張萬群，朱平平，邵偉，胡萬群

化學國家級實驗教學示范中心(中國科學技術(shù)大學)，合肥 230026

X射線衍射分析是利用X射線在晶體物質(zhì)中衍射效應(yīng)進行材料組成和原子尺度級別微觀結(jié)構(gòu)分析的技術(shù)，因此成為研究材料多晶結(jié)構(gòu)及其與性能關(guān)系間的重要手段[1-4]。很多高校已把X射線衍射分析納入儀器分析理論課和實驗課課程當中[5]。

近年隨著材料科學迅猛發(fā)展，原位表征技術(shù)越來越受到重視。原位變溫X射線衍射就是在體系隨溫度變化過程中對材料進行定性、定量以及結(jié)構(gòu)變化測量，來揭示材料隨溫度變化的機理，因此它在相變機制[6]、化學反應(yīng)動力學[7]、非晶合金材料的退火與結(jié)晶和低溫超導等研究中顯得尤為重要[8]，但是原位變溫X射線衍射儀結(jié)構(gòu)復雜、價格昂貴，且測試時間長、維護成本高，另外X射線可能的泄露對人體也存在著潛在的風險，這使得原位變溫X射線衍射分析實驗教學開展受到諸多制約，同時傳統(tǒng)教學在有限實驗課時內(nèi)對原位變溫X射線衍射測試過程的復雜參數(shù)的科學設(shè)置和數(shù)據(jù)解析深入探索的難度非常大，精準測量和精確計算難以達到，導致X射線衍射先進分析技術(shù)相關(guān)內(nèi)容成為了儀器分析實驗教學難點。

2018年教育部下發(fā)的《關(guān)于狠抓新時代全國高等學校本科教育工作會議精神落實的通知》中明確提出：各高校要全面梳理各門課程的教學內(nèi)容，淘汰“水課”、打造“金課”，合理提升學業(yè)挑戰(zhàn)度、增加課程難度、拓展課程深度，切實提高課程教學質(zhì)量。虛擬仿真就是其中的一種“金課”，它利用教學信息化，從情景教學、模擬教學、可監(jiān)控的學習過程、有效評價學生學習效果等方面改進傳統(tǒng)的課堂教學模式，解決了“做不好”“做不到”“做不上”及“做不了”的問題[9]。2015年，中國科學技術(shù)大學化學實驗教學中心結(jié)合學院自身實驗教學及科研需求，基于原位變溫X射線法研究無鹵阻燃材料氫氧化鎂熱分解過程，開發(fā)了原位變溫X射線衍射虛擬仿真實驗。通過此實驗，學生了解儀器的基本構(gòu)造和原理，掌握精準測量和精確計算的方法，通過獲得的計算數(shù)據(jù)，詳細探討氫氧化鎂熱解行為，理解其作為阻燃劑的原理及探究材料性能改進措施等，激發(fā)學生的創(chuàng)造性思維，提高學生的科學素養(yǎng)[10]。

1 “線上線下-虛實結(jié)合”教學體系

化學是一門實踐性很強的學科。儀器分析實驗這門課是針對實踐應(yīng)用過程中要用到的大型儀器而設(shè)立的一門實驗課，它是具有多學科交叉性、發(fā)展性和前沿性的學科，近年來在化學研究中發(fā)揮著越來越重要的作用，因此儀器分析實驗課程已成為化學類及其相關(guān)專業(yè)本科生必修的專業(yè)基礎(chǔ)課之一，其中X射線衍射分析是儀器分析實驗重要組成部分之一。中國科學技術(shù)大學化學國家級虛擬仿真示范中心結(jié)合儀器平臺和原位變溫X射線衍射虛擬仿真系統(tǒng)、視頻等信息化平臺，采用線上線下自主、合作、探究式教學模式進行層次化教學，在掌握X射線衍射分析基礎(chǔ)技能上，加強X射線衍射分析方法的綜合應(yīng)用與創(chuàng)新，培養(yǎng)學生綜合能力和高階思維，教學體系如圖1所示。

