陳水源，鄭勇平，張健敏，姚胡蓉，黃志高

(福建師范大學 物理與能源學院，福建 福州 350117)

近年來，信息技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快度發(fā)展為教育領(lǐng)域的教學組織形式、教學方式方法、教材形式等方面的改革提供了有利條件，虛擬儀器、虛擬實驗場景為許多實驗原理難以理解、危險性大、資金和時間成本高、實驗條件苛刻且又具有重要的基礎(chǔ)性、專業(yè)性的實驗項目提供了很好的補充和學習輔助[1]. 如2000年以來Flash動畫技術(shù)的應(yīng)用為物理實驗提供了很好的教學輔助并取得了很好的教學效果，其具有豐富的圖像處理功能，便于做出各種簡單的虛擬實驗儀器和實驗物品，可以模擬較為簡單的真實物理實驗環(huán)境，同時可以實現(xiàn)交互性和一定的智能化過程. 因此，F(xiàn)lash仿真平臺在物理理論和實驗課件的設(shè)計制作中得到了很好的應(yīng)用[2]. 但是，F(xiàn)lash較難以實現(xiàn)具有較強物理機制、復(fù)雜實驗過程和智能交互的專業(yè)實驗. 隨著近年來虛擬現(xiàn)實 (virtual reality，VR)技術(shù)、增強現(xiàn)實(augmented reality，AR)技術(shù)的逐漸成熟[3]，人們可以通過多媒體、三維建模、實時跟蹤、智能交互、傳感等多種技術(shù)手段，有效地實現(xiàn)計算機模擬虛擬實驗環(huán)境，仿真真實的實驗場景，從而給實驗者以環(huán)境沉浸感，并在虛擬環(huán)境中完成實驗全過程. 這種高度虛擬現(xiàn)實的實驗教學環(huán)境，可以讓學習者如進入真實實驗室的感覺，能夠有效實現(xiàn)多重交互和互動實驗教學，可以最大限度地促進學生的自主實驗，激發(fā)學習興趣，提升實驗?zāi)芰蛣?chuàng)新思維能力，在專業(yè)實驗教學中的具有獨特的作用. 因此，開展虛擬仿真實驗項目建設(shè)是適應(yīng)信息化條件下知識獲取方式和傳授方式、教和學關(guān)系等發(fā)生革命性變化的要求，也是深化信息技術(shù)與教育教學深度融合的重要形式.

2017年7月，教育部發(fā)布了2017-2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設(shè)的通知[4]，并于2018年啟動開展國家虛擬仿真實驗項目建設(shè)工作[5]，明確指出國家虛擬仿真實驗教學項目是推進現(xiàn)代信息技術(shù)融入實驗教學項目、拓展實驗教學內(nèi)容廣度和深度、延伸實驗教學時間和空間、提升實驗教學質(zhì)量和水平的重要舉措. 要突出以學生為中心的實驗教學理念、準確適宜的實驗教學內(nèi)容、創(chuàng)新多樣的教學方式方法、先進可靠的實驗研發(fā)技術(shù)、穩(wěn)定安全的開放運行模式、敬業(yè)專業(yè)的實驗教學隊伍、持續(xù)改進的實驗評價體系和顯著示范的實驗教學效果[5]. 在實際教學過程中，將虛擬仿真實驗項目與在線課程、線上線下混合式課程、線下課程等相互結(jié)合和補充，將是促進課程教學改革，提升人才培養(yǎng)質(zhì)量的重要方式.

1 X射線衍射虛擬仿真實驗項目建設(shè)的必要性

X射線實驗是物理學、材料科學和化學等學科相關(guān)專業(yè)最經(jīng)典、最基礎(chǔ)的實驗之一. 其發(fā)現(xiàn)、發(fā)展及應(yīng)用歷程足以體現(xiàn)其重要性：1895年X射線的發(fā)現(xiàn)標志著現(xiàn)代物理學的誕生，它是19世紀末20世紀初三大物理學發(fā)現(xiàn)之一，于1901年獲得首屆諾貝爾物理學獎. 自從X射線發(fā)現(xiàn)以來，在物理學、材料科學、生命醫(yī)學、化學化工、地學、礦物學、環(huán)境科學、考古學等眾多領(lǐng)域的研究與發(fā)展產(chǎn)生了極為巨大的影響，發(fā)揮了巨大的作用. 至今共產(chǎn)生了25項與X射線有關(guān)的物理學、化學和生理醫(yī)學諾貝爾獎，因此X射線堪稱史上偉大的發(fā)現(xiàn)和巨大的貢獻.

