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、互聯(lián)網(wǎng)技術的快度發(fā)展為教育領域的教學組織形式、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動畫技術的應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計制作中得到了很好的應用[2]. 但是，F(xiàn)lash較難以實現(xiàn)具有較強物理機制、復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、增強現(xiàn)實(augmented reality，AR)技術的逐漸成熟[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，提升實驗能力和創(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是適應信息化條件下知識獲取方式和傳授方式、教和學關系等發(fā)生革命性變化的要求，也是深化信息技術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的通知[4]，并于2018年啟動開展國家虛擬仿真實驗項目建設工作[5]，明確指出國家虛擬仿真實驗教學項目是推進現(xiàn)代信息技術融入實驗教學項目、拓展實驗教學內容廣度和深度、延伸實驗教學時間和空間、提升實驗教學質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、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、線下課程等相互結合和補充，將是促進課程教學改革，提升人才培養(yǎng)質量的重要方式.

1 X射線衍射虛擬仿真實驗項目建設的必要性

X射線實驗是物理學、材料科學和化學等學科相關專業(yè)最經(jīng)典、最基礎的實驗之一. 其發(fā)現(xiàn)、發(fā)展及應用歷程足以體現(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域學科專業(yè)的基礎和專業(yè)課程的核心內容或重要基礎性、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計思路

X射線衍射虛擬仿真實驗項目建設結合物理實驗教學特點、教學方法、教學目標開展項目設計和建設，其設計思路主要是：保持實驗內容的完整性，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 實驗內容的完整性

主要體現(xiàn)在2個方面：a.教學內容的完整性. 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練；粉末衍射法實驗作為創(chuàng)新應用實驗，注重學生應用X射線原位技術開展創(chuàng)新性實驗研究. 實驗內容體現(xiàn)教學內容的基礎性和高階性，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、材料科學等領域相關工作或學習的學生，則注重研究性的實驗內容，要求做精、做細并有研究性實驗報告. b.教學過程的完整性. 通過實驗預習、預習測試、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、仿真實驗等在內豐富的教與學資源和虛擬訓練，學生可以在電腦終端和手機實現(xiàn)虛擬仿真項目基礎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計時注重通過VR技術仿真物理過程中的物理參量調節(jié)及其對應的物理效果，并做到操作方式與實物相似，構建逼真的實驗場景和過程. 學生可以了解實驗原理、儀器結構原理，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)任意參量設置和操作過程，獲得該條件下的實驗結果，掌握實驗參量特別是實驗過程中設置不同的參數(shù)對實驗結果的影響，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容及要求是實驗結束后的數(shù)據(jù)處理. 因此，虛擬仿真實驗平臺設計了后臺數(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理工科實驗中的重要性. 物理實驗對學生能力技能訓練的重要性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知識，模擬實驗過程，在此基礎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

在虛擬實驗設計過程中，結合實踐教學經(jīng)驗和科學研究成果，把影響X射線晶體結構測試的關鍵參量與測試結果的關聯(lián)性融入虛擬仿真軟件之中. 所以在學生操作過程中，每個關鍵參量的調節(jié)都會智能地響應出影響效果，并通過智能化的導師講解原理及分析調節(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容

X射線衍射及結構相變原位表征虛擬仿真實驗包含了X射線產(chǎn)生仿真、基礎性實驗仿真、應用及創(chuàng)新實驗仿真3個仿真實驗模塊，如圖1所示.

圖1 X射線衍射及結構相變原位表征虛擬仿真實驗結構層次框架

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、內在的物理圖景，同時在平臺上備有X射線和晶體結構相關背景知識. 在基礎性實驗仿真模塊中，重點仿真了德拜法晶體衍射和粉末衍射法晶體結構分析實驗2個基礎性實驗. 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果，分析和重構晶體結構，使學生能夠深刻理解X射線晶體學原理. 在創(chuàng)新及應用實驗模塊中，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用以及外界條件引起材料結構變化的內在機制. 本虛擬仿真項目通過智能化的學習和指導，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計過程中越來越注意考量預應力技術的使用。在橋梁施工過程中，預應力技術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，預應力技術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量提升，可以有效促進交通安全，提高橋梁工程質量。本文立足于預應力技術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射線衍射基礎實驗模塊

這一模塊包含2個基礎實驗，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射線衍射基礎性實驗，注重學生對X射線衍射原理及晶體結構測試原理的理解，以及學生的實驗操作、數(shù)據(jù)處理等基本實驗技能的訓練；粉末衍射法實驗注重學生對數(shù)據(jù)分析軟件應用、實驗結果分析能力的訓練，為后續(xù)利用X射線原位技術開展創(chuàng)新性實驗研究打好基礎.

