“材料分析方法”虛擬仿真實驗教學系統建設及應用

曹 靜，于 巖，李凌云，王 晨

“材料分析方法”虛擬仿真實驗教學系統建設及應用

曹 靜，于 巖，李凌云，王 晨

（福州大學 材料科學與工程學院，福建 福州 350108）

福州大學材料科學與工程學院通過建設材料分析方法虛擬仿真實驗教學系統，充分利用其安全、高效、綠色環保等特點，為學生提供反復學習、多次練習、接近真實的操作體驗。在虛擬實驗項目的設計中,合理設計交互操作動作，嵌入多樣化數據及夸張的動畫效果，科學設置評價方式及實驗要求，并采用“虛實結合”的教學方法，使材料分析方法實驗教學質量顯著提高，有助于提高學生的動手能力、科研能力和綜合素質，為提高本科教育質量和人才培養質量做出重要貢獻。

材料分析方法；虛擬仿真；實驗教學

材料分析方法是材料學及其相關專業的核心課程，在本科人才培養中起著重要作用。作為一門建立在實驗基礎上的課程，該課程需配套開出相關內容的實驗項目。以我校材料科學與工程學院為例，根據材料分析方法理論課內容，實驗項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。在過去傳統的教學模式下，該課程的實踐教學環節受到很多制約，可提供給學生動手操作的機會較少，學生對相關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，教學效果不盡人意。尤其近年來，隨著一流本科教學要求的提出，對實驗課程的教學質量提出了更高要求，因此材料分析方法實驗課程的改革勢在必行。

1 材料分析方法課程中實驗教學存在的問題

受到大型精密儀器設備成本及臺套數等制約，在傳統教學過程中，材料分析方法實驗教學暴露出較多問題，主要表現為以下幾個方面。

1.1 實驗教學內容受限

大型精密儀器的操作相對復雜，需要投入較多的時間和精力去學習相關原理、熟悉儀器操作，但這些設備均為較貴重的儀器設備，操作注意事項較多，操作不慎易導致儀器故障或損壞，因此在傳統教學過程中，為了保證設備正常運行，同時受時間和場地等限制，教師在設置實驗內容時均有較多顧慮，例如對于紅外光譜的測試，在科研或實際應用中，樣品的狀態有多種，測試時應結合樣品情況選擇不同的制樣方法，并根據樣品狀態選擇不同的測試模式。而由于種種限制，目前大多數高校在該項目的實驗教學中，僅介紹溴化鉀壓片法和相應的透過測試模式，導致學生所獲取的知識不夠全面，限制了學生思維的拓展。

1.2 學生參與度低

在傳統實驗教學中，為了避免學生操作不當造成儀器故障或損壞，教師在制定實驗大綱時一般只設計演示或驗證性實驗項目，如我校在過去的教學過程中，將涉及掃描電鏡、透射電鏡、X射線衍射儀等設備的實驗項目設計為演示性實驗，將傅里葉變換紅外光譜、紫外光譜、顯微激光拉曼光譜、熱重分析等相關實驗項目設計為驗證性實驗。在演示性實驗教學過程中，教師預先準備好樣品，設置正確的實驗參數或條件，并演示儀器操作過程，學生則分組觀摩學習，由于操作過程有許多細微動作，尤其很多過程在計算機界面完成，導致一些學生無法看清操作過程，更無法理解實驗參數設置依據；在驗證性實驗教學過程中，學生雖然可以分組進行操作，但教師均提前給定實驗參數、實驗條件等的設定范圍，學生僅允許在指定的小范圍內進行設置，并根據指導書按部就班地完成操作，無法體驗給定范圍以外的參數帶來的數據異?；蝈e誤等效果，因此只能知其然，而不知其所以然。

1.3 高危操作相關的實驗教學效果欠佳

材料分析方法的實驗項目涉及高壓、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驗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，如果學生設置溫度過高或升溫速度過快等，則可能導致樣品發生意外反應，或儀器損壞等后果。因此相關操作過程一般由教師代為完成，或告知學生應如何設置，學生在教師的監督下按要求完成操作，很難培養學生高危實驗項目的操作能力。

1.4 實驗原理教學效果不理想

由于材料分析方法實驗中很多項目涉及分子水平的結構變化，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，在傳統的理論灌輸式教學方法引導下，學生主要靠機械記憶的方法掌握相關原理，很難深入理解分子結構變化與測試結果之間的關聯。

2 虛擬仿真實驗教學系統建設的必要性

提高材料分析方法類課程的實驗教學質量，最為有效的解決方法是讓學生有較多機會去操作相關儀器設備、學習并明確相關原理、掌握數據分析方法等。而利用現代信息技術[2]，采用虛擬仿真系統，將以往難以實現，甚至不可及的實驗操作環節在虛擬環境中呈現[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中實現[6]，使學生可以大膽嘗試、 反復學習，使實驗教學更加安全高效、綠色環保、不受時間和空間限制[7]，并突破傳統教學方法的局限， 因此能夠很好地解決傳統教學方法在實踐環節存在的問題。