圖1 “線上線下-虛實結(jié)合”教學體系

首先學生課前完成線上預(yù)習和緒論課。教師借助學校Blackboard平臺完成線上緒論課，依托原位變溫X射線衍射虛擬仿真實驗在線平臺上傳預(yù)習資料，包括相關(guān)PPT課件、基本操作視頻等。本實驗所屬的儀器分析實驗線上學時約占總學時的30%。

虛擬仿真實驗通過高度仿真X射線衍射儀及實驗環(huán)境，設(shè)置了練習模式和考核模式兩種實驗場景。通過虛擬仿真原位變溫X射線衍射實驗的全過程，使學生了解并掌握粉末X射線衍射分析方法及應(yīng)用，因此本實驗的重點在于訓練學生對樣品的精準測量和利用晶體結(jié)構(gòu)分析軟件對實驗數(shù)據(jù)的科學分析。在實驗測試仿真過程中重點訓練樣品制備、光路調(diào)整以及參數(shù)設(shè)置。樣品制備是分析測試的第一步，對測試結(jié)果有重要影響。仿真樣品制備，針對樣品制備的差異，如樣品在光路中位置的高低、顆粒大小以及分布均勻性等影響，得出不同譜圖結(jié)果。系統(tǒng)采取問題過程考核，再結(jié)合線下實際操作，使學生真正理解樣品顆粒大小、分布均勻性、樣品量以及有無擇優(yōu)取向?qū)y試數(shù)據(jù)的影響。在數(shù)據(jù)分析仿真模塊中，以理學SmartLab大功率X射線衍射儀自帶的PDXL軟件工作站為數(shù)據(jù)分析原型，自主研發(fā)仿真數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。此系統(tǒng)結(jié)合粉末衍射數(shù)據(jù)分析原理，通過設(shè)計模型和數(shù)據(jù)分析過程，強調(diào)關(guān)鍵分析步驟的容錯設(shè)計，并且在關(guān)鍵知識點進行考核設(shè)計，和后續(xù)的操作緊緊相扣，注重實驗過程中各知識點的總結(jié)和反思。通過此仿真系統(tǒng)，學生隨時隨地線上學習，掌握物相、晶粒尺寸、晶格畸變和晶格常數(shù)等科學分析方法。另外，仿真系統(tǒng)通過后臺可以對重要參數(shù)進行重新配置，建立豐富測試樣本庫，無需修改代碼即可滿足個性化教學需要。

原位變溫X射線衍射虛擬仿真實驗是一個綜合探究性實驗，在數(shù)據(jù)分析學習過程中如果遇到問題，可參閱線上資源尋求解決的方案或自行在網(wǎng)上查閱文獻進行解決。學生也可在線上的答疑解惑模塊提出問題，由教師和其他學生進行解答，或者帶著線上問題，在線下實驗中進行討論。這種教學模式將充分調(diào)動學生的積極性，學生由過去的被動參與者的角色轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃訁⑴c者。隨著學習的深入和推進，學習中遇到的問題一一得以解決，學生分析問題和解決問題的能力得到極大的鍛煉。

學生在實驗平臺完成預(yù)習與虛擬仿真練習版實驗等環(huán)節(jié)后，正式進入實驗室時，對實驗內(nèi)容和基本操作己有較好的認識和理解。雖然教師沒必要再對實驗內(nèi)容知識點進行詳細講解，但是針對實驗內(nèi)容的關(guān)鍵問題進行提問，并引導學生積極思考與回答，以考查學生對實驗關(guān)鍵知識點與操作注意事項的掌握情況。與此同時，學生針對自己不理解的問題，與同學進行討論，教師針對具體實驗原理、實驗方法、影響因素、結(jié)果分析進行答疑、講授，如怎樣調(diào)整光路、精準測量、物相鑒定、晶粒尺寸和晶格常數(shù)的科學分析等，激發(fā)學生的學習主動性與積極性。線下實驗實際操作時，學生分為2-3人一組，進行小組式輪流操作。由于實驗課時限制，線下實驗內(nèi)容限定于X射線衍射物相分析實驗。教師巡視和觀察學生的操作情況，對于不規(guī)范的操作和有安全隱患的地方進行指導和糾正。實驗完成后，教師對本次實驗進行總結(jié)，并對實驗過程中大家存在的共性問題進行統(tǒng)一點評與解答。