然而，X射線是無色無味、看不到摸不著的短波長高能電磁波，與核輻射一樣，對人體有巨大的傷害. 因此，開展X射線實驗必須在做好安全防護的前提下，盡量減少與X射線接觸時間；此外，X射線不同于可見光，其產(chǎn)生、傳播及產(chǎn)生衍射的過程是看不到的，這使得學生對X射線晶體衍射的原理較難理解. 為了解決這些難題，在教學中開發(fā)X射線衍射虛擬仿真實驗項目是非常必要的.

從課程內(nèi)容角度，X射線衍射是“近代物理實驗”、“固體物理學”和“X射線晶體學”等物理學和材料科學領(lǐng)域?qū)W科專業(yè)的基礎(chǔ)和專業(yè)課程的核心內(nèi)容或重要基礎(chǔ)性、創(chuàng)新型實驗項目，它對于培養(yǎng)學生的實踐能力、物理思維和創(chuàng)新能力具有重要意義；同時，寓思政教育于專業(yè)教學過程，讓學生理解物理學對人類經(jīng)濟社會發(fā)展的推動作用，激發(fā)學生追求真理、勇于探索的科學精神.

2 X射線衍射虛擬仿真實驗教學項目設(shè)計思路

X射線衍射虛擬仿真實驗項目建設(shè)結(jié)合物理實驗教學特點、教學方法、教學目標開展項目設(shè)計和建設(shè)，其設(shè)計思路主要是：保持實驗內(nèi)容的完整性，展現(xiàn)虛擬過程的物理屬性，實現(xiàn)實驗過程的虛實融合，體現(xiàn)交互過程的智能化.

2.1 實驗內(nèi)容的完整性

主要體現(xiàn)在2個方面：a.教學內(nèi)容的完整性. X射線衍射實驗包含了德拜法、粉末衍射法、單晶衍射等實驗方法. 其中重點開發(fā)了德拜法、粉末衍射法實驗. 德拜法衍射實驗作為基礎(chǔ)性實驗，注重學生的實驗操作、數(shù)據(jù)處理等基本實驗技能的訓(xùn)練；粉末衍射法實驗作為創(chuàng)新應(yīng)用實驗，注重學生應(yīng)用X射線原位技術(shù)開展創(chuàng)新性實驗研究. 實驗內(nèi)容體現(xiàn)教學內(nèi)容的基礎(chǔ)性和高階性，面向不同層次的學生. 對首次進入實驗室的低年級學生重在完成實驗操作流程；對高年級或有志于今后從事凝聚態(tài)物理、材料科學等領(lǐng)域相關(guān)工作或?qū)W習的學生，則注重研究性的實驗內(nèi)容，要求做精、做細并有研究性實驗報告. b.教學過程的完整性. 通過實驗預(yù)習、預(yù)習測試、仿真練習、仿真實驗、實驗報告、線下真實操作等多個實驗環(huán)節(jié)，構(gòu)建完整的實驗教學過程.

此外，在虛擬實驗項目平臺上還提供了包含教學課件、電子教材、XRD基礎(chǔ)實驗和創(chuàng)新型實驗全程錄像和解說、MOOC課程、仿真實驗等在內(nèi)豐富的教與學資源和虛擬訓(xùn)練，學生可以在電腦終端和手機實現(xiàn)虛擬仿真項目基礎(chǔ)知識學習和基本技能的練習.

