柴占麗，白風(fēng)華，張兵兵

內(nèi)蒙古大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，呼和浩特 010021

大型儀器分析實(shí)驗(yàn)是一門對(duì)綜合能力要求較高的應(yīng)用型實(shí)驗(yàn)課程。該課程要求學(xué)生掌握大型分析儀器的原理、結(jié)構(gòu)、操作方法及數(shù)據(jù)分析技巧[1]。由于實(shí)驗(yàn)過程更接近于實(shí)際分析工作，有利于學(xué)生儀器分析綜合能力的培養(yǎng)，受到廣大學(xué)生的歡迎。但是目前，大型儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在著實(shí)驗(yàn)資源緊張、教學(xué)成本高、儀器內(nèi)部構(gòu)造不易觀察、實(shí)驗(yàn)時(shí)間長等問題，嚴(yán)重影響了教學(xué)效果[2]。而虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)融合了專業(yè)知識(shí)理論體系和計(jì)算機(jī)模擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)，是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有效延伸和實(shí)踐補(bǔ)充，已經(jīng)被許多高校應(yīng)用于專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，雖然取得了一定成果[3]，但也凸顯出一些弊端。因此我們迫切需要探索一種切實(shí)可行的大型儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。

1 大型儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀分析

1.1 傳統(tǒng)大型儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題

在大型儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)中會(huì)涉及大量價(jià)格昂貴的大型精密儀器設(shè)備，例如透射電子顯微鏡(TEM)，這類儀器設(shè)備由于價(jià)格昂貴，學(xué)校采購數(shù)量少，且使用和維修維護(hù)成本較高。如果面對(duì)本科生開放使用，學(xué)生不規(guī)范的操作可能對(duì)儀器的靈敏度、精密度和穩(wěn)定性等產(chǎn)生影響，降低其使用壽命，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成儀器損壞[4]。以上的諸多因素導(dǎo)致大多數(shù)高校無法開設(shè)大型儀器分析實(shí)驗(yàn)課程，即使開設(shè)了這類實(shí)驗(yàn)，也僅限于教師演示學(xué)生集體觀摩，不利于學(xué)生的學(xué)習(xí)和綜合能力的提升。

另一方面，大型儀器設(shè)備多采用封閉式構(gòu)造，且自動(dòng)化程度較高，不利于學(xué)生對(duì)儀器工作原理的學(xué)習(xí)和操作技巧的掌握。一般的大型儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)分為原理介紹、儀器構(gòu)造簡介、實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備、標(biāo)準(zhǔn)操作、數(shù)據(jù)獲取與分析等環(huán)節(jié)，以透射電子顯微鏡為例，全過程需要3–6小時(shí)，而有些儀器甚至需要幾天時(shí)間，這對(duì)于本科教學(xué)來說可操作性極低。

因此，采用傳統(tǒng)方式進(jìn)行大型儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)受到諸多掣肘，無法順利推行。

1.2 虛擬仿真技術(shù)在大型儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

虛擬仿真是一種計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，最初用于創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界?；诖笮蛢x器的虛擬仿真系統(tǒng)一般包括計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、虛擬儀器系統(tǒng)和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，這正好能夠幫助學(xué)生進(jìn)行儀器原理、儀器結(jié)構(gòu)、儀器操作和數(shù)據(jù)處理的系統(tǒng)性學(xué)習(xí)[5]。以透射電子顯微鏡的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)為例，學(xué)生借助計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)虛擬平臺(tái)學(xué)習(xí)透射電鏡的原理、儀器的基本構(gòu)造、電鏡進(jìn)樣及樣品觀察操作和TEM數(shù)據(jù)分析，整個(gè)過程不僅增加了實(shí)驗(yàn)成功率，同時(shí)大大縮短了實(shí)驗(yàn)時(shí)間，并通過與平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)化操作和數(shù)據(jù)對(duì)比，對(duì)學(xué)生的操作進(jìn)行評(píng)價(jià)和打分。因此，教育部大力支持虛擬仿真教學(xué)項(xiàng)目的建立，增加實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容廣度和深度，提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和水平。

但是，透過虛擬仿真技術(shù)的光環(huán)，我們也發(fā)現(xiàn)了它的一些弊端。虛擬仿真平臺(tái)展示的大型儀器往往與學(xué)校配套的真實(shí)設(shè)備存在構(gòu)造和細(xì)節(jié)上的誤差，并且一些儀器仿真平臺(tái)制作上的缺陷導(dǎo)致操作起來十分不方便，而一些比較重要的操作由于設(shè)計(jì)起來難度太大而取消了；另一方面，由于是在仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上操作，學(xué)生不擔(dān)心大型儀器設(shè)備會(huì)出問題，所以細(xì)心度和耐心度都不夠，不停點(diǎn)擊“下一步”，一味地求快，學(xué)習(xí)效果大打折扣，這為虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用埋下隱患[6]。

