xué)鍵或官能團(tuán)的不同振動形式：伸縮振動、彎曲振動等制作成三維動畫，并與分子結(jié)構(gòu)及測試圖譜相關(guān)聯(lián)，使學(xué)生建立起分子結(jié)構(gòu)、振動形式以及相應(yīng)紅外吸收光譜的知識體系。

3.4 “虛實(shí)結(jié)合”構(gòu)建多元化教學(xué)模式

本著虛擬仿真建設(shè)“能實(shí)不虛，虛實(shí)結(jié)合”[10]的原則，材料分析方法課程在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基礎(chǔ)上，還設(shè)置了線下操作指導(dǎo)和分組操作考核環(huán)節(jié)。因此一個完整的學(xué)習(xí)過程包括：課前預(yù)習(xí)理論相關(guān)知識、線上虛擬仿真操作練習(xí)、線上虛擬仿真操作考核、線上提交預(yù)習(xí)報(bào)告、線下操作考核、線下提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告等環(huán)節(jié)（見圖1）。此外，學(xué)有余力的學(xué)生還可以在教師的指導(dǎo)下開展課外科研、拓展訓(xùn)練，利用課余時間進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，參與教師科研課題，了解學(xué)科前沿動態(tài)。教師的角色由傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)演示者或知識灌輸者轉(zhuǎn)變?yōu)閱栴}設(shè)置者、學(xué)習(xí)過程監(jiān)督者和引導(dǎo)者，教師還通過虛擬仿真系統(tǒng)的答疑室隨時與學(xué)生在線交流[11]，大大提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

圖1 材料分析方法實(shí)驗(yàn)教學(xué)流程圖

3.5 科學(xué)設(shè)置評價方式，促進(jìn)學(xué)生能力培養(yǎng)

借助虛擬仿真技術(shù)，在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和考核要求的設(shè)置中，可以不受傳統(tǒng)方法的限制，而是以學(xué)生能力培養(yǎng)為目標(biāo)，堅(jiān)持問題導(dǎo)向和需求導(dǎo)向。為了提高學(xué)生參與學(xué)習(xí)的積極性，新型教學(xué)模式下的實(shí)驗(yàn)成績由線上操作考核成績、預(yù)習(xí)報(bào)告成績、線下操作考核成績和實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績組成。其中，在線上考核環(huán)節(jié)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、要求和安全注意事?xiàng)等，將重要環(huán)節(jié)的分值提高，對于一些高危操作、可能損壞儀器的操作等，設(shè)置為關(guān)鍵考核點(diǎn)。在線下考核環(huán)節(jié)，教師設(shè)置具體問題，要求學(xué)生在規(guī)定時間內(nèi)正確完成操作或解決所設(shè)置的問題。

此外，還可提高實(shí)驗(yàn)要求，將原來演示性、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)設(shè)置為綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)[12]，圖2所示為我校材料分析方法中各實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目及其實(shí)驗(yàn)類型。如將“紅外光譜測試技術(shù)及譜圖解析”設(shè)置為綜合性實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)生不但要學(xué)會紅外光譜儀的操作方法，掌握數(shù)據(jù)處理、作圖及分析方法，同時對于給定的不同狀態(tài)的樣品，能正確選擇制樣方法和工具，制備出成功的樣品，并根據(jù)譜圖結(jié)果評價制樣效果，分析數(shù)據(jù)異常的原因等；將“掃描電鏡觀察樣品組織結(jié)構(gòu)”設(shè)計(jì)為綜合性實(shí)驗(yàn)，不僅要求學(xué)生掌握不同樣品的制樣及表面處理方法、表面形貌觀察方法，還結(jié)合掃描電鏡配套的能譜儀對樣品組成進(jìn)行分析和研究；又如將“熱重分析實(shí)驗(yàn)”等項(xiàng)目設(shè)置為設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)生在預(yù)習(xí)查閱文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，結(jié)合樣品特性，如玻璃化溫度、熔點(diǎn)等設(shè)計(jì)合理的測試溫度和升降溫速度等實(shí)驗(yàn)條件。

