居家做起云實(shí)驗(yàn)

徐玲玲 崔斌 劉哲

西北大學(xué)“儲(chǔ)能材料的制備及表征綜合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”通過軟件模擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)的操作過程，其中包含高溫實(shí)驗(yàn)過程、高電壓的測試和危險(xiǎn)試劑使用等危險(xiǎn)實(shí)驗(yàn)步驟，制備具有儲(chǔ)能特征的功能陶瓷材料。

西北大學(xué)化學(xué)學(xué)科始設(shè)于1923年，其材料化學(xué)專業(yè)設(shè)立于1991年，2019年西北大學(xué)的材料化學(xué)專業(yè)被評為國家級(jí)“一流本科專業(yè)”。西北大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院較早就開始了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的建設(shè)，“儲(chǔ)能材料的制備及表征綜合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”是其典型。

仿真實(shí)驗(yàn)對校外同學(xué)開放，校外同學(xué)只需通過西北大學(xué)官網(wǎng)搜索相關(guān)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，進(jìn)行注冊后，便可進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。

進(jìn)入仿真實(shí)驗(yàn)后，學(xué)生需要先了解與實(shí)驗(yàn)相關(guān)的知識(shí)。

然后，在三維場景中熟悉實(shí)驗(yàn)所涉及的儀器和裝置及其重要部件。

了解儀器使用注意事項(xiàng)后，便可進(jìn)入實(shí)驗(yàn)操作。

通過設(shè)置不同的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，會(huì)得到不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。制備納米材料需要考慮很多因素，原料的配比、反應(yīng)溫度與反應(yīng)時(shí)間等，都能影響結(jié)果。在實(shí)體實(shí)驗(yàn)中由于整個(gè)合成過程復(fù)雜、耗時(shí)長，學(xué)生很難進(jìn)行不同實(shí)驗(yàn)參數(shù)的多組實(shí)驗(yàn)。學(xué)生們通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，可以根據(jù)需要修改實(shí)驗(yàn)參數(shù)，得到不同實(shí)驗(yàn)參數(shù)下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

實(shí)驗(yàn)加載中

掃描電子顯微鏡

熱重分析儀

制備實(shí)驗(yàn)操作臺(tái)

介電性能測試儀

虛擬實(shí)驗(yàn)可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室無法實(shí)現(xiàn)的教學(xué)

電容器儲(chǔ)能具有儲(chǔ)能密度高、能量釋放速度快、可靠性高、安全性高、價(jià)格低廉以及較易實(shí)現(xiàn)輕量化和小型化等優(yōu)點(diǎn)，是一種具有革命性的綠色能源技術(shù)，在電動(dòng)汽車和混合電動(dòng)汽車、內(nèi)燃機(jī)機(jī)車啟動(dòng)、電力系統(tǒng)、微型計(jì)算機(jī)以及軍工方面等都有著廣泛的應(yīng)用。

在制備儲(chǔ)能這類陶瓷材料時(shí)，每一步需要進(jìn)行3個(gè)小時(shí)以上的合成反應(yīng)，反應(yīng)完成后需要進(jìn)行12～24小時(shí)的高溫?zé)崽幚聿襟E，還需要掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡等大型儀器或者專用設(shè)備。但大型儀器或者專用設(shè)備的資源限制，本科教學(xué)中往往不能保證學(xué)生單人單臺(tái)單次直接操作儀器進(jìn)行樣品的測試。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以更加有效地幫助學(xué)生學(xué)習(xí)相關(guān)大型儀器的原理以及數(shù)據(jù)處理過程，特別是化學(xué)專業(yè)學(xué)生在平時(shí)接觸較少的電性能測試部分。

“虛擬仿真實(shí)驗(yàn)非常節(jié)省時(shí)間，我們平常做實(shí)驗(yàn)有的步驟耗時(shí)非常長，比如馬弗爐中的藥品涼卻到室溫使用往往需要很長時(shí)間，自然冷卻可能要十幾個(gè)小時(shí)，各種合成過程等等，不過在虛擬平臺(tái)上面操作時(shí)，電腦會(huì)幫你省過這些時(shí)間，就大大提高了實(shí)驗(yàn)效率?！被瘜W(xué)與材料科學(xué)學(xué)院大三學(xué)生張歐陽興奮地說。

功能陶瓷材料的制備（可選擇進(jìn)行不同參數(shù)的實(shí)驗(yàn)）設(shè)置煅燒溫度

調(diào)整溶液pH

功能陶瓷材料的制備（可選擇進(jìn)行不同參數(shù)的實(shí)驗(yàn)）設(shè)置反應(yīng)物的加入量

烘干樣品

實(shí)體實(shí)驗(yàn)高溫煅燒實(shí)驗(yàn)涉及的馬福爐（實(shí)際溫度高于1200℃）

功能陶瓷材料的電性能測試結(jié)果（介溫譜測試）

功能陶瓷材料的電性能測試結(jié)果（鐵電測試）

均為產(chǎn)物的表征（不同實(shí)驗(yàn)參數(shù)對應(yīng)不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果）

均為產(chǎn)物的表征（不同實(shí)驗(yàn)參數(shù)對應(yīng)不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果）

第一次實(shí)驗(yàn)也不危險(xiǎn)了

“儲(chǔ)能材料的制備及表征實(shí)體實(shí)驗(yàn)會(huì)涉及一些高溫、高電壓的實(shí)驗(yàn)操作，具有很高的危險(xiǎn)性。我們可以在虛擬實(shí)驗(yàn)中先熟悉這些實(shí)驗(yàn)的具體操作步驟及注意事項(xiàng)?！被瘜W(xué)與材料科學(xué)學(xué)院大三學(xué)生張宇森說。

由于材料化學(xué)實(shí)驗(yàn)具有更強(qiáng)的綜合性，使得材料化學(xué)實(shí)驗(yàn)具有實(shí)驗(yàn)周期長、實(shí)驗(yàn)涉及高溫、高電壓和危險(xiǎn)化學(xué)試劑等特點(diǎn)，這就限制了本科生實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的選擇。

傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)大多都是學(xué)生按照實(shí)驗(yàn)課本上的內(nèi)容一步步操作，步驟較為固定，注重的是實(shí)驗(yàn)技能的培養(yǎng)。學(xué)生為了達(dá)到預(yù)期實(shí)驗(yàn)結(jié)果束手束腳，因害怕失敗而不敢嘗試自己的方法。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以修改實(shí)驗(yàn)參數(shù)，而且可以快速地得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果，將產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)、性能與實(shí)驗(yàn)參數(shù)聯(lián)系起來，從而實(shí)現(xiàn)雙向交互式實(shí)驗(yàn)方法，改變以往一個(gè)模式的實(shí)驗(yàn)，促進(jìn)學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，完成實(shí)驗(yàn)。

學(xué)生們借助計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)，學(xué)習(xí)規(guī)范步驟，當(dāng)真正站上實(shí)驗(yàn)臺(tái)后能減少卡殼、遺漏等錯(cuò)誤，即使出現(xiàn)了錯(cuò)誤，也可以通過和模擬中的各步驟實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象作對比，快速找到錯(cuò)誤，從而改正。