大型仪器XCT在本科生探究性与创新性实验中的应用

彭 宇， 钱匡亮， 余世策， 朱 斌

（浙江大学建筑工程学院，杭州 310058）

0 引 言

大型仪器是高校及科研院所开展科学研究的必备设施，近年来，随着国家对科研项目经费投入的增加，各大高校均引进了大量先进的大型科研仪器。如何更有效地发挥大型仪器的效用，成为许多高校所面临的棘手问题［1-2］，开放共享是提高仪器使用效益的主要方向［3-4］。近年来，将大型科研仪器用于本科生实验教学成热门研究课题［5-9］，将原来主要用于科学研究的大型科研仪器用于本科生实验教学，能够促进大型仪器的使用效率，提高大型仪器的使用机时［10-14］。X光计算断层扫描（X-ray computed tomography，XCT）是一种利用X射线进行三维结构分析的先进测试技术，近年来在各个学科中被广泛运用［15-16］。我校建筑工程学院2016年引进一台XCT机，主要用于各种土木工程材料、岩石、岩土等内部物相与缺陷的三维空间结构研究。为进一步提升XCT机的使用效率并扩大其影响力，自2018年起将其引入到本科生以兴趣为导向的实验课程（探究性与创新性实验）中。该课程旨在通过将用于科学研究的大型仪器用于本科生课程之中，提升本科生科研能力，提高大型仪器的使用效率。本文从仪器基本原理、实验开展过程、往年经典案例与大型仪器管理等方面全方位介绍了该实验课程，并讨论了课程开展效果。

1 探究性与创新性实验教学模式

1.1 探究性与创新性实验的提出

实验教学是高校教学与科研中重要组成部分，是培养学生动手能力、科研能力与创新能力不可或缺的一环。实验教学能够促进学生对理论知识的理解，是理论与实践之间的桥梁。一些理论知识，特别是理工科专业所涉及的一些原理、定理必须经过实验的验证才能够真正被学生理解，而在科学研究中，一些科学假说也必须经过实验的验证才能真正被认识。在土木工程领域，实验教学显得尤为重要，土木工程材料及结构的物理及力学性能均需要经过实验验证才能用于实践。土木工程专业学生在本科生阶段需要学习大量基础性实验和实践类课程。为了进一步提升学生的科研素养、动手能力、自主学习等能力，并进一步推进高校大型仪器的开放共享，以本学院各试验平台为依托，在本科生中开设了探究性与创新性实验课程，旨在通过将用于科学研究的大型仪器用于本科生课程之中，提升本科生科研能力。

1.2 探究性与创新性实验的教学过程

依据探究性实验教学特征将整个教学过程分为初识、准备、实施、整理与总结等5个阶段，如图1所示。一般一学期由18周构成，最末两周为考试周，因此实验过程为16周。其中理论教学2周，主要包括介绍XCT的基本原理、机器的结构与组成，这一部分的教学通过线上与线下结合的方式完成；准备阶段为3周，包括实践教学与实验方案设计，实践教学阶段的主要目的在于使学生能够熟练地利用XCT机器获取数据并利用相关软件进行数据处理与分析；实践教学进行过程中，由学生自主撰写试验方案，包括阅读文献、撰写文献综述、设计试验方案、拟定试验日程等。这个过程需要教师积极地进行引导，并对学生所撰写试验方案的可行性、合理性等进行修订和完善，之后便可开展试验；实验实施阶段是课程重点，耗时为8周，通过准备阶段的训练，此时学生已经能够迅速按照试验计划进行试验，包括样品制备、样品养护、样品处理、XCT拍摄、数据处理、结果分析等；之后是为期2周的报告撰写阶段，这一阶段可与实验实施阶段重叠；最后1周为课程汇报，学生以PPT形式汇报所完成的项目，并与不同小组之间进行交流。

图1 探究性实验教学5个阶段的内容与时间安排

1.3 发挥研究生的参与作用

从两方面积极发挥在实验室从事研究工作的研究生在探究性与创新性实验课程中的作用，①研究生可从仪器操作与数据处理等方面对本科生进行指导；②研究生可将其课题的一些任务分离出来作为课程的一个项目，交由某个小组完成。在课程进行过程中，研究生可作为项目的负责人，一同与本科生进行实验方案设计、样品制备与数据处理等，并在整个过程中对本科生进行适当的引导。这不仅能够更加顺畅地保证课程的进行，也能使本科生更深入地了解和接触科学研究的全过程。在这个过程当中，培养本科生科研能力，并激发其对科研的兴趣，也有助于优良学风的传承。