2.2 虛擬過程的物理屬性

針對物理實驗的特征，其重要特點在于實驗參量的調(diào)節(jié)與物理現(xiàn)象的呈現(xiàn)之間的必然聯(lián)系，因此在虛擬實驗平臺設(shè)計時注重通過VR技術(shù)仿真物理過程中的物理參量調(diào)節(jié)及其對應(yīng)的物理效果，并做到操作方式與實物相似，構(gòu)建逼真的實驗場景和過程. 學生可以了解實驗原理、儀器結(jié)構(gòu)原理，并通過軟件后臺大量的物理和數(shù)學模型支持，在前臺實現(xiàn)任意參量設(shè)置和操作過程，獲得該條件下的實驗結(jié)果，掌握實驗參量特別是實驗過程中設(shè)置不同的參數(shù)對實驗結(jié)果的影響，通過模擬真實環(huán)境下可能出現(xiàn)的問題，通過實驗仿真調(diào)整工藝參量，最終達到實驗測試要求，這一過程可有效培養(yǎng)學生解決實際問題的能力和創(chuàng)新能力.

物理實驗的另一重要內(nèi)容及要求是實驗結(jié)束后的數(shù)據(jù)處理. 因此，虛擬仿真實驗平臺設(shè)計了后臺數(shù)據(jù)處理過程數(shù)據(jù)庫及必要的物理公式和數(shù)學模型支持，使得虛擬實驗過程能有效模擬物理實驗數(shù)據(jù)處理和誤差分析，真正體現(xiàn)了物理屬性和實驗特征.

2.3 實驗過程的虛實融合

X射線衍射實驗的較高危險性、原理及實驗過程的較高難度、X射線衍射實驗在相關(guān)理工科實驗中的重要性. 物理實驗對學生能力技能訓(xùn)練的重要性4個方面決定了X射線衍射實驗過程采用虛實融合的教學方式. 在線上通過虛擬實驗平臺資源充分學習相關(guān)知識，模擬實驗過程，在此基礎(chǔ)上提高線下實驗的效率，學生在整個過程中既體現(xiàn)知識體系學習過程和物理思維過程，又有很好的實踐操作訓(xùn)練，可以達到學習效果和能力培養(yǎng)目標.

2.4 交互過程的智能化

在虛擬實驗設(shè)計過程中，結(jié)合實踐教學經(jīng)驗和科學研究成果，把影響X射線晶體結(jié)構(gòu)測試的關(guān)鍵參量與測試結(jié)果的關(guān)聯(lián)性融入虛擬仿真軟件之中. 所以在學生操作過程中，每個關(guān)鍵參量的調(diào)節(jié)都會智能地響應(yīng)出影響效果，并通過智能化的導(dǎo)師講解原理及分析調(diào)節(jié)成敗的原因. 同時，還智能化地把學生在仿真考核的全過程記錄在實驗報告之中.

3 X射線衍射虛擬仿真實驗項目的內(nèi)容

X射線衍射及結(jié)構(gòu)相變原位表征虛擬仿真實驗包含了X射線產(chǎn)生仿真、基礎(chǔ)性實驗仿真、應(yīng)用及創(chuàng)新實驗仿真3個仿真實驗?zāi)K，如圖1所示.

圖1 X射線衍射及結(jié)構(gòu)相變原位表征虛擬仿真實驗結(jié)構(gòu)層次框架

在X射線產(chǎn)生仿真模塊中，著重介紹了X射線產(chǎn)生的原理、影響的因素、內(nèi)在的物理圖景，同時在平臺上備有X射線和晶體結(jié)構(gòu)相關(guān)背景知識. 在基礎(chǔ)性實驗仿真模塊中，重點仿真了德拜法晶體衍射和粉末衍射法晶體結(jié)構(gòu)分析實驗2個基礎(chǔ)性實驗. 這一模塊中，首先模擬仿真X射線傳播、與晶體相互作用產(chǎn)生的衍射過程，使得看不見的X射線直接可視化. 其次，通過虛擬衍射圖樣的測量結(jié)果，分析和重構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)，使學生能夠深刻理解X射線晶體學原理. 在創(chuàng)新及應(yīng)用實驗?zāi)K中，針對新材料的研究需求，對晶體樣品施加電化學場和溫度場的同時，開展原位X射線譜的檢測，從而實現(xiàn)了材料在外場調(diào)控下的動力學過程的在線監(jiān)測. 通過交互性和研究性學習，使學生深刻理解原位X射線衍射在新材料研究中的應(yīng)用以及外界條件引起材料結(jié)構(gòu)變化的內(nèi)在機制. 本虛擬仿真項目通過智能化的學習和指導(dǎo)，可以讓學生在實驗過程中盡量減少與X射線接觸時間，有效提高實驗安全性，提高學生對X射線衍射晶體學原理的理解和創(chuàng)新實踐能力.

