來婧娟　武元鵬　西宇辰　劉麗

［摘 要］ 掃描電子顯微鏡作為高等院校檢測和分析材料的一種重要大型精密儀器，在材料科學(xué)中具有非常廣泛的應(yīng)用價值。針對傳統(tǒng)實驗教學(xué)中存在的諸多問題，通過虛擬仿真技術(shù)開發(fā)了掃描電子顯微分析虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)，探索并實踐了以虛擬仿真實驗教學(xué)和實體實驗教學(xué)有機結(jié)合的混合式實驗教學(xué)方法。突破傳統(tǒng)實驗教學(xué)中時間、空間及教學(xué)方法的局限，豐富了實驗教學(xué)內(nèi)容和手段，激發(fā)教師的教學(xué)活力，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性，切實提高實驗教學(xué)質(zhì)量，助力材料類專業(yè)對兼具創(chuàng)新意識和實踐能力創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)。

［關(guān)鍵詞］ 掃描電子顯微分析；虛實結(jié)合；實驗教學(xué)方法

［基金項目］ 2021—2023年四川省高等教育人才培養(yǎng)質(zhì)量和教學(xué)改革項目“基于‘政產(chǎn)學(xué)研用協(xié)同合作的行業(yè)高校材料類創(chuàng)新人才培養(yǎng)的探索與實踐”（JG2021-589）；2022年度四川省產(chǎn)教融合示范項目“四川省光伏產(chǎn)業(yè)產(chǎn)教融合綜合示范基地”（川財教〔2022〕106號）；2021年度成都市鼓勵校地校企合作培養(yǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展人才項目“太陽能產(chǎn)業(yè)高素質(zhì)應(yīng)用型復(fù)合人才校企聯(lián)合培養(yǎng)”（成財制〔2021〕2號）

［作者簡介］ 來婧娟（1982—），女，山西大同人，博士，西南石油大學(xué)新能源與材料學(xué)院實驗師，碩士生導(dǎo)師，主要從事大精儀器設(shè)備管理和功能高分子材料研究；武元鵬（1981—），男，山西運城人，博士，西南石油大學(xué)新能源與材料學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師（通信作者），主要從事實驗室建設(shè)與管理和功能高分子材料研究；劉 麗（1976—），女，陜西富平人，學(xué)士，西南石油大學(xué)新能源與材料學(xué)院高級實驗師，碩士生導(dǎo)師，主要從事腐蝕與防護實驗和實驗管理研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標(biāo)識碼］ A［文章編號］ 1674-9324（2024）07-0093-04［收稿日期］ 2023-01-30

引言

掃描電子顯微分析技術(shù)是高校材料學(xué)及其相關(guān)專業(yè)核心課程“材料分析方法”中具有實用價值的重要分析技術(shù)，對于培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐能力和創(chuàng)新能力具有非常重要的作用。然而，受限于儀器臺套數(shù)、教學(xué)場地、時間約束以及儀器裝置的特殊性，目前在各高校實體教學(xué)過程中，在培養(yǎng)學(xué)生全面實踐創(chuàng)新能力方面受到了很多限制，提供給學(xué)生實際上機操作的機會較少，導(dǎo)致學(xué)生對儀器相關(guān)知識的理解和掌握僅停留在抽象理論知識層面，動手及解決實際問題等能力均無法得到有效提高，教學(xué)效果欠佳。隨著教育部啟動的“六卓越一拔尖”計劃2.0對高校新工科建設(shè)的不斷推進和對高水平復(fù)合型科技新工科人才培養(yǎng)戰(zhàn)略目標(biāo)的進一步提出［1］，對高校材料類學(xué)科創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)，對旨在提高培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識和實踐能力的實驗課程教學(xué)質(zhì)量也提出了更高的要求，因此實驗教學(xué)改革迫在眉睫。本文以“材料分析方法”課程中具有實用價值的“掃描電子顯微分析實驗”課程為例進行探索和研究。

