“材料分析方法”虚拟仿真实验教学系统建设及应用

曹 静，于 岩，李凌云，王 晨

“材料分析方法”虚拟仿真实验教学系统建设及应用

曹 静，于 岩，李凌云，王 晨

（福州大学 材料科学与工程学院，福建 福州 350108）

福州大学材料科学与工程学院通过建设材料分析方法虚拟仿真实验教学系统，充分利用其安全、高效、绿色环保等特点，为学生提供反复学习、多次练习、接近真实的操作体验。在虚拟实验项目的设计中,合理设计交互操作动作，嵌入多样化数据及夸张的动画效果，科学设置评价方式及实验要求，并采用“虚实结合”的教学方法，使材料分析方法实验教学质量显著提高，有助于提高学生的动手能力、科研能力和综合素质，为提高本科教育质量和人才培养质量做出重要贡献。

材料分析方法；虚拟仿真；实验教学

材料分析方法是材料学及其相关专业的核心课程，在本科人才培养中起着重要作用。作为一门建立在实验基础上的课程，该课程需配套开出相关内容的实验项目。以我校材料科学与工程学院为例，根据材料分析方法理论课内容，实验项目涉及扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线光电子能谱仪、X射线衍射仪、红外光谱仪、热重分析仪等大型精密仪器的操作。在过去传统的教学模式下，该课程的实践教学环节受到很多制约，可提供给学生动手操作的机会较少，学生对相关知识的理解停留在较抽象的理论水平，动手能力、解决问题的能力等均无法得到有效提高，教学效果不尽人意。尤其近年来，随着一流本科教学要求的提出，对实验课程的教学质量提出了更高要求，因此材料分析方法实验课程的改革势在必行。

1 材料分析方法课程中实验教学存在的问题

受到大型精密仪器设备成本及台套数等制约，在传统教学过程中，材料分析方法实验教学暴露出较多问题，主要表现为以下几个方面。

1.1 实验教学内容受限

大型精密仪器的操作相对复杂，需要投入较多的时间和精力去学习相关原理、熟悉仪器操作，但这些设备均为较贵重的仪器设备，操作注意事项较多，操作不慎易导致仪器故障或损坏，因此在传统教学过程中，为了保证设备正常运行，同时受时间和场地等限制，教师在设置实验内容时均有较多顾虑，例如对于红外光谱的测试，在科研或实际应用中，样品的状态有多种，测试时应结合样品情况选择不同的制样方法，并根据样品状态选择不同的测试模式。而由于种种限制，目前大多数高校在该项目的实验教学中，仅介绍溴化钾压片法和相应的透过测试模式，导致学生所获取的知识不够全面，限制了学生思维的拓展。

1.2 学生参与度低

在传统实验教学中，为了避免学生操作不当造成仪器故障或损坏，教师在制定实验大纲时一般只设计演示或验证性实验项目，如我校在过去的教学过程中，将涉及扫描电镜、透射电镜、X射线衍射仪等设备的实验项目设计为演示性实验，将傅里叶变换红外光谱、紫外光谱、显微激光拉曼光谱、热重分析等相关实验项目设计为验证性实验。在演示性实验教学过程中，教师预先准备好样品，设置正确的实验参数或条件，并演示仪器操作过程，学生则分组观摩学习，由于操作过程有许多细微动作，尤其很多过程在计算机界面完成，导致一些学生无法看清操作过程，更无法理解实验参数设置依据；在验证性实验教学过程中，学生虽然可以分组进行操作，但教师均提前给定实验参数、实验条件等的设定范围，学生仅允许在指定的小范围内进行设置，并根据指导书按部就班地完成操作，无法体验给定范围以外的参数带来的数据异常或错误等效果，因此只能知其然，而不知其所以然。