最近幾年，在公路橋梁工程建筑設(shè)計過程中越來越注意考量預(yù)應(yīng)力技術(shù)的使用。在橋梁施工過程中，預(yù)應(yīng)力技術(shù)可以減輕橋梁主體材料的荷載，因此，在一定程度上降低橋梁發(fā)生裂變的風險，提高防滲透能力。因此，預(yù)應(yīng)力技術(shù)在橋梁施工過程中有重要的存在意義，合理使用有利于橋梁工程建筑的整體質(zhì)量提升，可以有效促進交通安全，提高橋梁工程質(zhì)量。本文立足于預(yù)應(yīng)力技術(shù)在橋梁工程中的具體使用情況，以期為我國橋梁工程的發(fā)展提供有效理論支持。

4 X射線衍射虛擬仿真實驗教學項目模塊的設(shè)計與實現(xiàn)

4.1 X射線產(chǎn)生仿真模塊

在這一模塊中，著重于通過3D虛擬仿真的形式展示X射線產(chǎn)生原理. 此處的虛擬仿真不展示設(shè)備是如何產(chǎn)生X射線及具體操作過程，而是通過虛擬儀器展示影響X射線譜線的幾個關(guān)鍵因素，即X射線管的電壓、電流以及靶源對X射線譜峰的變化. 界面設(shè)計如圖2所示.

圖2 X射線產(chǎn)生模塊操作界面

4.2 X射線衍射基礎(chǔ)實驗?zāi)K

這一模塊包含2個基礎(chǔ)實驗，即德拜衍射實驗和粉末衍射實驗. 德拜法衍射實驗作為最古老、最經(jīng)典的X射線衍射基礎(chǔ)性實驗，注重學生對X射線衍射原理及晶體結(jié)構(gòu)測試原理的理解，以及學生的實驗操作、數(shù)據(jù)處理等基本實驗技能的訓(xùn)練；粉末衍射法實驗注重學生對數(shù)據(jù)分析軟件應(yīng)用、實驗結(jié)果分析能力的訓(xùn)練，為后續(xù)利用X射線原位技術(shù)開展創(chuàng)新性實驗研究打好基礎(chǔ).

1)德拜衍射實驗

虛擬實驗以通過高度仿真?zhèn)鹘y(tǒng)德拜衍射實驗儀器及實驗環(huán)境[6]，設(shè)置了實驗?zāi)Ｊ胶涂己四Ｊ?種實驗場景. 在實驗?zāi)Ｊ街?，學生通過先前的預(yù)習和實驗導(dǎo)學，自主開展實驗，在實際操作過程中出現(xiàn)誤操作時，智能導(dǎo)師會給出具體的指導(dǎo)意見，其操作界面如圖3所示.

圖3 德拜衍射實驗?zāi)K操作界面(實驗?zāi)Ｊ?

圖4 德拜環(huán)數(shù)據(jù)分析過程界面

在實驗結(jié)束后，需要進行數(shù)據(jù)測量并將數(shù)據(jù)填入實驗數(shù)據(jù)表格并進行處理，最后得到晶體的具體結(jié)構(gòu)和晶格常量，如圖4所示. 在此基礎(chǔ)上，按照實驗報告要求撰寫完整的實驗報告，并在系統(tǒng)平臺上提交即完成實驗.

通過德拜衍射虛擬實驗?zāi)K的訓(xùn)練和平臺中教學資源的學習，學生對于X射線衍射測量晶體結(jié)構(gòu)的物理原理會有深刻的理解，實驗動手能力、邏輯思維能力和數(shù)據(jù)處理能力得到有效提升. 項目設(shè)計過程體現(xiàn)了以學生為中心的理念. 通過虛擬實驗仿真教學及互動過程，達到實驗教學目標.

