陳奇?zhèn)d 呂秋豐

福州大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 福建福州 350116

掃描電鏡是材料類專業(yè)一種重要的分析與表征工具，是研究和檢測(cè)材料的重要手段[1]。掃描電鏡實(shí)驗(yàn)教學(xué)在專業(yè)課程教學(xué)活動(dòng)中占有重要地位，有利于提高學(xué)生的分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。但掃描電鏡屬于大型貴重設(shè)備，設(shè)備短缺，導(dǎo)致掃描電鏡配套的實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要以教師講解、演示操作為主[2]，很難激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和創(chuàng)造性，教學(xué)效果差，嚴(yán)重影響大學(xué)生綜合素質(zhì)的培養(yǎng)和技能鍛煉。

虛擬仿真技術(shù)利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、編程技術(shù)，是實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革和教育信息化發(fā)展相結(jié)合的創(chuàng)新產(chǎn)物和目標(biāo)，是解決教學(xué)中設(shè)備資源短缺難題的有效方法和手段[3]，越來(lái)越受到學(xué)校的歡迎。因此，建立掃描電鏡虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，可以彌補(bǔ)實(shí)際掃描電鏡實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足，實(shí)現(xiàn)事半功倍的效果，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 掃描電鏡虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的構(gòu)建

掃描電鏡虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的構(gòu)建，能夠?qū)⒄n程理論知識(shí)和實(shí)驗(yàn)有機(jī)結(jié)合，使學(xué)生不僅能掌握基本理論，同時(shí)也培養(yǎng)實(shí)際操作、驗(yàn)證理論、探索新知識(shí)的能力。系統(tǒng)主要由管理平臺(tái)和系統(tǒng)平臺(tái)兩部分構(gòu)成。管理平臺(tái)主要為教師端，進(jìn)行課程設(shè)置管理、學(xué)生管理、課程成績(jī)管理、互動(dòng)交流通知等[4,5]，系統(tǒng)平臺(tái)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)放在掃描電鏡實(shí)驗(yàn)的虛擬仿真上，主要包括掃描電鏡結(jié)構(gòu)及工作原理、掃描電鏡樣品制備、掃描電鏡圖像襯度觀察、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及分析四部分內(nèi)容。教學(xué)系統(tǒng)框架圖如圖1所示。

圖1 掃描電鏡虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)框架圖

2 掃描電鏡虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的實(shí)施

根據(jù)電鏡實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際場(chǎng)地和儀器進(jìn)行3D建模，按照實(shí)驗(yàn)的流程和步驟完成交互，對(duì)掃描電鏡樣品制備和儀器操作進(jìn)行虛擬仿真，再現(xiàn)整個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程，從而建立掃描電鏡實(shí)驗(yàn)教學(xué)虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)。整個(gè)教學(xué)系統(tǒng)真實(shí)逼真，學(xué)生如臨現(xiàn)場(chǎng)。系統(tǒng)分為實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)模塊、仿真現(xiàn)場(chǎng)操作模塊和實(shí)驗(yàn)考核模塊。

2.1 實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)模塊

學(xué)生登錄預(yù)習(xí)模塊，自行學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)守則、實(shí)驗(yàn)室安全條例等基礎(chǔ)知識(shí)，復(fù)習(xí)課程知識(shí)點(diǎn)，特別是重點(diǎn)和難點(diǎn)，熟悉實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、原理、?nèi)容、步驟等，并完成預(yù)習(xí)作業(yè)。預(yù)習(xí)的重點(diǎn)放在掃描電鏡的結(jié)構(gòu)與工作原理上。通過(guò)3D MAX，F(xiàn)lash等軟件制作掃描電鏡電子光學(xué)系統(tǒng)的三維構(gòu)造圖，展示電子束在加速電壓作用下激發(fā)產(chǎn)生二次電子、背散射電子等信號(hào)，并最終在顯示屏上呈現(xiàn)微觀形貌的整個(gè)過(guò)程，嵌入系統(tǒng)中，直觀展現(xiàn)電鏡內(nèi)部結(jié)構(gòu)，詮釋電鏡的工作原理。圖2為將德國(guó)Zeiss公司提供的掃描電鏡三維結(jié)構(gòu)及工作原理的Flash動(dòng)畫嵌入教學(xué)系統(tǒng)的學(xué)習(xí)模塊，通過(guò)模塊的預(yù)習(xí)，可使實(shí)驗(yàn)的難點(diǎn)、重點(diǎn)變得通俗易懂。