2 大型儀器分析實(shí)驗(yàn)中虛實(shí)結(jié)合教學(xué)模式的探索

2.1 大型儀器分析實(shí)驗(yàn)虛實(shí)結(jié)合教學(xué)模式的設(shè)計(jì)

內(nèi)蒙古大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院大型儀器分析中心于2011年至今引入多臺(tái)大型儀器設(shè)備，包括核磁共振波譜儀、X射線粉末衍射儀、場發(fā)射掃描電子顯微鏡、高分辨透射電子顯微鏡、核磁共振光譜儀、同步熱分析儀、比表面積及孔隙度分析儀、表面增強(qiáng)拉曼光譜儀、傅立葉變換紅外光譜儀、氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀、液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀等，已經(jīng)成為大型儀器分析實(shí)驗(yàn)的教學(xué)基地。并在2020年獲批的教育部產(chǎn)學(xué)研育人項(xiàng)目“大型儀器原位表征系統(tǒng)虛擬仿真培訓(xùn)項(xiàng)目”的支持下與北京歐倍爾軟件技術(shù)開發(fā)有限公司展開合作，將虛擬仿真技術(shù)引入大型分析儀器實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，開展大型分析儀器虛擬仿真實(shí)驗(yàn)建設(shè)，以提高實(shí)驗(yàn)的教學(xué)質(zhì)量。

基于以上大型儀器分析條件，我們創(chuàng)新性地提出虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)模式。所謂的“虛”，是指設(shè)計(jì)開發(fā)與我們的儀器匹配的大型儀器虛擬仿真培訓(xùn)平臺(tái)，讓學(xué)生通過平臺(tái)學(xué)習(xí)儀器的原理、構(gòu)造、基本操作、數(shù)據(jù)處理等基本知識(shí)。然后與“實(shí)”相結(jié)合，即學(xué)生分組進(jìn)入大型儀器實(shí)驗(yàn)室，由教師對(duì)比平臺(tái)的內(nèi)容，將儀器的原理、結(jié)構(gòu)、操作重難點(diǎn)等有針對(duì)性地講解給學(xué)生，讓學(xué)生將兩種方式獲得的知識(shí)進(jìn)行疊加消化，提升學(xué)習(xí)效果。

以透射電子顯微鏡實(shí)驗(yàn)為例，學(xué)生在虛擬仿真平臺(tái)中獲得的儀器原理與構(gòu)造如圖1a所示，平臺(tái)的學(xué)習(xí)已經(jīng)讓學(xué)生對(duì)儀器有了初步認(rèn)識(shí)，再通過實(shí)物學(xué)習(xí)(圖1b)，通過教師的針對(duì)性講解，讓學(xué)生對(duì)TEM的認(rèn)識(shí)更加深刻。同時(shí)TEM結(jié)構(gòu)中進(jìn)樣室是操作者密切接觸的部分，但是在虛擬平臺(tái)中是儀器自動(dòng)進(jìn)樣，不需要學(xué)生參與，而真實(shí)情況下進(jìn)樣是TEM操作的難點(diǎn)，學(xué)生通過實(shí)物學(xué)習(xí)會(huì)切實(shí)體會(huì)到這一點(diǎn)。

圖1 透射電子顯微鏡的構(gòu)造圖(a)和虛擬仿真平臺(tái)實(shí)物圖(b)

2.2 大型儀器分析實(shí)驗(yàn)虛實(shí)結(jié)合教學(xué)模式的應(yīng)用

以透射電子顯微鏡實(shí)驗(yàn)為例，將全部實(shí)驗(yàn)分成線上和線下兩部分。

2.2.1 線上教學(xué)——虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

透射電子顯微鏡實(shí)驗(yàn)的線上教學(xué)主要依賴合作開發(fā)的大型儀器虛擬仿真培訓(xùn)平臺(tái)。學(xué)生通過學(xué)號(hào)登陸系統(tǒng)，選擇“透射電子顯微鏡系統(tǒng)”，該系統(tǒng)采用交互式教學(xué)系統(tǒng)與方法，分為操作前、操作中和操作后三個(gè)部分，由原理模塊、控件模塊、透射電子顯微鏡基本操作模塊、原位透射操作模塊、數(shù)據(jù)處理分析模塊、考核評(píng)價(jià)模塊6大模塊構(gòu)成，具體的系統(tǒng)組成見圖2中左圖所示。該虛擬仿真系統(tǒng)是真實(shí)TEM儀器(美國FEI Tecnai F20)的仿真模擬，可視化和模擬仿真程度極高，并且其操作步驟與真實(shí)實(shí)驗(yàn)高度相近，為學(xué)生的后續(xù)線下教學(xué)奠定良好的基礎(chǔ)。

