原位變溫X射線衍射虛擬仿真實驗建設與實踐

張萬群，朱平平，邵偉，胡萬群

化學國家級實驗教學示范中心(中國科學技術大學)，合肥 230026

X射線衍射分析是利用X射線在晶體物質中衍射效應進行材料組成和原子尺度級別微觀結構分析的技術，因此成為研究材料多晶結構及其與性能關系間的重要手段[1-4]。很多高校已把X射線衍射分析納入儀器分析理論課和實驗課課程當中[5]。

近年隨著材料科學迅猛發展，原位表征技術越來越受到重視。原位變溫X射線衍射就是在體系隨溫度變化過程中對材料進行定性、定量以及結構變化測量，來揭示材料隨溫度變化的機理，因此它在相變機制[6]、化學反應動力學[7]、非晶合金材料的退火與結晶和低溫超導等研究中顯得尤為重要[8]，但是原位變溫X射線衍射儀結構復雜、價格昂貴，且測試時間長、維護成本高，另外X射線可能的泄露對人體也存在著潛在的風險，這使得原位變溫X射線衍射分析實驗教學開展受到諸多制約，同時傳統教學在有限實驗課時內對原位變溫X射線衍射測試過程的復雜參數的科學設置和數據解析深入探索的難度非常大，精準測量和精確計算難以達到，導致X射線衍射先進分析技術相關內容成為了儀器分析實驗教學難點。

2018年教育部下發的《關于狠抓新時代全國高等學校本科教育工作會議精神落實的通知》中明確提出：各高校要全面梳理各門課程的教學內容，淘汰“水課”、打造“金課”，合理提升學業挑戰度、增加課程難度、拓展課程深度，切實提高課程教學質量。虛擬仿真就是其中的一種“金課”，它利用教學信息化，從情景教學、模擬教學、可監控的學習過程、有效評價學生學習效果等方面改進傳統的課堂教學模式，解決了“做不好”“做不到”“做不上”及“做不了”的問題[9]。2015年，中國科學技術大學化學實驗教學中心結合學院自身實驗教學及科研需求，基于原位變溫X射線法研究無鹵阻燃材料氫氧化鎂熱分解過程，開發了原位變溫X射線衍射虛擬仿真實驗。通過此實驗，學生了解儀器的基本構造和原理，掌握精準測量和精確計算的方法，通過獲得的計算數據，詳細探討氫氧化鎂熱解行為，理解其作為阻燃劑的原理及探究材料性能改進措施等，激發學生的創造性思維，提高學生的科學素養[10]。

1 “線上線下-虛實結合”教學體系

化學是一門實踐性很強的學科。儀器分析實驗這門課是針對實踐應用過程中要用到的大型儀器而設立的一門實驗課，它是具有多學科交叉性、發展性和前沿性的學科，近年來在化學研究中發揮著越來越重要的作用，因此儀器分析實驗課程已成為化學類及其相關專業本科生必修的專業基礎課之一，其中X射線衍射分析是儀器分析實驗重要組成部分之一。中國科學技術大學化學國家級虛擬仿真示范中心結合儀器平臺和原位變溫X射線衍射虛擬仿真系統、視頻等信息化平臺，采用線上線下自主、合作、探究式教學模式進行層次化教學，在掌握X射線衍射分析基礎技能上，加強X射線衍射分析方法的綜合應用與創新，培養學生綜合能力和高階思維，教學體系如圖1所示。

圖1 “線上線下-虛實結合”教學體系

首先學生課前完成線上預習和緒論課。教師借助學校Blackboard平臺完成線上緒論課，依托原位變溫X射線衍射虛擬仿真實驗在線平臺上傳預習資料，包括相關PPT課件、基本操作視頻等。本實驗所屬的儀器分析實驗線上學時約占總學時的30%。