圖2 材料分析方法實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目及其實(shí)驗(yàn)類型

4 建設(shè)成效

通過材料分析方法實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的合理建設(shè)和有效應(yīng)用，充分利用虛擬仿真技術(shù)的功能和優(yōu)勢，為學(xué)生提供隨時隨地學(xué)習(xí)、反復(fù)操作練習(xí)的機(jī)會，從根本上解決了傳統(tǒng)教學(xué)方法存在的問題，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)不受時間、空間的限制；通過逼真的操作體驗(yàn)、線上師生互動交流、動畫效果等，提高了學(xué)生對材料分析方法實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)興趣和積極性，實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果得到顯著改善[8]；多樣化虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)使學(xué)生知識面得到拓寬，思維更加開闊，有利于培養(yǎng)學(xué)生思考問題、解決問題的能力和創(chuàng)新能力；高危操作的動畫效果不僅使學(xué)生加深了學(xué)習(xí)印象，更能培養(yǎng)學(xué)生的安全意識和良好的實(shí)驗(yàn)習(xí)慣；線上線下結(jié)合的多元化教學(xué)模式，使學(xué)生基本具備獨(dú)立操作大型儀器設(shè)備的能力，從而使大型儀器設(shè)備有條件面向本科生開放使用[13]，為學(xué)生參加課外科研創(chuàng)新訓(xùn)練[14]和各類學(xué)科競賽奠定了基礎(chǔ)，對學(xué)生動手能力、科研能力的培養(yǎng)大有裨益。

5 結(jié)語

通過建設(shè)“材料分析方法”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，合理設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及要求、巧妙設(shè)計(jì)多樣化數(shù)據(jù)及動畫效果，并本著“虛實(shí)結(jié)合”的原則采用線上線下結(jié)合的教學(xué)，不僅能夠解決材料分析方法實(shí)驗(yàn)在傳統(tǒng)教學(xué)過程中存在的問題，提高學(xué)生對該實(shí)驗(yàn)課程學(xué)習(xí)的積極性和主動性，改善材料分析方法中的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，同時還可提高學(xué)生的科研能力和綜合素質(zhì)，為材料學(xué)及相關(guān)專業(yè)的人才培養(yǎng)提供了新思路。

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[13] 贠冰，孫建林，熊小濤.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在大型儀器設(shè)備開放共享中作用的探討[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2015, 32(10): 119– 124.

[14] 劉來玉，陳晨，董焱，等.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)助推雙創(chuàng)教育的探索與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2017, 34(12): 128–131.

Construction and application of virtual simulation experimental teaching system of “Material analysis method”

CAO Jing, YU Yan, LI Lingyun, WANG Chen

(College of Material Science and Engineering, Fuzhou University, Fuzhou 350108, China)

College of Material Science and Engineering of Fuzhou University has built a virtual simulation experimental teaching system of the material analysis method, which makes full use of its characteristics of safety, efficiency, and green and environmental protection to provide students with repeated learning, multiple exercises and close-to real operation experience. In the design of virtual experiment project, the reasonable design of interactive operation action, embedding diversified data and exaggerated animation effect, scientific setting of evaluation methods and experimental requirements, and adopting the teaching method of “Combining virtuality with reality” can significantly improve the quality of experimental teaching of material analysis method, and help to improve students’ practical ability, research ability and comprehensive quality, which can make an important contribution to improving the quality of undergraduate education and talent training.

material analysis method; virtual simulation; experimental teaching

G482

A

1002-4956(2019)10-0032-04

10.16791/j.cnki.sjg.2019.10.008

2019-03-10

2018年福建省本科高校教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目（FBJG20180202）；2017年福州大學(xué)高等教育教學(xué)改革工程項(xiàng)目（校教[2017]44）

曹靜（1984—），女，山西臨汾，博士，實(shí)驗(yàn)師，主要研究方向?yàn)椴牧蠈W(xué)及相關(guān)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)、教學(xué)改革。E-mail: caojing@fzu.edu.cn