課后，本課程要求學生完成原位變溫X射線衍射虛擬仿真綜合性實驗考核模式實驗，總結(jié)、內(nèi)化吸收與鞏固實驗知識點，完成虛擬仿真實驗報告，同時將出現(xiàn)的問題通過線上平臺或QQ、微信反饋給教師；教師在網(wǎng)絡(luò)平臺上組織學生參與線上交流、答疑、討論活動，并將學生反饋的問題及實驗中出現(xiàn)的問題進行歸納、總結(jié)。最終，教師根據(jù)學生的預(yù)習自測、虛擬仿真實驗成績、線下實驗操作規(guī)范和實驗報告等對學生進行多元量化綜合考核，同時把立德樹人理念如誠實勞動、信守承諾和誠懇待人等與課程考核機制相融合。最后教師根據(jù)每個環(huán)節(jié)的重要性分配各部分的權(quán)重，并按公式計算學生實驗的總成績，本實驗成績線下實驗占60% (包括實驗操作規(guī)范及素養(yǎng)10%，考核50%)，線上實驗占40%。

2 原位變溫X射線衍射虛擬仿真實驗建設(shè)

2.1 原位變溫X射線衍射虛擬仿真實驗設(shè)計思路

本實驗項目并不是儀器廠商操作說明書，不僅讓學生學會怎么操作儀器，而且向?qū)W生強調(diào)實驗原理，掌握得到精準的測試數(shù)據(jù)和精確計算的方法以及提高專業(yè)知識的互聯(lián)網(wǎng)思維能力，讓學生了解原位變溫X射線衍射在材料分析領(lǐng)域中可以解決什么實際問題以及解決問題的方法。實驗突出綜合性、研究性和實用性特點。

2.1.1 本實驗內(nèi)容突出綜合性特點

本實驗內(nèi)容突出綜合性特點，涉及X射線衍射表征的諸多概念和技術(shù)，如布拉格衍射、X光管、測角儀、聚焦光路、物相分析、晶粒尺寸、晶格畸變、晶格常數(shù)、熱解相變等。本實驗通過若干虛擬化典型場景將上述概念和技術(shù)融為一體。例如：在“晶格常數(shù)精確計算”中，學生不僅要學會對所用的衍射譜進行分析，還要知道如何制備樣品，如何設(shè)置參數(shù)，才能得到一張適合做數(shù)據(jù)分析用的衍射譜，進而又要知道怎樣處理數(shù)據(jù)和消除誤差，不同的計算方法對結(jié)果有什么樣的影響，應(yīng)該如何避免等等一系列的問題。學生必須綜合運用多門課程所學知識，并將其與實際系統(tǒng)和具體應(yīng)用的特點相結(jié)合，才能順利完成實驗和正確理解結(jié)果。

2.1.2 本實驗設(shè)計突出研究性特點

本實驗不僅包含基本的演示和操作環(huán)節(jié)，還要求學生在顯示多種結(jié)果和提示解釋基礎(chǔ)上對選擇參數(shù)和計算方法進行認真分析，并提出自己的系統(tǒng)優(yōu)化方案。通過物相分析、晶粒尺寸和晶格常數(shù)變化，學生深入探索氫氧化鎂材料熱解行為，理解其作為阻燃劑原理及探究材料性能改進措施。這些充分體現(xiàn)了研究性特點，激發(fā)學生創(chuàng)新意識。