虛擬仿真實驗通過高度仿真X射線衍射儀及實驗環境，設置了練習模式和考核模式兩種實驗場景。通過虛擬仿真原位變溫X射線衍射實驗的全過程，使學生了解并掌握粉末X射線衍射分析方法及應用，因此本實驗的重點在于訓練學生對樣品的精準測量和利用晶體結構分析軟件對實驗數據的科學分析。在實驗測試仿真過程中重點訓練樣品制備、光路調整以及參數設置。樣品制備是分析測試的第一步，對測試結果有重要影響。仿真樣品制備，針對樣品制備的差異，如樣品在光路中位置的高低、顆粒大小以及分布均勻性等影響，得出不同譜圖結果。系統采取問題過程考核，再結合線下實際操作，使學生真正理解樣品顆粒大小、分布均勻性、樣品量以及有無擇優取向對測試數據的影響。在數據分析仿真模塊中，以理學SmartLab大功率X射線衍射儀自帶的PDXL軟件工作站為數據分析原型，自主研發仿真數據處理系統。此系統結合粉末衍射數據分析原理，通過設計模型和數據分析過程，強調關鍵分析步驟的容錯設計，并且在關鍵知識點進行考核設計，和后續的操作緊緊相扣，注重實驗過程中各知識點的總結和反思。通過此仿真系統，學生隨時隨地線上學習，掌握物相、晶粒尺寸、晶格畸變和晶格常數等科學分析方法。另外，仿真系統通過后臺可以對重要參數進行重新配置，建立豐富測試樣本庫，無需修改代碼即可滿足個性化教學需要。

原位變溫X射線衍射虛擬仿真實驗是一個綜合探究性實驗，在數據分析學習過程中如果遇到問題，可參閱線上資源尋求解決的方案或自行在網上查閱文獻進行解決。學生也可在線上的答疑解惑模塊提出問題，由教師和其他學生進行解答，或者帶著線上問題，在線下實驗中進行討論。這種教學模式將充分調動學生的積極性，學生由過去的被動參與者的角色轉變為主動參與者。隨著學習的深入和推進，學習中遇到的問題一一得以解決，學生分析問題和解決問題的能力得到極大的鍛煉。

學生在實驗平臺完成預習與虛擬仿真練習版實驗等環節后，正式進入實驗室時，對實驗內容和基本操作己有較好的認識和理解。雖然教師沒必要再對實驗內容知識點進行詳細講解，但是針對實驗內容的關鍵問題進行提問，并引導學生積極思考與回答，以考查學生對實驗關鍵知識點與操作注意事項的掌握情況。與此同時，學生針對自己不理解的問題，與同學進行討論，教師針對具體實驗原理、實驗方法、影響因素、結果分析進行答疑、講授，如怎樣調整光路、精準測量、物相鑒定、晶粒尺寸和晶格常數的科學分析等，激發學生的學習主動性與積極性。線下實驗實際操作時，學生分為2-3人一組，進行小組式輪流操作。由于實驗課時限制，線下實驗內容限定于X射線衍射物相分析實驗。教師巡視和觀察學生的操作情況，對于不規范的操作和有安全隱患的地方進行指導和糾正。實驗完成后，教師對本次實驗進行總結，并對實驗過程中大家存在的共性問題進行統一點評與解答。

課后，本課程要求學生完成原位變溫X射線衍射虛擬仿真綜合性實驗考核模式實驗，總結、內化吸收與鞏固實驗知識點，完成虛擬仿真實驗報告，同時將出現的問題通過線上平臺或QQ、微信反饋給教師；教師在網絡平臺上組織學生參與線上交流、答疑、討論活動，并將學生反饋的問題及實驗中出現的問題進行歸納、總結。最終，教師根據學生的預習自測、虛擬仿真實驗成績、線下實驗操作規范和實驗報告等對學生進行多元量化綜合考核，同時把立德樹人理念如誠實勞動、信守承諾和誠懇待人等與課程考核機制相融合。最后教師根據每個環節的重要性分配各部分的權重，并按公式計算學生實驗的總成績，本實驗成績線下實驗占60% (包括實驗操作規范及素養10%，考核50%)，線上實驗占40%。