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]，設置了實驗模式和考核模式2種實驗場景. 在實驗模式中，學生通過先前的預習和實驗導學，自主開展實驗，在實際操作過程中出現(xiàn)誤操作時，智能導師會給出具體的指導意見，其操作界面如圖3所示.

圖3 德拜衍射實驗模塊操作界面(實驗模式)

圖4 德拜環(huán)數(shù)據(jù)分析過程界面

在實驗結束后，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構和晶格常量，如圖4所示. 在此基礎上，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模塊的訓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構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

通過德拜衍射基礎實驗訓練，學生理解了X射線衍射原理及晶體結構測試原理. 但從實際應用角度，通過德拜照相法測試晶體結構過程測試效率低，不利于高效開展晶體結構研究. 因此，在德拜衍射實驗基礎上，很有必要讓學生掌握現(xiàn)代晶體結構分析技術. 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構分析方法. 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練學生利用晶體結構分析軟件對實驗結果的分析. 通過這一虛擬實驗過程，讓學生掌握粉末衍射晶體結構測試方法及數(shù)據(jù)分析方法，為開展創(chuàng)新及應用研究打下基礎.

(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射線衍射應用及創(chuàng)新實驗模塊

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，結合粉末衍射基礎實驗，通過設計理論模型和實驗過程，開發(fā)了外場調控晶體結構相變原位檢測虛擬仿真實驗. 在這一模塊的2個應用和創(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構變化以及溫度變化對材料結構的影響有所了解的基礎上，通過設計實驗方案、搭建實驗裝置，開展X射線衍射創(chuàng)新及應用仿真實驗.

1)電化學調控原位X射線衍射結構表征實驗.

在這個實驗中，主要是利用X射線粉末衍射技術開展鋰離子電池充放電過程中的相結構變化動力學研究. 在實驗中，系統(tǒng)仿真鋰電池充電過程中電池材料結構的變化過程，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)溫度調控相變原位X射線衍射結構表征實驗.

在這個實驗中，主要是利用X射線粉末衍射技術開展溫度場調控Cu的相結構變化動力學研究. 在實驗中，系統(tǒng)仿真銅單質在溫度升高過程中氧化過程引起的結構變化過程，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射線衍射應用及創(chuàng)新實驗模塊中，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)新實驗模塊設計時，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拓展實驗教學內容廣度和深度的目標[5].

(a) 學生自主學習、搭建實驗設備仿真界面

(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容設置了不同的考核要求，學生在學習資源學習的基礎上，在基礎實驗模塊中，通過實驗模式場景開展虛擬實驗訓練，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構和參量，在此基礎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，并將實驗結果與系統(tǒng)預設參考數(shù)據(jù)相對應，自動給出考核結果，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)新實驗模塊中，學生需通過創(chuàng)新實驗要求自主查閱文獻資料和相關學習資源，結合虛擬仿真平臺設計實驗方案，自主模擬組建實驗設備體系，并開展創(chuàng)新實驗過程，給出實驗結果并完成研究報告. 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果.

5.2 教學效果

本實驗項目已通過本地實驗網(wǎng)絡平臺后臺及“實驗空間”網(wǎng)站向學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%，表明實驗內容及考核設計較為合理. 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 結束語

從虛擬仿真實驗建設的必要性、建設思路、建設內容，實驗模塊設計與實現(xiàn)方案等幾個方面對X射線衍射及結構相變原位表征虛擬仿真實驗做了分析. 通過項目建設，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構實驗，到粉末衍射晶體結構分析實驗的虛擬仿真，并在此基礎上，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合，開發(fā)出動態(tài)環(huán)境下晶體結構原位檢測虛擬仿真模塊并應用到學生的創(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”.