2.1.3 本實驗設(shè)計突出實用性特點

原位變溫X射線衍射儀虛擬仿真實驗虛擬場景逼真度高，使用者在場景中進行靈活的交互式操作，配置儀器中的主要功能模塊，靈活設(shè)置參數(shù)，軟件系統(tǒng)能夠自動地實時模擬相應(yīng)的實驗數(shù)據(jù)，并且得到與真實實驗相似的實驗結(jié)果。學習者在虛擬系統(tǒng)上隨時進行反復多次的演練，熟練操作儀器后，可以在非工作日，在原位變溫X射線衍射儀上獨立操作和數(shù)據(jù)分析，這樣可大大提高大型儀器的使用效率。以中國科學技術(shù)大學化學實驗教學中心的原位變溫X射線衍射儀為例，實施虛擬仿真實驗系統(tǒng)學習后，學員獨立操作原位變溫X射線衍射儀的測試機時從2016年的160多小時上升到2019年430多小時。

2.2 原位變溫X射線衍射虛擬仿真教學系統(tǒng)的構(gòu)建

本實驗以前沿性和時代性課程內(nèi)容為目標，克服了傳統(tǒng)X射線衍射實驗內(nèi)容與方法的單一性，拓展了X射線衍射實驗教學的廣度和深度，構(gòu)建了原位變溫X射線衍射虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)的學習，使學生充分理解原位變溫X射線衍射的基本原理，掌握精準的測試數(shù)據(jù)和精確計算方法，通過獲得的材料分析計算數(shù)據(jù)，詳細探討氫氧化鎂熱解行為，理解其作為阻燃劑原理及探究材料性能改進措施，培養(yǎng)學生利用大型儀器解決復雜問題的綜合能力。

原位變溫X射線衍射虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)突出教學過程的完整性，流程如圖2所示。通過實驗預(yù)習、預(yù)習測試、仿真練習、仿真考核和實驗報告等多個實驗環(huán)節(jié)，構(gòu)建完整的實驗教學過程。虛擬仿真實驗根據(jù)實驗步驟，大致可分為原位變溫X射線衍射儀結(jié)構(gòu)和原理、樣品測試、物相分析、晶粒尺寸及晶格畸變分析和晶格常數(shù)分析五個模塊依次進行。

圖2 原位變溫X射線衍射虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)流程圖

2.2.1 原位變溫X射線衍射儀結(jié)構(gòu)和原理仿真模塊

首先，學生進入原位變溫X射線衍射儀構(gòu)造和原理認知階段(圖3)。在結(jié)構(gòu)展示區(qū)域中，學生能看到儀器內(nèi)部逼真的單元部件，并通過回答認知過程中設(shè)置的考核題進行自主式學習。系統(tǒng)引導學生理解光路中不同部件的組合方法及作用，例如對不同樣品，光路中不同狹縫的組合對測試數(shù)據(jù)帶來的影響等。在認知過程中，系統(tǒng)通過二維、三維和動畫視頻的方式說明，使學生更加直觀地掌握儀器結(jié)構(gòu)對應(yīng)的知識點，加深對儀器原理的理解。

圖3 原位變溫X射線衍射儀構(gòu)造和原理認知示意圖和界面

2.2.2 原位變溫X射線衍射樣品測試模塊

本仿真模塊以理學SmartLab原位變溫粉末X射線衍射儀為原型，通過虛擬仿真原位變溫粉末X射線衍射測試的全過程，使學生了解并掌握其測試方法。樣品制備對測試結(jié)果有重要影響。學生經(jīng)過樣品制備仿真練習，并通過設(shè)置的相關(guān)考核題，理解樣品在光路中位置高低、顆粒大小及均勻性等因素對實驗結(jié)果產(chǎn)生的影響，如圖4?；谠蛔儨貢斐蓸悠犯叩臀恢米兓?，系統(tǒng)設(shè)置了對測試過程中光路校正仿真，此操作不同于常規(guī)X射線衍射測試。本仿真系統(tǒng)通過變溫參數(shù)設(shè)置，考查溫度上升速率以及保留時間對樣品相變溫度點測定的影響(圖5)；通過標樣校正來選擇樣品測試參數(shù)，考查掃描速度和狹縫對測試數(shù)據(jù)準確度的影響(圖6)。學生選擇不同參數(shù)，顯示多種結(jié)果和提示解釋。當學生在操作不正確情況下，仿真系統(tǒng)出現(xiàn)錯誤結(jié)果，經(jīng)系統(tǒng)提示，學生再優(yōu)化操作方法。學生在系統(tǒng)中要通過儀器測試參數(shù)相關(guān)關(guān)鍵知識點考核測試，從而深入理解儀器測試參數(shù)的意義。