2 原位變溫X射線衍射虛擬仿真實驗建設

2.1 原位變溫X射線衍射虛擬仿真實驗設計思路

本實驗項目并不是儀器廠商操作說明書，不僅讓學生學會怎么操作儀器，而且向學生強調實驗原理，掌握得到精準的測試數據和精確計算的方法以及提高專業知識的互聯網思維能力，讓學生了解原位變溫X射線衍射在材料分析領域中可以解決什么實際問題以及解決問題的方法。實驗突出綜合性、研究性和實用性特點。

2.1.1 本實驗內容突出綜合性特點

本實驗內容突出綜合性特點，涉及X射線衍射表征的諸多概念和技術，如布拉格衍射、X光管、測角儀、聚焦光路、物相分析、晶粒尺寸、晶格畸變、晶格常數、熱解相變等。本實驗通過若干虛擬化典型場景將上述概念和技術融為一體。例如：在“晶格常數精確計算”中，學生不僅要學會對所用的衍射譜進行分析，還要知道如何制備樣品，如何設置參數，才能得到一張適合做數據分析用的衍射譜，進而又要知道怎樣處理數據和消除誤差，不同的計算方法對結果有什么樣的影響，應該如何避免等等一系列的問題。學生必須綜合運用多門課程所學知識，并將其與實際系統和具體應用的特點相結合，才能順利完成實驗和正確理解結果。

2.1.2 本實驗設計突出研究性特點

本實驗不僅包含基本的演示和操作環節，還要求學生在顯示多種結果和提示解釋基礎上對選擇參數和計算方法進行認真分析，并提出自己的系統優化方案。通過物相分析、晶粒尺寸和晶格常數變化，學生深入探索氫氧化鎂材料熱解行為，理解其作為阻燃劑原理及探究材料性能改進措施。這些充分體現了研究性特點，激發學生創新意識。

2.1.3 本實驗設計突出實用性特點

原位變溫X射線衍射儀虛擬仿真實驗虛擬場景逼真度高，使用者在場景中進行靈活的交互式操作，配置儀器中的主要功能模塊，靈活設置參數，軟件系統能夠自動地實時模擬相應的實驗數據，并且得到與真實實驗相似的實驗結果。學習者在虛擬系統上隨時進行反復多次的演練，熟練操作儀器后，可以在非工作日，在原位變溫X射線衍射儀上獨立操作和數據分析，這樣可大大提高大型儀器的使用效率。以中國科學技術大學化學實驗教學中心的原位變溫X射線衍射儀為例，實施虛擬仿真實驗系統學習后，學員獨立操作原位變溫X射線衍射儀的測試機時從2016年的160多小時上升到2019年430多小時。

2.2 原位變溫X射線衍射虛擬仿真教學系統的構建

本實驗以前沿性和時代性課程內容為目標，克服了傳統X射線衍射實驗內容與方法的單一性，拓展了X射線衍射實驗教學的廣度和深度，構建了原位變溫X射線衍射虛擬仿真實驗教學系統。通過該系統的學習，使學生充分理解原位變溫X射線衍射的基本原理，掌握精準的測試數據和精確計算方法，通過獲得的材料分析計算數據，詳細探討氫氧化鎂熱解行為，理解其作為阻燃劑原理及探究材料性能改進措施，培養學生利用大型儀器解決復雜問題的綜合能力。

原位變溫X射線衍射虛擬仿真實驗教學系統突出教學過程的完整性，流程如圖2所示。通過實驗預習、預習測試、仿真練習、仿真考核和實驗報告等多個實驗環節，構建完整的實驗教學過程。虛擬仿真實驗根據實驗步驟，大致可分為原位變溫X射線衍射儀結構和原理、樣品測試、物相分析、晶粒尺寸及晶格畸變分析和晶格常數分析五個模塊依次進行。

圖2 原位變溫X射線衍射虛擬仿真實驗教學系統流程圖

2.2.1 原位變溫X射線衍射儀結構和原理仿真模塊

首先，學生進入原位變溫X射線衍射儀構造和原理認知階段(圖3)。在結構展示區域中，學生能看到儀器內部逼真的單元部件，并通過回答認知過程中設置的考核題進行自主式學習。系統引導學生理解光路中不同部件的組合方法及作用，例如對不同樣品，光路中不同狹縫的組合對測試數據帶來的影響等。在認知過程中，系統通過二維、三維和動畫視頻的方式說明，使學生更加直觀地掌握儀器結構對應的知識點，加深對儀器原理的理解。

