大型儀器分析實驗中虛實結合教學模式改革的探索與實踐
——以透射電子顯微鏡實驗為例

柴占麗，白風華，張兵兵

內蒙古大學化學化工學院，呼和浩特 010021

大型儀器分析實驗是一門對綜合能力要求較高的應用型實驗課程。該課程要求學生掌握大型分析儀器的原理、結構、操作方法及數據分析技巧[1]。由于實驗過程更接近于實際分析工作，有利于學生儀器分析綜合能力的培養，受到廣大學生的歡迎。但是目前，大型儀器分析實驗教學中存在著實驗資源緊張、教學成本高、儀器內部構造不易觀察、實驗時間長等問題，嚴重影響了教學效果[2]。而虛擬仿真實驗平臺融合了專業知識理論體系和計算機模擬仿真實驗技術，是傳統實驗教學的有效延伸和實踐補充，已經被許多高校應用于專業的實驗教學中，雖然取得了一定成果[3]，但也凸顯出一些弊端。因此我們迫切需要探索一種切實可行的大型儀器分析實驗教學模式。

1 大型儀器分析實驗教學的現狀分析

1.1 傳統大型儀器分析實驗教學中存在的問題

在大型儀器分析實驗教學中會涉及大量價格昂貴的大型精密儀器設備，例如透射電子顯微鏡(TEM)，這類儀器設備由于價格昂貴，學校采購數量少，且使用和維修維護成本較高。如果面對本科生開放使用，學生不規范的操作可能對儀器的靈敏度、精密度和穩定性等產生影響，降低其使用壽命，嚴重時會造成儀器損壞[4]。以上的諸多因素導致大多數高校無法開設大型儀器分析實驗課程，即使開設了這類實驗，也僅限于教師演示學生集體觀摩，不利于學生的學習和綜合能力的提升。

另一方面，大型儀器設備多采用封閉式構造，且自動化程度較高，不利于學生對儀器工作原理的學習和操作技巧的掌握。一般的大型儀器分析實驗教學分為原理介紹、儀器構造簡介、實驗準備、標準操作、數據獲取與分析等環節，以透射電子顯微鏡為例，全過程需要3–6小時，而有些儀器甚至需要幾天時間，這對于本科教學來說可操作性極低。

因此，采用傳統方式進行大型儀器分析實驗教學受到諸多掣肘，無法順利推行。

1.2 虛擬仿真技術在大型儀器分析實驗教學中的應用

虛擬仿真是一種計算機仿真技術，最初用于創建和體驗虛擬世界。基于大型儀器的虛擬仿真系統一般包括計算機網絡系統、虛擬儀器系統和數據分析系統，這正好能夠幫助學生進行儀器原理、儀器結構、儀器操作和數據處理的系統性學習[5]。以透射電子顯微鏡的虛擬仿真實驗為例，學生借助計算機和網絡虛擬平臺學習透射電鏡的原理、儀器的基本構造、電鏡進樣及樣品觀察操作和TEM數據分析，整個過程不僅增加了實驗成功率，同時大大縮短了實驗時間，并通過與平臺標準化操作和數據對比，對學生的操作進行評價和打分。因此，教育部大力支持虛擬仿真教學項目的建立，增加實驗教學內容廣度和深度，提升實驗教學質量和水平。

但是，透過虛擬仿真技術的光環，我們也發現了它的一些弊端。虛擬仿真平臺展示的大型儀器往往與學校配套的真實設備存在構造和細節上的誤差，并且一些儀器仿真平臺制作上的缺陷導致操作起來十分不方便，而一些比較重要的操作由于設計起來難度太大而取消了；另一方面，由于是在仿真實驗平臺上操作，學生不擔心大型儀器設備會出問題，所以細心度和耐心度都不夠，不停點擊“下一步”，一味地求快，學習效果大打折扣，這為虛擬仿真技術的應用埋下隱患[6]。

2 大型儀器分析實驗中虛實結合教學模式的探索

2.1 大型儀器分析實驗虛實結合教學模式的設計

內蒙古大學化學化工學院大型儀器分析中心于2011年至今引入多臺大型儀器設備，包括核磁共振波譜儀、X射線粉末衍射儀、場發射掃描電子顯微鏡、高分辨透射電子顯微鏡、核磁共振光譜儀、同步熱分析儀、比表面積及孔隙度分析儀、表面增強拉曼光譜儀、傅立葉變換紅外光譜儀、氣相色譜-質譜聯用儀、液相色譜-質譜聯用儀等，已經成為大型儀器分析實驗的教學基地。并在2020年獲批的教育部產學研育人項目“大型儀器原位表征系統虛擬仿真培訓項目”的支持下與北京歐倍爾軟件技術開發有限公司展開合作，將虛擬仿真技術引入大型分析儀器實驗教學中，開展大型分析儀器虛擬仿真實驗建設，以提高實驗的教學質量。

