虛擬仿真技術(shù)在新能源材料設(shè)計與制備實驗教學(xué)中的實踐

張文展 邱小林 周冬蘭 廖 丹 裘 承 胡佳幸

(南昌理工學(xué)院，江西南昌，330044)

1 引言

新能源材料設(shè)計與制備是新能源材料與器件專業(yè)中一門專業(yè)主干課，主要傳授學(xué)生與新能源材料有關(guān)的設(shè)計與制備技術(shù)應(yīng)用方面的專業(yè)知識，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性思維、創(chuàng)新實驗及工程實踐等方面的能力，為學(xué)生在對新能源材料進行設(shè)計、制備、檢測及分析時奠定必要的運用基礎(chǔ)。而新能源材料設(shè)計與制備實驗是其中一個重要的教學(xué)環(huán)節(jié)，通過實驗教學(xué)可引導(dǎo)學(xué)生了解各實驗原理、熟悉各實驗設(shè)備，運用所學(xué)原理對實驗過程及結(jié)果進行分析，使其透過實驗現(xiàn)象分析實驗本質(zhì)；同時，可以培養(yǎng)學(xué)生動手能力和解決實際問題的能力，有助于學(xué)生專業(yè)綜合素質(zhì)的提高。實驗教學(xué)是實踐性教學(xué)的一種形式，能夠很好地讓學(xué)生以一種沉浸式的方式在實驗設(shè)計、實驗現(xiàn)象觀察和實驗結(jié)果分析等實驗過程中獲得知識和能力，并提高自身的專業(yè)素質(zhì)[1]。但是，隨著材料化工類實驗教學(xué)的不斷深入和教師科研成果反哺教學(xué)的實施，不可避免會引入一些具有實驗周期長、危險性大、設(shè)備和耗材昂貴等特點的實驗，這類實驗在實體教學(xué)中是難以普及的。因此以VR技術(shù)為主要手段的虛擬仿真實驗教學(xué)就顯得尤為重要[2]。本文以我校新能源與環(huán)境工程學(xué)院正在建設(shè)的“氧化石墨烯納米銀復(fù)合材料的制備與表征”虛擬仿真實驗教學(xué)項目為例，介紹虛擬實驗教學(xué)在新能源材料與器件專業(yè)實驗教學(xué)中的探索和實踐。

2 虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)的必要性

石墨烯具有優(yōu)異的光學(xué)、電學(xué)和力學(xué)特性，在材料學(xué)、能源、生物醫(yī)學(xué)和藥物傳遞等方面具有重要的應(yīng)用前景，被認(rèn)為是一種未來革命性的材料，能掌握水浴法制備氧化石墨烯納米銀復(fù)合材料備受企業(yè)青睞[3-5]。但實驗中需要使用復(fù)雜的Hummer法和大型儀器。特別是在實驗中有很多步驟是需要添加強酸類和強氧化性類物質(zhì)，具有很強的腐蝕性，同時還會釋放出大量的熱量，實驗存在很大的危險性[6,7]。同時材料結(jié)構(gòu)表征會涉及精密貴重儀器，實體教學(xué)難以普及[8]。因此開發(fā)“氧化石墨烯納米銀復(fù)合材料的制備與表征”虛擬仿真實驗平臺是十分必要的。

該項目通過將虛擬仿真實驗和真實實驗場景有機結(jié)合，逼真再現(xiàn)了石墨烯納米銀復(fù)合材料制備和結(jié)構(gòu)表征的過程，三維沉浸式仿真實驗場景極大地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升了教學(xué)效果。該虛擬仿真實驗教學(xué)除了能夠使學(xué)生掌握線下實驗教學(xué)過程中要求的復(fù)合材料制備基本原理和工藝流程外，還能夠很好地規(guī)避濃硫酸、高錳酸鉀、雙氧水等強腐蝕性試劑的高危險性和高腐蝕性，提高實驗安全性。此外，通過虛擬仿真實驗的表征環(huán)節(jié)，可以預(yù)先熟悉大型儀器如X射線衍射儀(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)的操作，緩解線下儀器數(shù)量限制，提高學(xué)生操作儀器的效率，降低實驗成本。