圖3 原位變溫X射線衍射儀構造和原理認知示意圖和界面

2.2.2 原位變溫X射線衍射樣品測試模塊

本仿真模塊以理學SmartLab原位變溫粉末X射線衍射儀為原型，通過虛擬仿真原位變溫粉末X射線衍射測試的全過程，使學生了解并掌握其測試方法。樣品制備對測試結果有重要影響。學生經過樣品制備仿真練習，并通過設置的相關考核題，理解樣品在光路中位置高低、顆粒大小及均勻性等因素對實驗結果產生的影響，如圖4。基于原位變溫會造成樣品高低位置變化，系統設置了對測試過程中光路校正仿真，此操作不同于常規X射線衍射測試。本仿真系統通過變溫參數設置，考查溫度上升速率以及保留時間對樣品相變溫度點測定的影響(圖5)；通過標樣校正來選擇樣品測試參數，考查掃描速度和狹縫對測試數據準確度的影響(圖6)。學生選擇不同參數，顯示多種結果和提示解釋。當學生在操作不正確情況下，仿真系統出現錯誤結果，經系統提示，學生再優化操作方法。學生在系統中要通過儀器測試參數相關關鍵知識點考核測試，從而深入理解儀器測試參數的意義。

圖4 原位變溫X射線衍射樣品制備界面和樣品測試示意圖

圖5 原位變溫X射線衍射變溫參數設置界面

圖6 原位變溫X射線衍射樣品掃描測試界面

2.2.3 原位變溫X射線衍射物相分析模塊

通過原位變溫X射線衍射實驗訓練，學生理解了X射線衍射及材料原位測試原理，在精確測試數據的基礎上，讓學生掌握物相分析方法。在本仿真模塊中，學生按照原位變溫X射線衍射數據，通過虛擬仿真粉末衍射物相檢索的全過程，理解正確設置檢索條件(如數據庫、元素限定等)是物相檢索的關鍵，同時結合線下X射線衍射物相分析實驗，理解物相檢索需要相關領域的專業知識和經驗積累，真正掌握粉末X射線衍射物相正確分析方法。學生把此方法應用于原位變溫X射線衍射物相分析中，研究氫氧化鎂熱分解在不同溫度和保溫時間下的相變機理(圖7)。

圖7 原位變溫X射線衍射物相分析示意圖和界面

2.2.4 原位變溫X射線衍射晶粒尺寸及晶格畸變分析

這個模塊主要是利用虛擬仿真數據分析系統開展氫氧化鎂熱解產物的晶粒尺寸及晶格畸變變化研究，見圖8。學生通過數據處理，掌握X射線衍射的近似函數法，測定在不同溫度下煅燒氫氧化鎂獲得氧化鎂(MgO)晶粒大小和晶格畸變，探索納米粉體MgO的晶粒大小和晶格畸變隨溫度變化規律，理解材料微結構表現出的溫度和尺寸效應。

圖8 原位變溫X射線衍射晶粒尺寸及晶格畸變分析示意圖和界面

2.2.5 原位變溫X射線衍射晶格常數的精確計算

在這個實驗模塊中，主要是利用X射線粉末衍射技術開展變溫條件下的晶體結構變化動力學研究。在實驗中，學生利用虛擬仿真數據分析系統，開展不同溫度下氫氧化鎂熱解后氧化鎂的晶格常數精確分析。仿真系統通過容錯設計和考核，讓學生掌握造成晶格常數測量誤差的原因以及如何消除誤差的方法，掌握晶格常數精確計算方法。數據分析步驟及仿真界面如圖9所示。