1.3 高危操作相关的实验教学效果欠佳

材料分析方法的实验项目涉及高压、高温、辐射、以及有害溶剂等的使用[1]，如扫描电镜、热重分析、差示扫描量热分析等实验中均涉及高压气瓶操作；X射线衍射、X射线光电子能谱等存在射线辐射；又如热重分析、差示扫描热量分析中涉及高温操作，如果学生设置温度过高或升温速度过快等，则可能导致样品发生意外反应，或仪器损坏等后果。因此相关操作过程一般由教师代为完成，或告知学生应如何设置，学生在教师的监督下按要求完成操作，很难培养学生高危实验项目的操作能力。

1.4 实验原理教学效果不理想

由于材料分析方法实验中很多项目涉及分子水平的结构变化，相对比较抽象，如红外光谱中不同的分子振动形式、紫外光谱中不同类型的电子跃迁等，在传统的理论灌输式教学方法引导下，学生主要靠机械记忆的方法掌握相关原理，很难深入理解分子结构变化与测试结果之间的关联。

2 虚拟仿真实验教学系统建设的必要性

提高材料分析方法类课程的实验教学质量，最为有效的解决方法是让学生有较多机会去操作相关仪器设备、学习并明确相关原理、掌握数据分析方法等。而利用现代信息技术[2]，采用虚拟仿真系统，将以往难以实现，甚至不可及的实验操作环节在虚拟环境中呈现[3-5]，尤其是上述大型精密仪器、高危操作等部分在虚拟仿真系统中实现[6]，使学生可以大胆尝试、 反复学习，使实验教学更加安全高效、绿色环保、不受时间和空间限制[7]，并突破传统教学方法的局限， 因此能够很好地解决传统教学方法在实践环节存在的问题。

3 虚拟仿真实验教学系统建设要点

利用虚拟仿真系统，不仅为学生提供反复操作大型贵重仪器的机会，还可以让学生自主设置实验参数，并体验不同参数的实验结果；对于上述涉及仪器安全、人身安全的操作部分，允许学生通过虚拟环境的不规范操作，体验可能带来的后果，使学生加深对安全相关注意事项的印象。充分利用虚拟仿真技术的功能和优势，彻底解决材料分析方法传统教学过程中存在的问题，达到理想的教学目的。

3.1 合理设计交互操作，贴合实验教学要求

虚拟仿真通过在模拟的三维空间中设计人机交互，实现物理世界与虚拟世界的无缝交融，其内容强调交互操作[8]。我校材料分析方法虚拟仿真实验教学系统将以往由教师代为完成的演示性操作部分，转变为由学生亲自操作。教师在设计虚拟仿真实验项目时，首先应明确要求学生掌握的操作有哪些，对于这些操作，需要对每一步交互动作进行仔细设置，并在虚拟仿真教学系统中设置学习和考核2种操作模式。在学习模式中，对这些交互操作进行提示，学生根据提示完成每一步操作；而在考核模式中，则要求学生在无提示情况下独立完成每一步操作。在“差示扫描量热分析实验”项目学习模式中，对样品制备过程，包括称量、坩埚盖扎孔、盖坩埚盖和压制等进行提示；而对于通过预习即可掌握的简单操作，或常规、基础的操作，如上述样品称量的过程，包括打开电子天平仓门、放入空坩埚、去皮、放入样品再次称量等，则不再详细提示，而要求学生在一次提示后，自行完成一连串动作并及时做好记录。

通过以上有针对性的设计，可以很好地解决以往大型精密仪器实验项目只能设计为演示性、验证性实验的弊端，彻底解决学生对操作过程看不清、学不会的问题。

3.2 巧妙设置多样化数据，拓展学习广度与深度

为了使学生了解不同实验参数或条件下的测试结果，并理解其原因，在设计虚拟仿真项目的数据时应充分考核多样化数据及效果。如在“红外光谱测试技术及谱图解析”虚拟仿真实验中，针对传统教学内容受限的情况，不仅设置了不同样品如可研磨固体粉末、不可研磨固体块状、含水液体、不含水液体、气体等的制样和测试方法，还结合以往实验教学经验，设置了不同制样条件所得的不同效果的压片及其数据，其中包括：