圖4 原位變溫X射線衍射樣品制備界面和樣品測試示意圖

圖5 原位變溫X射線衍射變溫參數(shù)設(shè)置界面

圖6 原位變溫X射線衍射樣品掃描測試界面

2.2.3 原位變溫X射線衍射物相分析模塊

通過原位變溫X射線衍射實驗訓練，學生理解了X射線衍射及材料原位測試原理，在精確測試數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，讓學生掌握物相分析方法。在本仿真模塊中，學生按照原位變溫X射線衍射數(shù)據(jù)，通過虛擬仿真粉末衍射物相檢索的全過程，理解正確設(shè)置檢索條件(如數(shù)據(jù)庫、元素限定等)是物相檢索的關(guān)鍵，同時結(jié)合線下X射線衍射物相分析實驗，理解物相檢索需要相關(guān)領(lǐng)域的專業(yè)知識和經(jīng)驗積累，真正掌握粉末X射線衍射物相正確分析方法。學生把此方法應(yīng)用于原位變溫X射線衍射物相分析中，研究氫氧化鎂熱分解在不同溫度和保溫時間下的相變機理(圖7)。

圖7 原位變溫X射線衍射物相分析示意圖和界面

2.2.4 原位變溫X射線衍射晶粒尺寸及晶格畸變分析

這個模塊主要是利用虛擬仿真數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)開展氫氧化鎂熱解產(chǎn)物的晶粒尺寸及晶格畸變變化研究，見圖8。學生通過數(shù)據(jù)處理，掌握X射線衍射的近似函數(shù)法，測定在不同溫度下煅燒氫氧化鎂獲得氧化鎂(MgO)晶粒大小和晶格畸變，探索納米粉體MgO的晶粒大小和晶格畸變隨溫度變化規(guī)律，理解材料微結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出的溫度和尺寸效應(yīng)。

圖8 原位變溫X射線衍射晶粒尺寸及晶格畸變分析示意圖和界面

2.2.5 原位變溫X射線衍射晶格常數(shù)的精確計算

在這個實驗?zāi)K中，主要是利用X射線粉末衍射技術(shù)開展變溫條件下的晶體結(jié)構(gòu)變化動力學研究。在實驗中，學生利用虛擬仿真數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，開展不同溫度下氫氧化鎂熱解后氧化鎂的晶格常數(shù)精確分析。仿真系統(tǒng)通過容錯設(shè)計和考核，讓學生掌握造成晶格常數(shù)測量誤差的原因以及如何消除誤差的方法，掌握晶格常數(shù)精確計算方法。數(shù)據(jù)分析步驟及仿真界面如圖9所示。

圖9 原位變溫X射線衍射晶格常數(shù)分析示意圖和界面

學生完成氫氧化鎂熱解所有溫度點數(shù)據(jù)分析后，提交整個實驗完成情況，把實驗中得出的各個溫度點的物相、晶粒尺寸和晶格常數(shù)填入平臺“實驗報告”表格，線上提交(圖10)。學生根據(jù)所得數(shù)據(jù)課后詳細探討氫氧化鎂熱解行為并理解其作為阻燃劑的原理及探究材料性能改進措施。

