掃描電鏡虛擬仿真實驗教學系統建設

陳奇俤 呂秋豐

福州大學材料科學與工程學院 福建福州 350116

掃描電鏡是材料類專業一種重要的分析與表征工具，是研究和檢測材料的重要手段[1]。掃描電鏡實驗教學在專業課程教學活動中占有重要地位，有利于提高學生的分析問題、解決問題的能力。但掃描電鏡屬于大型貴重設備，設備短缺，導致掃描電鏡配套的實驗教學主要以教師講解、演示操作為主[2]，很難激發學生學習的積極性和創造性，教學效果差，嚴重影響大學生綜合素質的培養和技能鍛煉。

虛擬仿真技術利用現代計算機網絡、編程技術，是實驗教學改革和教育信息化發展相結合的創新產物和目標，是解決教學中設備資源短缺難題的有效方法和手段[3]，越來越受到學校的歡迎。因此，建立掃描電鏡虛擬仿真實驗教學系統，可以彌補實際掃描電鏡實驗教學的不足，實現事半功倍的效果，具有重要的現實意義。

1 掃描電鏡虛擬仿真實驗教學系統的構建

掃描電鏡虛擬仿真實驗教學系統的構建，能夠將課程理論知識和實驗有機結合，使學生不僅能掌握基本理論，同時也培養實際操作、驗證理論、探索新知識的能力。系統主要由管理平臺和系統平臺兩部分構成。管理平臺主要為教師端，進行課程設置管理、學生管理、課程成績管理、互動交流通知等[4,5]，系統平臺設計的重點放在掃描電鏡實驗的虛擬仿真上，主要包括掃描電鏡結構及工作原理、掃描電鏡樣品制備、掃描電鏡圖像襯度觀察、實驗數據處理及分析四部分內容。教學系統框架圖如圖1所示。

圖1 掃描電鏡虛擬仿真實驗教學系統框架圖

2 掃描電鏡虛擬仿真實驗教學系統的實施

根據電鏡實驗室的實際場地和儀器進行3D建模，按照實驗的流程和步驟完成交互，對掃描電鏡樣品制備和儀器操作進行虛擬仿真，再現整個實驗教學過程，從而建立掃描電鏡實驗教學虛擬仿真教學系統。整個教學系統真實逼真，學生如臨現場。系統分為實驗預習模塊、仿真現場操作模塊和實驗考核模塊。

2.1 實驗預習模塊

學生登錄預習模塊，自行學習實驗守則、實驗室安全條例等基礎知識，復習課程知識點，特別是重點和難點，熟悉實驗目的、原理、內容、步驟等，并完成預習作業。預習的重點放在掃描電鏡的結構與工作原理上。通過3D MAX，Flash等軟件制作掃描電鏡電子光學系統的三維構造圖，展示電子束在加速電壓作用下激發產生二次電子、背散射電子等信號，并最終在顯示屏上呈現微觀形貌的整個過程，嵌入系統中，直觀展現電鏡內部結構，詮釋電鏡的工作原理。圖2為將德國Zeiss公司提供的掃描電鏡三維結構及工作原理的Flash動畫嵌入教學系統的學習模塊，通過模塊的預習，可使實驗的難點、重點變得通俗易懂。

圖2 虛擬仿真系統中掃描電鏡三維結構及工作原理預習模塊

2.2 仿真現場操作模塊

學生進入仿真現場操作模塊，根據提示反復練習。現場模塊主要包括掃描電鏡實驗前的準備、開機啟動、軟件運行、樣品制備、樣品裝樣和換樣、圖像襯度觀察、圖片保存和數據的拷貝、關機等。通過教學系統實現不同類型和方法的電鏡虛擬樣品的制備、樣品裝樣取樣、放氣抽氣、開關電壓、移動樣品、對焦成像(必要時像散消除、光闌對中)、樣品觀察及圖片保存。通過不同參數和探測器的設置，讓學生加深對分辨率和景深的理解，明白二次電子表面形貌像和背散射電子原子序數像。各個步驟中均設置智能啟發式的指導功能，啟發學生思考，引導學生按照正確的步驟進行操作演練。圖3是教學系統中樣品制備和儀器操作截圖。通過現場操作練習，學生能夠對掃描電鏡的樣品制備及電鏡操作形成理性的認識，加深對實驗課程的認識。

圖3 掃描電鏡虛擬仿真教學系統樣品制備和儀器操作截圖

2.3 實驗考核模塊

按照前面步驟充分練習后，點擊場景界面中的“考核”，進行實驗操作考核。教學系統的實驗考核采用智能評分系統，將操作注意要點和事項進行細化，系統調用自動批改規則，對學生每個操作步驟進行智能評分，計算學生實驗得分成績，完成考核。學生每完成一部分任務，系統后臺都會給出相應的分數。同時，教師還可以查看得分細節，了解學生的得分細節，充分掌握學生對課程知識的掌握情況。圖4是學生上機進行虛擬仿真操作考核后，系統自動對學生的各項操作進行評定，并生成成績報告。

圖4 掃描電鏡虛擬仿真系統考核評定界面截圖

3 結語

針對傳統掃描電鏡實驗教學設備緊缺，授課方式單調，教學效果差等現狀和問題，將虛擬仿真技術應用在掃描電鏡實驗教學中，建立掃描電鏡虛擬仿真實驗教學系統，彌補實際掃描電鏡實驗教學的不足，切實提高掃描電鏡實驗教學效果。