一、傳統(tǒng)實驗教學(xué)中存在的問題

（一）實驗教學(xué)模式單一

掃描電子顯微分析傳統(tǒng)實驗教學(xué)通常采用單向傳導(dǎo)的教學(xué)模式，即以教師為主導(dǎo)，向?qū)W生單向傳授相關(guān)知識的教學(xué)模式。一般先由教師對儀器相關(guān)內(nèi)容進行講解，使學(xué)生大致了解掃描電鏡的原理、結(jié)構(gòu)及實驗要求和注意事項，然后由教師進行演示操作，學(xué)生分組觀看實驗演示，記錄觀察到的實驗數(shù)據(jù)，采集圖像并分析后提交實驗報告。這種實驗教學(xué)模式在很大程度上難以調(diào)動學(xué)生的主觀能動性，嚴(yán)重阻礙了學(xué)生的創(chuàng)造性發(fā)展。

（二）學(xué)生參與度低

由于掃描電子顯微鏡屬于大型精密儀器，價格昂貴、維護成本高，且承擔(dān)任務(wù)重，通常除用于本科實驗教學(xué)外，還承擔(dān)科研實驗表征分析。為避免學(xué)生由于操作不當(dāng)而造成儀器損壞，在傳統(tǒng)實驗教學(xué)中，大多只能采用示范性教學(xué)；受限于儀器臺套數(shù)、教學(xué)場地以及時間空間等因素，無法滿足學(xué)生的實操需求，學(xué)生的參與度不高。另外，由于掃描電鏡等大型儀器的操作相對比較復(fù)雜，學(xué)生僅憑觀摩教師操作和學(xué)習(xí)抽象理論知識，很難全面掌握掃描電子顯微分析測試方法和實操技能。

（三）實驗教學(xué)效果無法達到預(yù)期

掃描電鏡儀器精密，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其中的真空系統(tǒng)、電子束系統(tǒng)、成像系統(tǒng)以及很多精密部件結(jié)構(gòu)無法通過現(xiàn)場拆裝為學(xué)生形象具體地講解，且涉及的理論知識相對比較抽象，儀器一旦開始運行，處于高真空狀態(tài)，無法直觀地看到內(nèi)部電子束躍遷及運動形式。在教師傳統(tǒng)實驗教學(xué)的“填鴨式”抽象理論灌輸下，學(xué)生靠機械記憶的方法很難深入理解儀器測試的工作原理，并難以真正掌握掃描電子顯微分析方法的相關(guān)知識，在很大程度上影響了學(xué)生對知識的探求和對新知識學(xué)習(xí)的熱情，阻礙了學(xué)生創(chuàng)新意識和實踐能力的培養(yǎng)。

二、虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)構(gòu)建的必要性

要提高“掃描電子顯微分析實驗”課程教學(xué)質(zhì)量和調(diào)動學(xué)生的積極性，最有效的解決辦法是充分利用各種資源，改善實驗教學(xué)方法、豐富實驗教學(xué)內(nèi)容，從而調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性，讓學(xué)生有更多的機會進行掃描電鏡的操作，真正掌握儀器的工作原理及測試分析方法等。引入現(xiàn)代信息技術(shù)［2］，利用虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建掃描電子顯微分析虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)，將傳統(tǒng)實驗教學(xué)中難以實現(xiàn)的部分，在虛擬環(huán)境中實現(xiàn)。通過構(gòu)建多場景、多輸入的實驗理論學(xué)習(xí)及虛擬操作環(huán)境，學(xué)生能夠通過虛擬交互平臺，大膽嘗試、自主反復(fù)學(xué)習(xí)，突破傳統(tǒng)實驗教學(xué)中時間、空間及傳統(tǒng)教學(xué)方法的局限，使實驗教學(xué)模式更加多樣、教學(xué)過程更加安全高效，使學(xué)生能夠更加深入理解并掌握掃描電子顯微分析過程中的抽象理論概念及儀器分析測試方法，很好地解決傳統(tǒng)實驗教學(xué)過程中存在的問題，達到理想教學(xué)目標(biāo)［3-6］。