3 虛擬仿真實驗教學(xué)和評價方法創(chuàng)新

3.1 教學(xué)方法創(chuàng)新

在新能源復(fù)合材料及納米材料的制備中經(jīng)常會用到水浴法，同時石墨烯材料是未來能源、信息及醫(yī)療等行業(yè)應(yīng)用中的一顆璀璨明珠，能夠熟練掌握利用水浴法制備氧化石墨烯納米銀復(fù)合材料的方法和技能至關(guān)重要。因此我們將學(xué)院新能源材料教學(xué)科研團隊研究成果中操作性強、啟發(fā)性好、具有較好應(yīng)用價值的氧化石墨烯納米銀復(fù)合材料制備實驗引入到本科材料合成實驗教學(xué)課程中。但是該實驗需要使用科研中常用的Hummer法、冰浴法和水浴加熱法等，對于本科生比較陌生，學(xué)生在實際實驗操作中不免會產(chǎn)生很多錯誤，例如高溫下的磁力攪拌操作、離心機的使用、不同原料的加料方式等，特別是在實驗中有很多步驟是需要添加強酸類和高氧化性類物質(zhì)，具有很強的腐蝕性，同時還會釋放出大量的熱量，實驗存在很大的危險性。因此，氧化石墨烯納米銀復(fù)合材料制備實驗要求學(xué)生能夠熟練操作水浴鍋、離心機及各種專業(yè)儀器，以保證實驗的順利進行。但是在具體的實驗教學(xué)中學(xué)生很難通過一次實體實驗就能夠順利完成任務(wù)。

虛擬仿真實驗教學(xué)是一種重要的實驗輔助手段，它可以利用多媒體和互聯(lián)網(wǎng)，通過Flash或3D技術(shù)制作的虛擬仿真實驗軟件，通過人機互動達(dá)到在虛擬平臺上進行實驗重現(xiàn)和學(xué)習(xí)的目的，可以彌補傳統(tǒng)實驗教學(xué)中不容易實現(xiàn)的步驟[9]。為了彌補實體實驗的不足，我們教學(xué)團隊基于Unity 3D信息技術(shù)開發(fā)出了“氧化石墨烯納米銀復(fù)合材料的制備與表征”虛擬仿真實驗。該虛擬仿真實驗堅持“以學(xué)生實踐為主、教師指導(dǎo)為輔”的教學(xué)理念，采用虛擬演示、探究式和交互式實驗教學(xué)方法。利用豐富的虛擬實驗資源有效解決了實體實驗教學(xué)難以普及的問題。該虛擬仿真實驗將虛擬實驗和真實實驗場景有機結(jié)合，利用生動的3D效果和人機交互，逼真再現(xiàn)了石墨烯納米銀復(fù)合材料制備和結(jié)構(gòu)表征的過程，激發(fā)了學(xué)生的參與興趣。而且采用高效的學(xué)習(xí)認(rèn)識、實訓(xùn)操作和課后答題等工程實踐科學(xué)考核體系，保證了實驗教學(xué)效果。

3.2 評價方法創(chuàng)新

虛擬仿真實驗教學(xué)要求學(xué)生實訓(xùn)操作練習(xí)結(jié)束后進行考核，考核成績由虛擬仿真平臺自動記錄評判，學(xué)生課下需要撰寫并提交實驗報告和實驗心得體會。根據(jù)學(xué)生線下和線上實驗過程的教學(xué)大數(shù)據(jù)與實驗的預(yù)習(xí)情況、操作熟悉程度、數(shù)據(jù)處理和實驗報告等環(huán)節(jié)綜合評分，引導(dǎo)學(xué)生深度學(xué)習(xí)，實現(xiàn)個性化的實驗教學(xué)過程。對學(xué)生的考核要求包括課前預(yù)習(xí)、課中實訓(xùn)操作練習(xí)以及考核測試、課后提交試驗報告[10]。課前預(yù)習(xí)要求學(xué)生了解以下知識點：

(1)了解石墨烯及石墨烯納米銀復(fù)合材料的性能及應(yīng)用。

(2)了解石墨烯及其復(fù)合材料合成的主要方法和原理。

(3)了解表征石墨烯及其復(fù)合材料結(jié)構(gòu)和形貌的主要儀器原理。

(4)了解合成石墨烯及其復(fù)合材料工藝及表征其結(jié)構(gòu)的大型儀器基本操作。

預(yù)習(xí)完實驗所要求的基本知識后，由任課教師現(xiàn)場抽查提問。課中實訓(xùn)要求學(xué)生加深理解合成石墨烯及其復(fù)合材料工藝過程、表征方法及原理。經(jīng)過實訓(xùn)后，熟練掌握石墨烯及其復(fù)合材料合成工藝，并熟悉合成設(shè)備及結(jié)構(gòu)表征等儀器的操作方法，并在規(guī)定時間內(nèi)完成所有實訓(xùn)操作及考核測試，虛擬仿真軟件自動記錄考核成績，最后完成考核。課后要求學(xué)生撰寫實驗報告和實驗心得體會，由任課教師評分。