圖2 虛擬仿真系統(tǒng)中掃描電鏡三維結(jié)構(gòu)及工作原理預(yù)習(xí)模塊

2.2 仿真現(xiàn)場(chǎng)操作模塊

學(xué)生進(jìn)入仿真現(xiàn)場(chǎng)操作模塊，根據(jù)提示反復(fù)練習(xí)?，F(xiàn)場(chǎng)模塊主要包括掃描電鏡實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備、開機(jī)啟動(dòng)、軟件運(yùn)行、樣品制備、樣品裝樣和換樣、圖像襯度觀察、圖片保存和數(shù)據(jù)的拷貝、關(guān)機(jī)等。通過(guò)教學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)不同類型和方法的電鏡虛擬樣品的制備、樣品裝樣取樣、放氣抽氣、開關(guān)電壓、移動(dòng)樣品、對(duì)焦成像(必要時(shí)像散消除、光闌對(duì)中)、樣品觀察及圖片保存。通過(guò)不同參數(shù)和探測(cè)器的設(shè)置，讓學(xué)生加深對(duì)分辨率和景深的理解，明白二次電子表面形貌像和背散射電子原子序數(shù)像。各個(gè)步驟中均設(shè)置智能啟發(fā)式的指導(dǎo)功能，啟發(fā)學(xué)生思考，引導(dǎo)學(xué)生按照正確的步驟進(jìn)行操作演練。圖3是教學(xué)系統(tǒng)中樣品制備和儀器操作截圖。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)操作練習(xí)，學(xué)生能夠?qū)呙桦婄R的樣品制備及電鏡操作形成理性的認(rèn)識(shí)，加深對(duì)實(shí)驗(yàn)課程的認(rèn)識(shí)。

圖3 掃描電鏡虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)樣品制備和儀器操作截圖

2.3 實(shí)驗(yàn)考核模塊

按照前面步驟充分練習(xí)后，點(diǎn)擊場(chǎng)景界面中的“考核”，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作考核。教學(xué)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)考核采用智能評(píng)分系統(tǒng)，將操作注意要點(diǎn)和事項(xiàng)進(jìn)行細(xì)化，系統(tǒng)調(diào)用自動(dòng)批改規(guī)則，對(duì)學(xué)生每個(gè)操作步驟進(jìn)行智能評(píng)分，計(jì)算學(xué)生實(shí)驗(yàn)得分成績(jī)，完成考核。學(xué)生每完成一部分任務(wù)，系統(tǒng)后臺(tái)都會(huì)給出相應(yīng)的分?jǐn)?shù)。同時(shí)，教師還可以查看得分細(xì)節(jié)，了解學(xué)生的得分細(xì)節(jié)，充分掌握學(xué)生對(duì)課程知識(shí)的掌握情況。圖4是學(xué)生上機(jī)進(jìn)行虛擬仿真操作考核后，系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)學(xué)生的各項(xiàng)操作進(jìn)行評(píng)定，并生成成績(jī)報(bào)告。

圖4 掃描電鏡虛擬仿真系統(tǒng)考核評(píng)定界面截圖

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)傳統(tǒng)掃描電鏡實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備緊缺，授課方式單調(diào)，教學(xué)效果差等現(xiàn)狀和問(wèn)題，將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用在掃描電鏡實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，建立掃描電鏡虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，彌補(bǔ)實(shí)際掃描電鏡實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足，切實(shí)提高掃描電鏡實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。