基于以上大型儀器分析條件，我們創新性地提出虛實結合的教學模式。所謂的“虛”，是指設計開發與我們的儀器匹配的大型儀器虛擬仿真培訓平臺，讓學生通過平臺學習儀器的原理、構造、基本操作、數據處理等基本知識。然后與“實”相結合，即學生分組進入大型儀器實驗室，由教師對比平臺的內容，將儀器的原理、結構、操作重難點等有針對性地講解給學生，讓學生將兩種方式獲得的知識進行疊加消化，提升學習效果。

以透射電子顯微鏡實驗為例，學生在虛擬仿真平臺中獲得的儀器原理與構造如圖1a所示，平臺的學習已經讓學生對儀器有了初步認識，再通過實物學習(圖1b)，通過教師的針對性講解，讓學生對TEM的認識更加深刻。同時TEM結構中進樣室是操作者密切接觸的部分，但是在虛擬平臺中是儀器自動進樣，不需要學生參與，而真實情況下進樣是TEM操作的難點，學生通過實物學習會切實體會到這一點。

圖1 透射電子顯微鏡的構造圖(a)和虛擬仿真平臺實物圖(b)

2.2 大型儀器分析實驗虛實結合教學模式的應用

以透射電子顯微鏡實驗為例，將全部實驗分成線上和線下兩部分。

2.2.1 線上教學——虛擬仿真實驗平臺

透射電子顯微鏡實驗的線上教學主要依賴合作開發的大型儀器虛擬仿真培訓平臺。學生通過學號登陸系統，選擇“透射電子顯微鏡系統”，該系統采用交互式教學系統與方法，分為操作前、操作中和操作后三個部分，由原理模塊、控件模塊、透射電子顯微鏡基本操作模塊、原位透射操作模塊、數據處理分析模塊、考核評價模塊6大模塊構成，具體的系統組成見圖2中左圖所示。該虛擬仿真系統是真實TEM儀器(美國FEI Tecnai F20)的仿真模擬，可視化和模擬仿真程度極高，并且其操作步驟與真實實驗高度相近，為學生的后續線下教學奠定良好的基礎。

圖2 透射電子顯微鏡實驗的虛實結合教學設計框架圖

該線上教學部分設有考核環節，只有通過考核(> 80分)才可以獲得下一步的線下教學資格。為提高教學效果，原理模塊、控件模塊和操作模塊都可以反復觀看，數據處理模塊如果結果評分不合格，可以申請重新學習和考核。

2.2.2 線下教學——實物儀器教學環節

完成TEM線上教學和考核通過的同學獲準參與實物教學，具體步驟如圖2右圖所示。在實驗前，每位同學需要完成虛擬仿真平臺中的TEM學習，并且考核成績達到80分以上，方可獲得線下學習資格。實驗過程中，首先進行分組，平均每6個人為一小組，在指定預約時間前往大型儀器分析中心的透射電鏡實驗室。線下教學分成三個步驟：首先由任課教師對TEM的原理和構造進行實物講解，加深學生的認識；然后突出講授TEM操作環節中的重點和難點，由TEM專管教師親自操作進樣和拍照，并講解操作標準規程和注意事項；最后由每一位同學獨立完成TEM拍照實驗。以上全部環節完成需要1.5–2小時。

實驗完成后，每一位同學會獲得自己的樣品照片，要求根據線上數據處理流程和教師的線下講解完成TEM圖片結果分析報告，并結合線上和線下全部實驗過程撰寫完整的實驗報告。最后的TEM實驗得分包括三部分：線上考核(30%)+線下操作(20%)+實驗報告和數據處理(50%)。

最后，線上和線下實驗完成后，需要增加反饋環節，以進一步改進這種虛實結合的教學模式。反饋分為學生和教師兩部分：(1) 學生在實驗操作結束后，需要在線提交對線下和線上實驗的評價，包括對線上實驗中軟件的改進建議，以及對線下實驗的反饋意見；(2) 線上實驗維護教師應該對實驗過程中出現的問題以及學生的意見進行匯總，從而進行線上實驗的改進和完善，同時線下實驗教師通過學生的實驗完成情況進行學生實驗效果的反饋，并對線下實驗的內容和過程進行調整，從而更好地配合線上實驗，實現線上和線下的最好銜接。

3 結語

內蒙古大學化學化工學院將虛擬仿真技術與大型儀器平臺實現完美對接，為學生提供虛實(即線上和線下)兩種實驗課堂，不僅能夠解決大型儀器分析實驗教學中存在的實驗資源緊張、教學成本高、理論與操作脫節等問題，而且可以創新教學模式、提高教學效率、提升學生興趣、保障實驗室安全，為創新型化工人才的培養提供助力。