圖10 原位變溫X射線虛擬仿真實驗教學平臺

2.3 原位變溫X射線衍射虛擬仿真實驗考核及教學效果

2.3.1 虛擬仿真實驗考核

仿真實驗采用多元化、過程性考核方式，強化學生對實驗結(jié)果造成影響的關(guān)鍵因素的理解。

除了傳統(tǒng)實驗報告外，虛擬仿真實驗教學平臺收集管理學生預(yù)習效果和課后考核。虛擬實驗軟件后臺，將會自動記錄學生的操作情況和互動答疑信息，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，對學生的專業(yè)綜合實驗技能進行合理評價。平臺建立完善的反饋機制，教師根據(jù)反饋信息實時了解學生對相關(guān)知識的掌握程度，針對薄弱環(huán)節(jié)對學生進行輔導，同時反饋信息為教師改進和完善實驗提供參考。另外根據(jù)校內(nèi)、外學生反饋，教師持續(xù)改進相關(guān)教學考核要求，以適應(yīng)不同學校和專業(yè)，比如數(shù)據(jù)計算結(jié)果誤差的要求等。詳細評分如表1所示。

2.3.2 虛擬仿真教學效果

“原位變溫X射線衍射虛擬仿真實驗”獲批2019年國家虛擬仿真實驗教學一流課程。在國家虛擬仿真實驗教學項目共享平臺上線后已獲得8610次的瀏覽量，實驗人數(shù)達到2412人，加上在校級平臺實驗人數(shù)，2019-2021實驗總?cè)藬?shù)達到3500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99%，其中達標(合格)率達到了55.8%，優(yōu)秀率為43.2%，此結(jié)果表明實驗內(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。本科學生在教學反饋中表示：此實驗沉浸感強、導航明確，提供的詳細輔導材料有利于自學；系統(tǒng)可提供實驗前、實驗中和實驗后理論知識點和操作的考核情況，并進行評價；在實驗中對誤操作進行提示，學生可以反復練習，并且與線下實驗相結(jié)合，加深了對關(guān)鍵知識點的理解。我們對虛擬仿真實驗教學在實驗內(nèi)容、教學形式、在線互動和課程資料方面滿意度進行調(diào)查，總體滿意度較好，結(jié)果如圖11所示。

圖11 原位變溫X射線虛擬仿真實驗滿意度調(diào)查結(jié)果

3 結(jié)語

原位變溫X射線衍射虛擬仿真實驗建設(shè)為大型儀器實驗教學提供了更多的可能性，填補了實驗原理難以理解、有危險性、資金和時間成本高、實驗條件和數(shù)據(jù)處理嚴格且又具有重要的專業(yè)性的綜合實驗在本科X射線衍射實驗教學中的空白。同時開展的線上線下混合教學模式體現(xiàn)了“以學生為主體，教師為主導”的教學理念，培養(yǎng)了學生利用大型儀器解決復雜問題的綜合能力和高級思維。當然，在大型儀器虛擬仿真實驗教學的具體實施過程中，也存在一些亟待解決的問題：

(1)在原位變溫X射線衍射虛擬仿真實驗建設(shè)中，實驗教師構(gòu)建了實驗教學內(nèi)容，軟件技術(shù)公司雖然在信息技術(shù)方面具有優(yōu)勢，但不了解學科專業(yè)知識，所開發(fā)的軟件系統(tǒng)存在一些缺陷，無法充分滿足實驗教學要求，因此在教師團隊中，需培養(yǎng)對信息技術(shù)熟練應(yīng)用的儀器分析實驗專業(yè)教師作為項目指導；

(2) X射線衍射本身具有集多學科知識于一體的特征，部分實驗內(nèi)容比較晦澀難懂，學生預(yù)習效果不佳，因此學生在線上實驗之前應(yīng)選修相應(yīng)的專業(yè)理論課；

(3)盡管虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)可以實現(xiàn)高仿真實驗場景，但是與實際情景還是有差別。在實際儀器設(shè)備的使用中有很多通過實際操作而獲得的經(jīng)驗，目前這些是虛擬仿真實驗無法替代的。