三、基于虛實結(jié)合的混合式實驗教學(xué)方法探索

（一）虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)的科學(xué)構(gòu)建

我校新能源與材料學(xué)院虛擬仿真教師團隊根據(jù)實驗教學(xué)大綱要求，以“材料分析方法”課程中掃描電子顯微分析內(nèi)容為理論基礎(chǔ)，以掃描電子顯微分析實驗室現(xiàn)場環(huán)境為原型，采用虛擬仿真技術(shù)搭建了集學(xué)、練、考等功能于一體，且可以進行虛擬交互操作的掃描電子顯微分析虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)，模擬了掃描電子顯微分析測試過程中的樣品準(zhǔn)備、測試過程及分析流程等重要環(huán)節(jié)。根據(jù)教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)重點及難點，該實驗教學(xué)系統(tǒng)設(shè)置了基本原理、仿真操作、安全須知和理論測試等四大功能模塊。

在基本原理模塊和安全須知模塊，根據(jù)課程的教學(xué)重點與教學(xué)目標(biāo)，通過配有相關(guān)文字說明的圖片、視頻及三維動畫演示，將儀器構(gòu)造、工作原理、成像原理以及儀器使用安全注意事項等相關(guān)知識點嵌入虛擬教學(xué)系統(tǒng)平臺，尤其用三維動畫形式演示了一些抽象理論，能夠幫助學(xué)生更快更好地理解并掌握；將儀器不安全操作可能導(dǎo)致的后果，用能夠引起視覺沖擊的夸張動畫效果呈現(xiàn)，能夠給學(xué)生留下深刻的印象，從而培養(yǎng)學(xué)生的規(guī)范操作意識和安全意識，為后面的實操訓(xùn)練奠定基礎(chǔ)。

仿真操作模塊根據(jù)掃描電子顯微鏡測試的具體操作流程，模擬了包括樣品制備、掃描電鏡操作以及配套仿真軟件參數(shù)設(shè)置和使用的三大主要虛擬場景，使學(xué)生在基本理論學(xué)習(xí)之后，能夠通過該模塊中虛擬交互平臺的操作提示，自主進行模擬操作練習(xí)，熟悉并熟練掌握掃描電子顯微鏡的制樣、測試及分析過程，很好地解決常規(guī)實驗教學(xué)中“以教師為主導(dǎo)的演示性實驗觀摩”的弊端，促進學(xué)生學(xué)習(xí)獨立進行精密儀器操作及掌握實驗技巧，提高學(xué)生對實際問題的獨立分析及解決的能力。

理論測試模塊是嚴(yán)格按照學(xué)科教學(xué)大綱要求，為學(xué)生量身設(shè)計的掃描電鏡分析測試相關(guān)的理論及實際操作知識測試題。當(dāng)學(xué)生熟練掌握虛擬仿真操作流程后，可進入該模塊隨機抽取測試題，通過掃描二維碼進行在線模擬測試，系統(tǒng)會自動生成相應(yīng)測試分?jǐn)?shù)及錯題解析。一方面，這個模塊的設(shè)置能夠使學(xué)生實時了解自己的薄弱之處，進行后續(xù)有針對性的學(xué)習(xí)；另一方面，能夠使教師通過儲存在系統(tǒng)后臺的模擬測試成績及考核分析報告，及時了解學(xué)生對儀器相關(guān)知識點的掌握情況，匯總分析后做好必要輸出反饋，為后續(xù)實操課程的教學(xué)內(nèi)容以及及時調(diào)整和完善講解側(cè)重點提供有效的數(shù)據(jù)指導(dǎo)。