圖9 原位變溫X射線衍射晶格常數分析示意圖和界面

學生完成氫氧化鎂熱解所有溫度點數據分析后，提交整個實驗完成情況，把實驗中得出的各個溫度點的物相、晶粒尺寸和晶格常數填入平臺“實驗報告”表格，線上提交(圖10)。學生根據所得數據課后詳細探討氫氧化鎂熱解行為并理解其作為阻燃劑的原理及探究材料性能改進措施。

圖10 原位變溫X射線虛擬仿真實驗教學平臺

2.3 原位變溫X射線衍射虛擬仿真實驗考核及教學效果

2.3.1 虛擬仿真實驗考核

仿真實驗采用多元化、過程性考核方式，強化學生對實驗結果造成影響的關鍵因素的理解。

除了傳統實驗報告外，虛擬仿真實驗教學平臺收集管理學生預習效果和課后考核。虛擬實驗軟件后臺，將會自動記錄學生的操作情況和互動答疑信息，并將實驗結果與系統預設參考數據相對應，自動給出考核結果，對學生的專業綜合實驗技能進行合理評價。平臺建立完善的反饋機制，教師根據反饋信息實時了解學生對相關知識的掌握程度，針對薄弱環節對學生進行輔導，同時反饋信息為教師改進和完善實驗提供參考。另外根據校內、外學生反饋，教師持續改進相關教學考核要求，以適應不同學校和專業，比如數據計算結果誤差的要求等。詳細評分如表1所示。

2.3.2 虛擬仿真教學效果

“原位變溫X射線衍射虛擬仿真實驗”獲批2019年國家虛擬仿真實驗教學一流課程。在國家虛擬仿真實驗教學項目共享平臺上線后已獲得8610次的瀏覽量，實驗人數達到2412人，加上在校級平臺實驗人數，2019-2021實驗總人數達到3500人，取得了很好的推廣應用效果。此外，通過記錄數據可以看到，做實驗的人中，實驗通過率達到99%，其中達標(合格)率達到了55.8%，優秀率為43.2%，此結果表明實驗內容及考核設計較為合理。本虛擬仿真實驗項目經過半年的運行使用，取得了良好的教學效果。本科學生在教學反饋中表示：此實驗沉浸感強、導航明確，提供的詳細輔導材料有利于自學；系統可提供實驗前、實驗中和實驗后理論知識點和操作的考核情況，并進行評價；在實驗中對誤操作進行提示，學生可以反復練習，并且與線下實驗相結合，加深了對關鍵知識點的理解。我們對虛擬仿真實驗教學在實驗內容、教學形式、在線互動和課程資料方面滿意度進行調查，總體滿意度較好，結果如圖11所示。

圖11 原位變溫X射線虛擬仿真實驗滿意度調查結果

3 結語

原位變溫X射線衍射虛擬仿真實驗建設為大型儀器實驗教學提供了更多的可能性，填補了實驗原理難以理解、有危險性、資金和時間成本高、實驗條件和數據處理嚴格且又具有重要的專業性的綜合實驗在本科X射線衍射實驗教學中的空白。同時開展的線上線下混合教學模式體現了“以學生為主體，教師為主導”的教學理念，培養了學生利用大型儀器解決復雜問題的綜合能力和高級思維。當然，在大型儀器虛擬仿真實驗教學的具體實施過程中，也存在一些亟待解決的問題：

(1)在原位變溫X射線衍射虛擬仿真實驗建設中，實驗教師構建了實驗教學內容，軟件技術公司雖然在信息技術方面具有優勢，但不了解學科專業知識，所開發的軟件系統存在一些缺陷，無法充分滿足實驗教學要求，因此在教師團隊中，需培養對信息技術熟練應用的儀器分析實驗專業教師作為項目指導；

(2) X射線衍射本身具有集多學科知識于一體的特征，部分實驗內容比較晦澀難懂，學生預習效果不佳，因此學生在線上實驗之前應選修相應的專業理論課；

(3)盡管虛擬仿真實驗教學系統可以實現高仿真實驗場景，但是與實際情景還是有差別。在實際儀器設備的使用中有很多通過實際操作而獲得的經驗，目前這些是虛擬仿真實驗無法替代的。