4 虛擬仿真實驗教學(xué)實施過程

實施過程包括“課前預(yù)習(xí)”，要求學(xué)生提前具備良好的實訓(xùn)素養(yǎng)和相關(guān)的基本實踐技能、基本的三維認(rèn)識能力和熟練的計算機操作能力，并且按照試驗指導(dǎo)書了解學(xué)習(xí)有關(guān)理論知識；讓學(xué)生在電腦上進行該實驗的虛擬操作，熟悉Hummer法流程，掌握冰浴法和水浴加熱法進行物質(zhì)反應(yīng)的技巧，?；返陌踩僮饕约八″?、磁力攪拌器、離心機、XRD和SEM設(shè)備的使用；“課中實訓(xùn)”采用探究式、交互式教學(xué)方法，要求學(xué)生按照虛擬仿真平臺中的提示進行操作，學(xué)會石墨烯及其復(fù)合物合成工藝和結(jié)構(gòu)表征的各種大型儀器設(shè)備，練習(xí)結(jié)束后申請考核，進行考核環(huán)節(jié)后系統(tǒng)自動記錄操作成績，不及格者需要重新進行實訓(xùn)操作練習(xí)；“課后提交實驗報告”，學(xué)生實訓(xùn)操作結(jié)束后需進行實驗考核并提交實驗報告和心得體會，最終成績由任課教師綜合評定。

5 虛擬仿真實驗教學(xué)實施效果

虛擬仿真實驗的安全性高、成本低、效率高、可擴展性強、高度開放和實現(xiàn)資源共享，同時虛擬仿真實驗可以無污染、無浪費和安全高效進行重復(fù)操作，能夠生動直觀地學(xué)習(xí)和了解新能源材料的合成工藝及展現(xiàn)很多實體實驗中無法呈現(xiàn)的實驗細(xì)節(jié)，從而虛實結(jié)合以提高教學(xué)實驗質(zhì)量。虛擬仿真實驗拓展了實驗教學(xué)的資源、時間和空間，極大地提高了實驗教學(xué)效果，每個學(xué)生都可以利用虛擬實驗平臺進行實驗，節(jié)約教學(xué)和實驗資源，也大大提高了學(xué)生的參與感。通過“氧化石墨烯納米銀復(fù)合材料的制備與表征”虛擬仿真實驗教學(xué)的實施，達(dá)到了如下幾點教學(xué)效果：

(1)該虛擬仿真實驗教學(xué)中生動的3D效果和人機交互，提供了逼真的實驗過程，生動再現(xiàn)了石墨烯及其復(fù)合材料的合成工藝、結(jié)構(gòu)表征等過程，激發(fā)了學(xué)生的參與興趣。

(2)豐富的虛擬實驗資源有效解決了實體實驗教學(xué)難以普及的問題，拓展實驗空間及資源，提高教學(xué)質(zhì)量。

(3)學(xué)生可以任何時間、任何地點用電腦和手機等終端對要掌握的實驗進行學(xué)習(xí)，突破時空限制，提高學(xué)生積極性。

(4)縮短學(xué)生實訓(xùn)時間，使學(xué)生短時間內(nèi)快速建立了石墨烯及其復(fù)合材料合成、結(jié)構(gòu)表征等完整知識鏈。

(5)采用高效的學(xué)習(xí)認(rèn)識、實訓(xùn)操作和課后答題等工程實踐科學(xué)考核體系，保證了實驗教學(xué)效果。

6 結(jié)語

利用現(xiàn)代信息技術(shù)而興起的虛擬仿真實驗教學(xué)在實驗內(nèi)容和實驗教學(xué)方法上是對傳統(tǒng)教學(xué)的延伸與拓展。線上虛擬仿真實驗教學(xué)和線下實體實驗教學(xué)虛實結(jié)合，實為主，虛為輔，為傳統(tǒng)實驗教學(xué)開發(fā)出新的實驗教學(xué)模式，能夠提高實驗效率和學(xué)生的參與感。此外，建設(shè)虛擬仿真實驗可以彌補實驗器材的不足、減少危化品的使用風(fēng)險以提高安全性；同時減少大型昂貴器材的購入，降低成本。未來，隨著虛擬仿真實驗開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)化接口的應(yīng)用，虛擬仿真實驗平臺將會具備更好的延伸性和擴展性，既能滿足師生的實驗需求，也能服務(wù)于相關(guān)學(xué)科的科研院所及企業(yè)。