2)粉末衍射實驗

通過德拜衍射基礎(chǔ)實驗訓(xùn)練，學生理解了X射線衍射原理及晶體結(jié)構(gòu)測試原理. 但從實際應(yīng)用角度，通過德拜照相法測試晶體結(jié)構(gòu)過程測試效率低，不利于高效開展晶體結(jié)構(gòu)研究. 因此，在德拜衍射實驗基礎(chǔ)上，很有必要讓學生掌握現(xiàn)代晶體結(jié)構(gòu)分析技術(shù). 在本仿真模塊中，以粉末衍射儀為原型，通過虛擬仿真粉末衍射實驗的全過程，使學生了解并掌握粉末衍射晶體結(jié)構(gòu)分析方法. 圖5給出了粉末衍射虛擬仿真實驗操作界面. 由于粉末衍射儀的智能化測試條件，操作過程相對簡單，因此本實驗的重點在于訓(xùn)練學生利用晶體結(jié)構(gòu)分析軟件對實驗結(jié)果的分析. 通過這一虛擬實驗過程，讓學生掌握粉末衍射晶體結(jié)構(gòu)測試方法及數(shù)據(jù)分析方法，為開展創(chuàng)新及應(yīng)用研究打下基礎(chǔ).

(a)粉末衍射實驗裝樣過程仿真界面

(b)粉末衍射測試仿真界面

4.3 X射線衍射應(yīng)用及創(chuàng)新實驗?zāi)K

從實驗項目的廣度和深度考慮，注重將最新的科研成果融入到教學內(nèi)容中，充分體現(xiàn)實驗項目的先進性和前沿性. 在本仿真模塊中，以自主研發(fā)的原位X射線檢測模塊為實驗原型，結(jié)合粉末衍射基礎(chǔ)實驗，通過設(shè)計理論模型和實驗過程，開發(fā)了外場調(diào)控晶體結(jié)構(gòu)相變原位檢測虛擬仿真實驗. 在這一模塊的2個應(yīng)用和創(chuàng)新型實驗中，學生需要自主查閱參考文獻，在對電化學過程中材料結(jié)構(gòu)變化以及溫度變化對材料結(jié)構(gòu)的影響有所了解的基礎(chǔ)上，通過設(shè)計實驗方案、搭建實驗裝置，開展X射線衍射創(chuàng)新及應(yīng)用仿真實驗.

1)電化學調(diào)控原位X射線衍射結(jié)構(gòu)表征實驗.

在這個實驗中，主要是利用X射線粉末衍射技術(shù)開展鋰離子電池充放電過程中的相結(jié)構(gòu)變化動力學研究. 在實驗中，系統(tǒng)仿真鋰電池充電過程中電池材料結(jié)構(gòu)的變化過程，通過X射線粉末衍射原位檢測這一變化過程并展示出來. 仿真界面如圖6所示 .

(a) 仿真實驗過程界面

(b) 自主研發(fā)的原位X射線檢測模塊3D動畫學習界面

2)溫度調(diào)控相變原位X射線衍射結(jié)構(gòu)表征實驗.

在這個實驗中，主要是利用X射線粉末衍射技術(shù)開展溫度場調(diào)控Cu的相結(jié)構(gòu)變化動力學研究. 在實驗中，系統(tǒng)仿真銅單質(zhì)在溫度升高過程中氧化過程引起的結(jié)構(gòu)變化過程，通過X射線衍射原位檢測這一變化過程并展示出來. 仿真界面如圖7所示.

在X射線衍射應(yīng)用及創(chuàng)新實驗?zāi)K中，特別在平臺上為學生提供了交互學習的資源，通過探究性實驗過程原理的動畫展示和解說，讓學生在仿真實驗過程中體驗科學研究過程，培養(yǎng)創(chuàng)新思維. 體現(xiàn)了仿真實驗的研究性學習過程.

在創(chuàng)新實驗?zāi)K設(shè)計時，注重將科學研究的思維和方法融入虛擬仿真教學過程，體現(xiàn)出教學內(nèi)容和教學理念的先進性. 2個創(chuàng)新型仿真實驗有效拓展和延伸了X射線實驗教學內(nèi)容提升了X射線衍射實驗層次，達到了虛擬仿真實驗項目建設(shè)拓展實驗教學內(nèi)容廣度和深度的目標[5].