2 经典案例介绍

2.1 淤泥土中固气液三相的含量测定

所有建筑、构筑物均建立在一定的土层之上，土体质量的好坏直接影响上层建筑的质量与稳定，土的各项技术指标中，土中各相（固、气、液）的组成及含量对土体的物理力学性能具有决定性影响，因此利用适当的测试技术对土中三相进行表征显得尤为重要。XCT在该方面具有不可比拟的显著优势，XCT测试样品不需要任何的前处理，测试过程中对样品没有损伤，不会改变样品中各组分的状态和含量，可以得到样品内部各相的空间结构与分布。XCT测试时，利用X射线从不同角度透过样品后得到不同角度的投影图，基于不同密度的物质对X射线的衰减程度不同，对投影数据进行重构后便可以得到不同密度的物质在空间上的分布。图2所示为学生从现场经过钻芯机所钻取的淤泥土的XCT图像。图2（a）、（b）与（c）为样品从不同角度所得的切片图，图2（d）为其三维结构图。由图2（e）可知，其中最亮的颗粒为淤泥土中的石子，稍暗些的为密度较高的土，其次为低密度土，黑色区域为孔隙，而介于孔隙与低密度土之间的灰色区域为水。

图2 淤泥土的XCT图像

基于不同密度物质的灰度差，可以将不同物质分别提取出来并通过软件进行染色，这里将淤泥土的物质从密度低到高分为5类，分别为空气、水、低密度土、高密度土与石子。图3所示分别为染上了不同颜色的5种物质的三维空间结构，其结果直观、形象，同时还可得到不同物质的含量；图4所示为5种物质的体积百分含量。

图3 淤泥土中5种物质分割后的渲染图

图4 基于XCT数据计算的淤泥土中固气液三相的含量

2.2 钢纤维混凝土

混凝土是目前用量最大的建筑材料。为了使其具有更优异的性能，现代混凝土中常常加入各种增强材料，其中加入钢纤维可显著提高混凝土的强度和韧强度和韧性测定性。钢纤维及孔隙在混凝土内部的分布对其性能影响显著，传统方法要得到混凝土内部各相的分布，需要对其进行破坏或切片，而XCT技术则可原位、无损测试，且由于钢纤维、孔隙与混凝土各相的密度差异较大，因此用XCT研究钢纤维与孔隙分析是适宜的。图5所示为2018年参与探究性实验的学生所做的实验。图5（a）为加载后试件的XCT三维图像，可以看到钢纤维增强混凝土的柔韧性要明显大于普通混凝土。由于钢纤维能够阻止裂缝扩展，且在裂缝处起桥接作用，因此可以看到产生巨大裂缝时，混凝土仍然没有断裂。图5（b）为混凝土内部钢纤维的三维分布，同时可以得到钢纤维的朝向信息，其中红色代表纤维水平分布（与水平方向夹角小于30°），蓝色代表竖向分布（与水平方向夹角介于60°～90°之间），绿色代表斜向分布（与水平方向夹角介于30°～60°之间）。图5（c）为内部孔隙的三维分布，可以准确得到每个孔隙的体积、形态、空间位置等信息。这些信息，大大有助于学生对钢纤维混凝土宏观与微观性能的认识与理解。

图5 钢纤维混凝土的XCT图像

3 探究性与创新性实验效果评价

3.1 丰富课程体系

传统土木工程类实验主要为宏观、力学实验，而建筑、结构、材料等的宏观性能由微观结构所决定，宏观结构的性能损伤必始于微观结构的变化，因此只有了解了材料、结构的微观结构，许多宏观现象才能够被理解和认识。因此，通过开设该类课程，能更全面地涵盖土木工程领域所用的材料及结构在不同环境中性能的优化和劣化机理，丰富土木工程类实验课程体系。

3.2 提升学生科研能力与兴趣

与宏观结构不同，微观结构实验能够激发起学生更大的学习兴趣。通过XCT对常见土木工程材料、结构的三维微观结构进行的原位、无损与多尺度的研究，大大加深了学生对土木工程专业的认识与理解，也显著提升学生的科学素养、科研能力、动手能力等，这既有助于学生今后的学习与研究的顺利开展，也使其成为更为优秀的建设者，设计出性能更优异、耐久性更好的建筑、结构，为建设工程的安全保驾护航。

3.3 提升大仪的使用效率、实验室管理水平

开展探究性与创新性实验教学使大型仪器使用机时增加，提升了大仪的使用效益；虽然增加了仪器的管理工作和运行成本，但为了更高效地进行仪器的管理与使用，制定了专门的仪器培训、实验室安全与卫生、实验室申请制度等，促进了实验室日常管理水平与管理能力的提升。

4 结 语

将大型科研仪器XCT机引入本科生探究性与创新性实验中，既丰富了土木工程类实验课程体系，又拓宽了学生知识面；通过XCT机对常见的土木工程领域所用的材料与结构的微观结构进行原位、无损与多尺度的研究，加深了学生对土木工程专业的理解，这有助于学生将来的学习、研究与工作，使其成为更合格的建设者；同时开展探究性实验课程增加了大型仪器的使用机时与使用效益，通过课程组织、仪器操作培训、数据分析等活动，也促进了实验室管理水平的提升。综上实践表明，基于大型仪器在本科生中开展探究性实验课程具有诸多意义，可在不同学科、专业中推广。