居家做起云实验

徐玲玲 崔斌 刘哲

西北大学“储能材料的制备及表征综合虚拟仿真实验”通过软件模拟化学实验的操作过程，其中包含高温实验过程、高电压的测试和危险试剂使用等危险实验步骤，制备具有储能特征的功能陶瓷材料。

西北大学化学学科始设于1923年，其材料化学专业设立于1991年，2019年西北大学的材料化学专业被评为国家级“一流本科专业”。西北大学化学与材料科学学院较早就开始了虚拟仿真实验的建设，“储能材料的制备及表征综合虚拟仿真实验”是其典型。

仿真实验对校外同学开放，校外同学只需通过西北大学官网搜索相关实验项目，进行注册后，便可進行仿真实验。

进入仿真实验后，学生需要先了解与实验相关的知识。

然后，在三维场景中熟悉实验所涉及的仪器和装置及其重要部件。

了解仪器使用注意事项后，便可进入实验操作。

通过设置不同的实验参数，会得到不同的实验结果。制备纳米材料需要考虑很多因素，原料的配比、反应温度与反应时间等，都能影响结果。在实体实验中由于整个合成过程复杂、耗时长，学生很难进行不同实验参数的多组实验。学生们通过虚拟仿真实验，可以根据需要修改实验参数，得到不同实验参数下的实验结果。

实验加载中

扫描电子显微镜

热重分析仪

制备实验操作台

介电性能测试仪

虚拟实验可以实现传统基础化学实验室无法实现的教学

电容器储能具有储能密度高、能量释放速度快、可靠性高、安全性高、价格低廉以及较易实现轻量化和小型化等优点，是一种具有革命性的绿色能源技术，在电动汽车和混合电动汽车、内燃机机车启动、电力系统、微型计算机以及军工方面等都有着广泛的应用。

在制备储能这类陶瓷材料时，每一步需要进行3个小时以上的合成反应，反应完成后需要进行12～24小时的高温热处理步骤，还需要扫描电子显微镜、透射电子显微镜等大型仪器或者专用设备。但大型仪器或者专用设备的资源限制，本科教学中往往不能保证学生单人单台单次直接操作仪器进行样品的测试。

虚拟仿真实验可以更加有效地帮助学生学习相关大型仪器的原理以及数据处理过程，特别是化学专业学生在平时接触较少的电性能测试部分。

“虚拟仿真实验非常节省时间，我们平常做实验有的步骤耗时非常长，比如马弗炉中的药品凉却到室温使用往往需要很长时间，自然冷却可能要十几个小时，各种合成过程等等，不过在虚拟平台上面操作时，电脑会帮你省过这些时间，就大大提高了实验效率。”化学与材料科学学院大三学生张欧阳兴奋地说。

功能陶瓷材料的制备（可选择进行不同参数的实验）设置煅烧温度

调整溶液pH

功能陶瓷材料的制备（可选择进行不同参数的实验）设置反应物的加入量

烘干样品

實体实验高温煅烧实验涉及的马福炉（实际温度高于1200℃）

功能陶瓷材料的电性能测试结果（介温谱测试）

功能陶瓷材料的电性能测试结果（铁电测试）

均为产物的表征（不同实验参数对应不同的实验结果）

均为产物的表征（不同实验参数对应不同的实验结果）

第一次实验也不危险了

“储能材料的制备及表征实体实验会涉及一些高温、高电压的实验操作，具有很高的危险性。我们可以在虚拟实验中先熟悉这些实验的具体操作步骤及注意事项。”化学与材料科学学院大三学生张宇森说。

由于材料化学实验具有更强的综合性，使得材料化学实验具有实验周期长、实验涉及高温、高电压和危险化学试剂等特点，这就限制了本科生实验内容的选择。

传统化学实验大多都是学生按照实验课本上的内容一步步操作，步骤较为固定，注重的是实验技能的培养。学生为了达到预期实验结果束手束脚，因害怕失败而不敢尝试自己的方法。

虚拟仿真实验可以修改实验参数，而且可以快速地得到实验结果，将产物的结构、性能与实验参数联系起来，从而实现双向交互式实验方法，改变以往一个模式的实验，促进学生自主设计实验，完成实验。

学生们借助计算机模拟实验，学习规范步骤，当真正站上实验台后能减少卡壳、遗漏等错误，即使出现了错误，也可以通过和模拟中的各步骤实验现象作对比，快速找到错误，从而改正。