（二）基于虛實結(jié)合的混合式實驗教學(xué)課程內(nèi)容設(shè)計

在優(yōu)化傳統(tǒng)實驗教學(xué)方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)，科學(xué)構(gòu)建以虛擬仿真實驗教學(xué)和實體實驗教學(xué)有機結(jié)合的混合式實驗教學(xué)方法，主要包括學(xué)生自主預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)、實體實驗教學(xué)環(huán)節(jié)和學(xué)生分組實操訓(xùn)練環(huán)節(jié)。其中，在學(xué)生自主預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)中，學(xué)生首先通過虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)進行自主預(yù)習(xí)和分散學(xué)習(xí)，在掌握掃描電子顯微鏡的儀器結(jié)構(gòu)、工作原理及安全注意事項之后，通過虛擬交互平臺熟練掌握掃描電子顯微分析樣品制備、測試流程、軟件參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)處理及分析方法，通過理論測試模塊完成在線模擬測試，提交預(yù)習(xí)報告；在實體實驗教學(xué)環(huán)節(jié)中，可根據(jù)學(xué)生的在線模擬測試情況反饋，有針對性地對學(xué)生普遍存在的問題、分析測試過程中的重點環(huán)節(jié)，以及實驗安全注意事項等進行集中、重點講解；在學(xué)生分組實操訓(xùn)練環(huán)節(jié)中，允許通過虛擬交互平臺已熟練掌握掃描電子顯微分析測試方法及流程的學(xué)生進行分組實操訓(xùn)練，沒有掌握的學(xué)生可用虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)重新反復(fù)學(xué)習(xí)，直到掌握為止。

（三）基于虛實結(jié)合的混合式實驗教學(xué)多元化考核機制

在基于虛實結(jié)合的混合式實驗教學(xué)模式下，改變傳統(tǒng)單一的“平時表現(xiàn)+實驗成績+期末測試”的考核方式，將實驗成績設(shè)置為“線上虛擬仿真實驗”“線上模擬測試成績”和“線下實驗報告成績”三個部分，實現(xiàn)了“平時成績+線上虛擬仿真實驗預(yù)習(xí)報告成績+線上模擬測試成績+線下實驗成績+期末測試成績”的新型多元化考核機制。

四、基于虛實結(jié)合的混合式實驗教學(xué)方法效果分析

結(jié)合虛擬仿真技術(shù)，突破傳統(tǒng)實驗教學(xué)方法的局限，堅持以培養(yǎng)學(xué)生實踐創(chuàng)新能力為目標(biāo)，以材料專業(yè)特色及行業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求為導(dǎo)向，構(gòu)建新型實驗課程評價機制。目前，本實驗教學(xué)方法已連續(xù)兩年結(jié)合本校新能源與材料學(xué)院“掃描電子顯微分析實驗”課程進行教學(xué)應(yīng)用，應(yīng)用對象為材料控制工程專業(yè)2019級和2020級學(xué)生。結(jié)合實際課堂效果及實驗成績來看，采用基于虛實結(jié)合的混合式實驗教學(xué)方法，主要成效具體體現(xiàn)為以下三個方面。

（一）激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)動力

相較于傳統(tǒng)枯燥的實驗教學(xué)模式，引入虛擬仿真實驗平臺，通過形象的三維動畫演示和逼真的操作體驗，極大地提高了學(xué)生探究知識的興趣。通過多場景、多輸入學(xué)習(xí)及虛擬操作環(huán)境的構(gòu)建，突破了傳統(tǒng)實驗教學(xué)中時間、空間及傳統(tǒng)教學(xué)方法的局限，引導(dǎo)學(xué)生大膽嘗試，積極探索學(xué)習(xí)，真正促使學(xué)生由“要我學(xué)習(xí)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤拔乙獙W(xué)習(xí)”。

（二）實驗教學(xué)更高效

將虛擬仿真實驗教學(xué)和實體實驗教學(xué)有機結(jié)合，科學(xué)構(gòu)建虛實結(jié)合的混合式實驗教學(xué)方法，極大地豐富了原有的教學(xué)手段，突破了傳統(tǒng)實驗教學(xué)中的瓶頸和盲點，使教學(xué)過程更加安全高效。學(xué)生能夠更加深入理解并掌握實驗相關(guān)抽象概念及儀器測試方法，很好地解決了傳統(tǒng)實驗教學(xué)中的問題，使教學(xué)效果顯著提升，達到理想教學(xué)目標(biāo)。

（三）實驗考核更全面

引入虛擬仿真實驗平臺，通過平臺的模擬實驗操作數(shù)據(jù)分析和模擬測試成績，及時反映了學(xué)生在課前預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)中的實際掌握程度，與傳統(tǒng)單一的實驗考核方式相比，不僅提高了實驗考核評估的客觀性與全面性，且由于記錄學(xué)生多次實驗預(yù)習(xí)的最好成績，極大促進了學(xué)生自主反復(fù)學(xué)習(xí)的動力，更有利于培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)。