(a) 學生自主學習、搭建實驗設(shè)備仿真界面

(b) 仿真實驗過程界面

5 考核要求、評價及教學效果

5.1 考核要求及評價

本實驗項目針對不同的實驗內(nèi)容設(shè)置了不同的考核要求，學生在學習資源學習的基礎(chǔ)上，在基礎(chǔ)實驗?zāi)K中，通過實驗?zāi)Ｊ綀鼍伴_展虛擬實驗訓(xùn)練，通過考核模式場景在沒有人機互動情況下獨立完成實驗過程、數(shù)據(jù)處理和分析，給出該樣品的晶體結(jié)構(gòu)和參量，在此基礎(chǔ)上完成實驗報告并提交系統(tǒng). 在虛擬實驗軟件后臺，將會自動記錄學生的操作情況，并將實驗結(jié)果與系統(tǒng)預(yù)設(shè)參考數(shù)據(jù)相對應(yīng)，自動給出考核結(jié)果，按得分情況確定 “優(yōu)、良、合格，不合格”4個檔次. 學生對本次考核若不滿意可以再次開展實驗；在創(chuàng)新實驗?zāi)K中，學生需通過創(chuàng)新實驗要求自主查閱文獻資料和相關(guān)學習資源，結(jié)合虛擬仿真平臺設(shè)計實驗方案，自主模擬組建實驗設(shè)備體系，并開展創(chuàng)新實驗過程，給出實驗結(jié)果并完成研究報告. 同樣地，系統(tǒng)通過后臺監(jiān)測，記錄、評判整個實驗過程并給出評價結(jié)果.

5.2 教學效果

本實驗項目已通過本地實驗網(wǎng)絡(luò)平臺后臺及“實驗空間”網(wǎng)站向?qū)W校及社會開放訪問及使用[7]. 通過分析后臺使用情況監(jiān)測數(shù)據(jù)，了解本項目的應(yīng)用效果. 圖8給出的是“實驗空間”網(wǎng)站顯示的實驗項目訪問、使用情況的數(shù)據(jù)分析[6].

圖8 X射線衍射虛擬仿真實驗項目教學使用情況數(shù)據(jù)

從圖8中可以看到，通過實驗空間網(wǎng)站平臺瀏覽量達到了15 363人次，做實驗人數(shù)達到了3 845人，取得了很好的推廣應(yīng)用效果. 此外，通過記錄數(shù)據(jù)可以看到，做實驗的人中，實驗通過率達到95%，其中達標(合格)率達到了78.6%，優(yōu)秀率為16.4%，表明實驗內(nèi)容及考核設(shè)計較為合理. 本虛擬仿真實驗項目經(jīng)過半年的運行使用，取得了良好的教學效果. 同時，該項目用于本科生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目研究，研究成果“反應(yīng)環(huán)境可控的三電極原位X射線電解池”獲得第16屆“挑戰(zhàn)杯”全國大學生課外學術(shù)科技作品競賽三等獎，并獲得第2屆全國大學生可再生能源科技競賽特等獎.

6 結(jié)束語

從虛擬仿真實驗建設(shè)的必要性、建設(shè)思路、建設(shè)內(nèi)容，實驗?zāi)K設(shè)計與實現(xiàn)方案等幾個方面對X射線衍射及結(jié)構(gòu)相變原位表征虛擬仿真實驗做了分析. 通過項目建設(shè)，實現(xiàn)了從最經(jīng)典的X射線衍射實驗——德拜照相法測量晶體結(jié)構(gòu)實驗，到粉末衍射晶體結(jié)構(gòu)分析實驗的虛擬仿真，并在此基礎(chǔ)上，將X射線衍射最新科研成果，即自主研發(fā)的原位X射線檢測模塊與粉末衍射實驗結(jié)合，開發(fā)出動態(tài)環(huán)境下晶體結(jié)構(gòu)原位檢測虛擬仿真模塊并應(yīng)用到學生的創(chuàng)新性實驗中. 虛擬仿真實驗教學項目體現(xiàn)了“以學生發(fā)展為中心”的理念，既有注重實驗操作、數(shù)據(jù)處理等基本實驗技能的實驗環(huán)節(jié)，又有注重創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)、體現(xiàn)將最新科研成果融入教學的實踐內(nèi)容. 項目很好地體現(xiàn)了“教學完整性、資源多元性、交互性和研究性”.