3 虛擬仿真實驗教學系統建設要點

利用虛擬仿真系統，不僅為學生提供反復操作大型貴重儀器的機會，還可以讓學生自主設置實驗參數，并體驗不同參數的實驗結果；對于上述涉及儀器安全、人身安全的操作部分，允許學生通過虛擬環境的不規范操作，體驗可能帶來的后果，使學生加深對安全相關注意事項的印象。充分利用虛擬仿真技術的功能和優勢，徹底解決材料分析方法傳統教學過程中存在的問題，達到理想的教學目的。

3.1 合理設計交互操作，貼合實驗教學要求

虛擬仿真通過在模擬的三維空間中設計人機交互，實現物理世界與虛擬世界的無縫交融，其內容強調交互操作[8]。我校材料分析方法虛擬仿真實驗教學系統將以往由教師代為完成的演示性操作部分，轉變為由學生親自操作。教師在設計虛擬仿真實驗項目時，首先應明確要求學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行仔細設置，并在虛擬仿真教學系統中設置學習和考核2種操作模式。在學習模式中，對這些交互操作進行提示，學生根據提示完成每一步操作；而在考核模式中，則要求學生在無提示情況下獨立完成每一步操作。在“差示掃描量熱分析實驗”項目學習模式中，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行提示；而對于通過預習即可掌握的簡單操作，或常規、基礎的操作，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，則不再詳細提示，而要求學生在一次提示后，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計，可以很好地解決以往大型精密儀器實驗項目只能設計為演示性、驗證性實驗的弊端，徹底解決學生對操作過程看不清、學不會的問題。

3.2 巧妙設置多樣化數據，拓展學習廣度與深度

為了使學生了解不同實驗參數或條件下的測試結果，并理解其原因，在設計虛擬仿真項目的數據時應充分考核多樣化數據及效果。如在“紅外光譜測試技術及譜圖解析”虛擬仿真實驗中，針對傳統教學內容受限的情況，不僅設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，還結合以往實驗教學經驗，設置了不同制樣條件所得的不同效果的壓片及其數據，其中包括：

（1）理想樣品，即按規范制備的干燥、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，則吸收光譜出現明顯的水峰；

（3）較厚的壓片，則吸收光譜整體透過率較低，導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。

如果學生在操作過程中出現不恰當的操作，則后續所測數據會出現相應的異常。這樣的設計使實驗教學不僅僅停留在“教師怎么教，學生就怎么做”的階段，而且使學生不但知其然，更能知其所以然，進而拓展了學習的廣度與深度。

3.3 適當設計動畫效果，加深學生學習印象

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，根據不規范操作可能導致的后果，將其設計為夸張的動畫效果并進行呈現，通過視覺沖擊給學生帶來深刻印象，可以起到很好的警示作用，使學生在真實環境中接觸到相關操作時能引起注意，按規范操作，同時也培養了學生的規范操作意識和安全意識。

對于實驗相關的抽象原理[9]，同樣可以采用虛擬仿真動畫的形式進行呈現。如“有機化合物的紅外光譜”虛擬仿真項目的原理和數據分析部分，將化合物中某些化學鍵或官能團的不同振動形式：伸縮振動、彎曲振動等制作成三維動畫，并與分子結構及測試圖譜相關聯，使學生建立起分子結構、振動形式以及相應紅外吸收光譜的知識體系。

3.4 “虛實結合”構建多元化教學模式

本著虛擬仿真建設“能實不虛，虛實結合”[10]的原則，材料分析方法課程在虛擬仿真實驗教學的基礎上，還設置了線下操作指導和分組操作考核環節。因此一個完整的學習過程包括：課前預習理論相關知識、線上虛擬仿真操作練習、線上虛擬仿真操作考核、線上提交預習報告、線下操作考核、線下提交實驗報告等環節（見圖1）。此外，學有余力的學生還可以在教師的指導下開展課外科研、拓展訓練，利用課余時間進入實驗室，參與教師科研課題，了解學科前沿動態。教師的角色由傳統的實驗演示者或知識灌輸者轉變為問題設置者、學習過程監督者和引導者，教師還通過虛擬仿真系統的答疑室隨時與學生在線交流[11]，大大提高了學生學習的積極性。

圖1 材料分析方法實驗教學流程圖

3.5 科學設置評價方式，促進學生能力培養

借助虛擬仿真技術，在實驗內容和考核要求的設置中，可以不受傳統方法的限制，而是以學生能力培養為目標，堅持問題導向和需求導向。為了提高學生參與學習的積極性，新型教學模式下的實驗成績由線上操作考核成績、預習報告成績、線下操作考核成績和實驗報告成績組成。其中，在線上考核環節，根據實驗目的、要求和安全注意事項等，將重要環節的分值提高，對于一些高危操作、可能損壞儀器的操作等，設置為關鍵考核點。在線下考核環節，教師設置具體問題，要求學生在規定時間內正確完成操作或解決所設置的問題。