結(jié)語

與傳統(tǒng)的以教師為主的單向傳導(dǎo)的枯燥實驗教學(xué)模式相比，將虛擬仿真實驗教學(xué)和實體實驗教學(xué)有機結(jié)合的混合式實驗教學(xué)方法，主要以學(xué)生為中心，通過形象的表現(xiàn)手段，系統(tǒng)化地將深奧的理論知識融入混合式實驗教學(xué)過程中，使學(xué)生在濃厚興趣的帶領(lǐng)下積極主動探索知識，培養(yǎng)扎實的實踐操作能力。將虛擬仿真實驗與線下實驗相互穿插、相互補充，以虛輔實，以實助虛，形成交互聯(lián)動、虛實混合的實驗教學(xué)模式。利用虛擬實驗平臺實現(xiàn)隨時隨地、多學(xué)多練的專業(yè)化沉浸式學(xué)習(xí)。不僅有效激發(fā)了教師的教學(xué)活力，還能夠調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)主觀能動性，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和實踐能力，助力高校材料類學(xué)科創(chuàng)新型人才培養(yǎng)目標(biāo)的實現(xiàn)。

參考文獻

［1］“六卓越一拔尖”計劃2.0啟動大會召開 掀起高教質(zhì)量革命 助力打造質(zhì)量中國［EB/OL］.（2019-04-29）［2021-12-15］.http：//www.moe.gov.cn/jyb_xwfb/gzdt_gzdt/moe_1485/201904/t20190429_380009.html.

［2］曹靜，于巖，李凌云，王晨.“材料分析方法”虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)建設(shè)及應(yīng)用［J］.實驗技術(shù)與管理，2019，10（36）：32-35.

［3］教育部辦公廳.關(guān)于2017—2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)的通知：教高廳〔2017〕4號［A/OL］.（2017-07-21）［2021-12-15］.http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7945/s7946/201707/t20170721_309819.html.

［4］教育部.關(guān)于開展國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)工作的通知：教高函〔2018〕5號［A/OL］.（2018-06-08）［2021-12-15］.http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7945/s7946/201806/t20180607_338713.html.

［5］教育部高等教育司.關(guān)于公示2019年度國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目申報材料并開展網(wǎng)絡(luò)用戶使用評價的公告［EB/OL］.（2019-10-28）［2021-12-15］.http：//www.moe.gov.cn/jyb_xxgk/s5743/s5744/A08/201910/t20191029_405732.html.

［6］盧艷麗，董文強，王永欣，等.材料類專業(yè)虛擬仿真實驗教學(xué)中心的建設(shè)與實踐［J］.實驗室研究與探索，2018，37（11）：153-157.

Exploration and Practice of Experimental Teaching Method Based on the Combination of Virtuality

and Reality： Taking Scanning Electron Microscope Analysis as an Example

LAI Jing-juan， WU Yuan-peng， XI Yu-chen， LIU Li

（School of New Energy and Materials， Southwest Petroleum University， Chengdu，

Sichuan 610500， China）

Abstract： As an important large precision instrument for detecting and analyzing materials in universities and colleges， scanning electron microscopy （SEM） has a wide range of application values in materials science. In view of many problems in traditional experimental teaching， a virtual simulation experimental teaching system for scanning electron microscopy analysis was developed through virtual simulation technology， and a blended experimental teaching method that organically combines virtual simulation experimental teaching and physical experimental teaching was explored and practiced. Breaking through the limitations of time， space and teaching methods in traditional experimental teaching， this blended experimental teaching method enriches the content and means of experimental teaching， stimulates the teaching vitality of teachers， arouses students learning interest and enthusiasm， effectively improves the quality of experimental teaching， and will certainly help the cultivation of innovative talents with innovative consciousness and practical ability in materials majors.

Key words： scanning electron microscope analysis; combination of virtuality and reality; experimental teaching method