圖2 透射電子顯微鏡實(shí)驗(yàn)的虛實(shí)結(jié)合教學(xué)設(shè)計(jì)框架圖

該線上教學(xué)部分設(shè)有考核環(huán)節(jié)，只有通過考核(> 80分)才可以獲得下一步的線下教學(xué)資格。為提高教學(xué)效果，原理模塊、控件模塊和操作模塊都可以反復(fù)觀看，數(shù)據(jù)處理模塊如果結(jié)果評(píng)分不合格，可以申請(qǐng)重新學(xué)習(xí)和考核。

2.2.2 線下教學(xué)——實(shí)物儀器教學(xué)環(huán)節(jié)

完成TEM線上教學(xué)和考核通過的同學(xué)獲準(zhǔn)參與實(shí)物教學(xué)，具體步驟如圖2右圖所示。在實(shí)驗(yàn)前，每位同學(xué)需要完成虛擬仿真平臺(tái)中的TEM學(xué)習(xí)，并且考核成績達(dá)到80分以上，方可獲得線下學(xué)習(xí)資格。實(shí)驗(yàn)過程中，首先進(jìn)行分組，平均每6個(gè)人為一小組，在指定預(yù)約時(shí)間前往大型儀器分析中心的透射電鏡實(shí)驗(yàn)室。線下教學(xué)分成三個(gè)步驟：首先由任課教師對(duì)TEM的原理和構(gòu)造進(jìn)行實(shí)物講解，加深學(xué)生的認(rèn)識(shí)；然后突出講授TEM操作環(huán)節(jié)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，由TEM專管教師親自操作進(jìn)樣和拍照，并講解操作標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程和注意事項(xiàng)；最后由每一位同學(xué)獨(dú)立完成TEM拍照實(shí)驗(yàn)。以上全部環(huán)節(jié)完成需要1.5–2小時(shí)。

實(shí)驗(yàn)完成后，每一位同學(xué)會(huì)獲得自己的樣品照片，要求根據(jù)線上數(shù)據(jù)處理流程和教師的線下講解完成TEM圖片結(jié)果分析報(bào)告，并結(jié)合線上和線下全部實(shí)驗(yàn)過程撰寫完整的實(shí)驗(yàn)報(bào)告。最后的TEM實(shí)驗(yàn)得分包括三部分：線上考核(30%)+線下操作(20%)+實(shí)驗(yàn)報(bào)告和數(shù)據(jù)處理(50%)。

最后，線上和線下實(shí)驗(yàn)完成后，需要增加反饋環(huán)節(jié)，以進(jìn)一步改進(jìn)這種虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)模式。反饋分為學(xué)生和教師兩部分：(1) 學(xué)生在實(shí)驗(yàn)操作結(jié)束后，需要在線提交對(duì)線下和線上實(shí)驗(yàn)的評(píng)價(jià)，包括對(duì)線上實(shí)驗(yàn)中軟件的改進(jìn)建議，以及對(duì)線下實(shí)驗(yàn)的反饋意見；(2) 線上實(shí)驗(yàn)維護(hù)教師應(yīng)該對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的問題以及學(xué)生的意見進(jìn)行匯總，從而進(jìn)行線上實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)和完善，同時(shí)線下實(shí)驗(yàn)教師通過學(xué)生的實(shí)驗(yàn)完成情況進(jìn)行學(xué)生實(shí)驗(yàn)效果的反饋，并對(duì)線下實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容和過程進(jìn)行調(diào)整，從而更好地配合線上實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)線上和線下的最好銜接。

3 結(jié)語

內(nèi)蒙古大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院將虛擬仿真技術(shù)與大型儀器平臺(tái)實(shí)現(xiàn)完美對(duì)接，為學(xué)生提供虛實(shí)(即線上和線下)兩種實(shí)驗(yàn)課堂，不僅能夠解決大型儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的實(shí)驗(yàn)資源緊張、教學(xué)成本高、理論與操作脫節(jié)等問題，而且可以創(chuàng)新教學(xué)模式、提高教學(xué)效率、提升學(xué)生興趣、保障實(shí)驗(yàn)室安全，為創(chuàng)新型化工人才的培養(yǎng)提供助力。