（1）理想样品，即按规范制备的干燥、均匀、较薄的压片，则吸收光谱基线平滑、透过率较高，出峰清晰易辨别；

（2）未烘干的样品所制备的压片，则吸收光谱出现明显的水峰；

（3）较厚的压片，则吸收光谱整体透过率较低，导致样品的部分特征无法显示；

（4）样品堆积不均，有裂纹的压片，则吸收光谱基线不平滑，影响峰的辨别。

如果学生在操作过程中出现不恰当的操作，则后续所测数据会出现相应的异常。这样的设计使实验教学不仅仅停留在“教师怎么教，学生就怎么做”的阶段，而且使学生不但知其然，更能知其所以然，进而拓展了学习的广度与深度。

3.3 适当设计动画效果，加深学生学习印象

对于一些涉及操作者人身安全、仪器安全等的操作，如上述高压、辐射、高温等，根据不规范操作可能导致的后果，将其设计为夸张的动画效果并进行呈现，通过视觉冲击给学生带来深刻印象，可以起到很好的警示作用，使学生在真实环境中接触到相关操作时能引起注意，按规范操作，同时也培养了学生的规范操作意识和安全意识。

对于实验相关的抽象原理[9]，同样可以采用虚拟仿真动画的形式进行呈现。如“有机化合物的红外光谱”虚拟仿真项目的原理和数据分析部分，将化合物中某些化学键或官能团的不同振动形式：伸缩振动、弯曲振动等制作成三维动画，并与分子结构及测试图谱相关联，使学生建立起分子结构、振动形式以及相应红外吸收光谱的知识体系。

3.4 “虚实结合”构建多元化教学模式

本着虚拟仿真建设“能实不虚，虚实结合”[10]的原则，材料分析方法课程在虚拟仿真实验教学的基础上，还设置了线下操作指导和分组操作考核环节。因此一个完整的学习过程包括：课前预习理论相关知识、线上虚拟仿真操作练习、线上虚拟仿真操作考核、线上提交预习报告、线下操作考核、线下提交实验报告等环节（见图1）。此外，学有余力的学生还可以在教师的指导下开展课外科研、拓展训练，利用课余时间进入实验室，参与教师科研课题，了解学科前沿动态。教师的角色由传统的实验演示者或知识灌输者转变为问题设置者、学习过程监督者和引导者，教师还通过虚拟仿真系统的答疑室随时与学生在线交流[11]，大大提高了学生学习的积极性。

图1 材料分析方法实验教学流程图

3.5 科学设置评价方式，促进学生能力培养

借助虚拟仿真技术，在实验内容和考核要求的设置中，可以不受传统方法的限制，而是以学生能力培养为目标，坚持问题导向和需求导向。为了提高学生参与学习的积极性，新型教学模式下的实验成绩由线上操作考核成绩、预习报告成绩、线下操作考核成绩和实验报告成绩组成。其中，在线上考核环节，根据实验目的、要求和安全注意事项等，将重要环节的分值提高，对于一些高危操作、可能损坏仪器的操作等，设置为关键考核点。在线下考核环节，教师设置具体问题，要求学生在规定时间内正确完成操作或解决所设置的问题。

此外，还可提高实验要求，将原来演示性、验证性实验设置为综合性、设计性实验[12]，图2所示为我校材料分析方法中各实验项目及其实验类型。如将“红外光谱测试技术及谱图解析”设置为综合性实验，要求学生不但要学会红外光谱仪的操作方法，掌握数据处理、作图及分析方法，同时对于给定的不同状态的样品，能正确选择制样方法和工具，制备出成功的样品，并根据谱图结果评价制样效果，分析数据异常的原因等；将“扫描电镜观察样品组织结构”设计为综合性实验，不仅要求学生掌握不同样品的制样及表面处理方法、表面形貌观察方法，还结合扫描电镜配套的能谱仪对样品组成进行分析和研究；又如将“热重分析实验”等项目设置为设计性实验，要求学生在预习查阅文献的基础上，根据实验目的，结合样品特性，如玻璃化温度、熔点等设计合理的测试温度和升降温速度等实验条件。