此外，還可提高實驗要求，將原來演示性、驗證性實驗設置為綜合性、設計性實驗[12]，圖2所示為我校材料分析方法中各實驗項目及其實驗類型。如將“紅外光譜測試技術及譜圖解析”設置為綜合性實驗，要求學生不但要學會紅外光譜儀的操作方法，掌握數據處理、作圖及分析方法，同時對于給定的不同狀態的樣品，能正確選擇制樣方法和工具，制備出成功的樣品，并根據譜圖結果評價制樣效果，分析數據異常的原因等；將“掃描電鏡觀察樣品組織結構”設計為綜合性實驗，不僅要求學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，還結合掃描電鏡配套的能譜儀對樣品組成進行分析和研究；又如將“熱重分析實驗”等項目設置為設計性實驗，要求學生在預習查閱文獻的基礎上，根據實驗目的，結合樣品特性，如玻璃化溫度、熔點等設計合理的測試溫度和升降溫速度等實驗條件。

圖2 材料分析方法實驗項目及其實驗類型

4 建設成效

通過材料分析方法實驗教學系統的合理建設和有效應用，充分利用虛擬仿真技術的功能和優勢，為學生提供隨時隨地學習、反復操作練習的機會，從根本上解決了傳統教學方法存在的問題，使實驗教學不受時間、空間的限制；通過逼真的操作體驗、線上師生互動交流、動畫效果等，提高了學生對材料分析方法實驗的學習興趣和積極性，實驗教學效果得到顯著改善[8]；多樣化虛擬仿真實驗教學使學生知識面得到拓寬，思維更加開闊，有利于培養學生思考問題、解決問題的能力和創新能力；高危操作的動畫效果不僅使學生加深了學習印象，更能培養學生的安全意識和良好的實驗習慣；線上線下結合的多元化教學模式，使學生基本具備獨立操作大型儀器設備的能力，從而使大型儀器設備有條件面向本科生開放使用[13]，為學生參加課外科研創新訓練[14]和各類學科競賽奠定了基礎，對學生動手能力、科研能力的培養大有裨益。

5 結語

通過建設“材料分析方法”虛擬仿真實驗教學系統，合理設計實驗內容及要求、巧妙設計多樣化數據及動畫效果，并本著“虛實結合”的原則采用線上線下結合的教學，不僅能夠解決材料分析方法實驗在傳統教學過程中存在的問題，提高學生對該實驗課程學習的積極性和主動性，改善材料分析方法中的實驗教學效果，同時還可提高學生的科研能力和綜合素質，為材料學及相關專業的人才培養提供了新思路。

[1] 李亮亮，趙玉珍，李正操，等.材料科學與工程虛擬仿真實驗教學中心的建設[J].實驗技術與管理，2014, 31(2): 5–8.

[2] 申文竹，王斌，劉麗，等.多媒體虛擬仿真技術在材料科學實驗中應用[J].實驗科學與技術，2018, 16(3): 64–66.

[3] 費景洲，張鵬，馬修真，等.船舶動力技術實驗教學中心內涵建設探索[J].實驗技術與管理，2014, 31(6): 158–161, 168.

[4] 張立松，閆相禎，楊秀娟，等.虛擬仿真技術在復雜工程力學問題實驗教學中的應用.實驗技術與管理，2014, 31(9): 102–105.

[5] 馬文頂，吳作武，萬志軍，等.采礦工程虛擬仿真實驗教學體系建設與實踐[J].實驗技術與管理，2014, 31(9): 14–18.

[6] 陳國輝，劉有才，劉士軍.虛擬仿真實驗教學中心實驗教學體系建設[J].實驗室研究與探索，2015, 34(8): 169–172, 185.

[7] 王靜，楊金萍，王春梅.虛擬仿真在無機非金屬材料實踐教學中的應用[J].實驗技術與管理，2015, 32(7): 107–108, 112

[8] 李霞.材料力學虛擬仿真實驗系統的開發[J].實驗技術與管理，2016, 33(12): 125–127.

[9] 孔祥清，曲艷東，李韌，等.材料力學課程教學改革與實踐探討[J].實驗技術與管理，2017, 34(2): 174–178.

[10] 明仲，蔡茂國，朱安民.虛實結合建設高水平虛擬仿真實驗教學中心[J].實驗室研究與探索，2017, 36(11): 146–150, 165.

[11] 贠冰，孫建林，熊小濤，等.材料虛擬仿真實驗中心建設及共享的思考與實踐[J].實驗技術與管理，2018, 35(10): 197– 199.

[12] 遲靜，吳杰.“材料分析測試技術”研究型綜合性實驗設計[J].實驗技術與管理, 2018, 35(11): 208–212.

[13] 贠冰，孫建林，熊小濤.虛擬仿真實驗在大型儀器設備開放共享中作用的探討[J].實驗技術與管理，2015, 32(10): 119– 124.

[14] 劉來玉，陳晨，董焱，等.虛擬仿真實驗教學助推雙創教育的探索與實踐[J].實驗技術與管理，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改革研究項目（FBJG20180202）；2017年福州大學高等教育教學改革工程項目（校教[2017]44）

曹靜（1984—），女，山西臨汾，博士，實驗師，主要研究方向為材料學及相關專業實驗教學、教學改革。E-mail: caojing@fzu.edu.cn