图2 材料分析方法实验项目及其实验类型

4 建设成效

通过材料分析方法实验教学系统的合理建设和有效应用，充分利用虚拟仿真技术的功能和优势，为学生提供随时随地学习、反复操作练习的机会，从根本上解决了传统教学方法存在的问题，使实验教学不受时间、空间的限制；通过逼真的操作体验、线上师生互动交流、动画效果等，提高了学生对材料分析方法实验的学习兴趣和积极性，实验教学效果得到显著改善[8]；多样化虚拟仿真实验教学使学生知识面得到拓宽，思维更加开阔，有利于培养学生思考问题、解决问题的能力和创新能力；高危操作的动画效果不仅使学生加深了学习印象，更能培养学生的安全意识和良好的实验习惯；线上线下结合的多元化教学模式，使学生基本具备独立操作大型仪器设备的能力，从而使大型仪器设备有条件面向本科生开放使用[13]，为学生参加课外科研创新训练[14]和各类学科竞赛奠定了基础，对学生动手能力、科研能力的培养大有裨益。

5 结语

通过建设“材料分析方法”虚拟仿真实验教学系统，合理设计实验内容及要求、巧妙设计多样化数据及动画效果，并本着“虚实结合”的原则采用线上线下结合的教学，不仅能够解决材料分析方法实验在传统教学过程中存在的问题，提高学生对该实验课程学习的积极性和主动性，改善材料分析方法中的实验教学效果，同时还可提高学生的科研能力和综合素质，为材料学及相关专业的人才培养提供了新思路。

[1] 李亮亮，赵玉珍，李正操，等.材料科学与工程虚拟仿真实验教学中心的建设[J].实验技术与管理，2014, 31(2): 5–8.

[2] 申文竹，王斌，刘丽，等.多媒体虚拟仿真技术在材料科学实验中应用[J].实验科学与技术，2018, 16(3): 64–66.

[3] 费景洲，张鹏，马修真，等.船舶动力技术实验教学中心内涵建设探索[J].实验技术与管理，2014, 31(6): 158–161, 168.

[4] 张立松，闫相祯，杨秀娟，等.虚拟仿真技术在复杂工程力学问题实验教学中的应用.实验技术与管理，2014, 31(9): 102–105.

[5] 马文顶，吴作武，万志军，等.采矿工程虚拟仿真实验教学体系建设与实践[J].实验技术与管理，2014, 31(9): 14–18.

[6] 陈国辉，刘有才，刘士军.虚拟仿真实验教学中心实验教学体系建设[J].实验室研究与探索，2015, 34(8): 169–172, 185.

[7] 王静，杨金萍，王春梅.虚拟仿真在无机非金属材料实践教学中的应用[J].实验技术与管理，2015, 32(7): 107–108, 112

[8] 李霞.材料力学虚拟仿真实验系统的开发[J].实验技术与管理，2016, 33(12): 125–127.

[9] 孔祥清，曲艳东，李韧，等.材料力学课程教学改革与实践探讨[J].实验技术与管理，2017, 34(2): 174–178.

[10] 明仲，蔡茂国，朱安民.虚实结合建设高水平虚拟仿真实验教学中心[J].实验室研究与探索，2017, 36(11): 146–150, 165.

[11] 贠冰，孙建林，熊小涛，等.材料虚拟仿真实验中心建设及共享的思考与实践[J].实验技术与管理，2018, 35(10): 197– 199.

[12] 迟静，吴杰.“材料分析测试技术”研究型综合性实验设计[J].实验技术与管理, 2018, 35(11): 208–212.

[13] 贠冰，孙建林，熊小涛.虚拟仿真实验在大型仪器设备开放共享中作用的探讨[J].实验技术与管理，2015, 32(10): 119– 124.

[14] 刘来玉，陈晨，董焱，等.虚拟仿真实验教学助推双创教育的探索与实践[J].实验技术与管理，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学改革研究项目（FBJG20180202）；2017年福州大学高等教育教学改革工程项目（校教[2017]44）

曹静（1984—），女，山西临汾，博士，实验师，主要研究方向为材料学及相关专业实验教学、教学改革。E-mail: caojing@fzu.edu.cn