居家做起云實驗

徐玲玲 崔斌 劉哲

西北大學(xué)“儲能材料的制備及表征綜合虛擬仿真實驗”通過軟件模擬化學(xué)實驗的操作過程，其中包含高溫實驗過程、高電壓的測試和危險試劑使用等危險實驗步驟，制備具有儲能特征的功能陶瓷材料。

西北大學(xué)化學(xué)學(xué)科始設(shè)于1923年，其材料化學(xué)專業(yè)設(shè)立于1991年，2019年西北大學(xué)的材料化學(xué)專業(yè)被評為國家級“一流本科專業(yè)”。西北大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院較早就開始了虛擬仿真實驗的建設(shè)，“儲能材料的制備及表征綜合虛擬仿真實驗”是其典型。

仿真實驗對校外同學(xué)開放，校外同學(xué)只需通過西北大學(xué)官網(wǎng)搜索相關(guān)實驗項目，進行注冊后，便可進行仿真實驗。

進入仿真實驗后，學(xué)生需要先了解與實驗相關(guān)的知識。

然后，在三維場景中熟悉實驗所涉及的儀器和裝置及其重要部件。

了解儀器使用注意事項后，便可進入實驗操作。

通過設(shè)置不同的實驗參數(shù)，會得到不同的實驗結(jié)果。制備納米材料需要考慮很多因素，原料的配比、反應(yīng)溫度與反應(yīng)時間等，都能影響結(jié)果。在實體實驗中由于整個合成過程復(fù)雜、耗時長，學(xué)生很難進行不同實驗參數(shù)的多組實驗。學(xué)生們通過虛擬仿真實驗，可以根據(jù)需要修改實驗參數(shù)，得到不同實驗參數(shù)下的實驗結(jié)果。

實驗加載中

掃描電子顯微鏡

熱重分析儀

制備實驗操作臺

介電性能測試儀

虛擬實驗可以實現(xiàn)傳統(tǒng)基礎(chǔ)化學(xué)實驗室無法實現(xiàn)的教學(xué)

電容器儲能具有儲能密度高、能量釋放速度快、可靠性高、安全性高、價格低廉以及較易實現(xiàn)輕量化和小型化等優(yōu)點，是一種具有革命性的綠色能源技術(shù)，在電動汽車和混合電動汽車、內(nèi)燃機機車啟動、電力系統(tǒng)、微型計算機以及軍工方面等都有著廣泛的應(yīng)用。

在制備儲能這類陶瓷材料時，每一步需要進行3個小時以上的合成反應(yīng)，反應(yīng)完成后需要進行12～24小時的高溫?zé)崽幚聿襟E，還需要掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡等大型儀器或者專用設(shè)備。但大型儀器或者專用設(shè)備的資源限制，本科教學(xué)中往往不能保證學(xué)生單人單臺單次直接操作儀器進行樣品的測試。

虛擬仿真實驗可以更加有效地幫助學(xué)生學(xué)習(xí)相關(guān)大型儀器的原理以及數(shù)據(jù)處理過程，特別是化學(xué)專業(yè)學(xué)生在平時接觸較少的電性能測試部分。

“虛擬仿真實驗非常節(jié)省時間，我們平常做實驗有的步驟耗時非常長，比如馬弗爐中的藥品涼卻到室溫使用往往需要很長時間，自然冷卻可能要十幾個小時，各種合成過程等等，不過在虛擬平臺上面操作時，電腦會幫你省過這些時間，就大大提高了實驗效率。”化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院大三學(xué)生張歐陽興奮地說。

功能陶瓷材料的制備（可選擇進行不同參數(shù)的實驗）設(shè)置煅燒溫度

調(diào)整溶液pH

功能陶瓷材料的制備（可選擇進行不同參數(shù)的實驗）設(shè)置反應(yīng)物的加入量

烘干樣品

實體實驗高溫煅燒實驗涉及的馬福爐（實際溫度高于1200℃）

功能陶瓷材料的電性能測試結(jié)果（介溫譜測試）

功能陶瓷材料的電性能測試結(jié)果（鐵電測試）

均為產(chǎn)物的表征（不同實驗參數(shù)對應(yīng)不同的實驗結(jié)果）

均為產(chǎn)物的表征（不同實驗參數(shù)對應(yīng)不同的實驗結(jié)果）

第一次實驗也不危險了

“儲能材料的制備及表征實體實驗會涉及一些高溫、高電壓的實驗操作，具有很高的危險性。我們可以在虛擬實驗中先熟悉這些實驗的具體操作步驟及注意事項。”化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院大三學(xué)生張宇森說。

由于材料化學(xué)實驗具有更強的綜合性，使得材料化學(xué)實驗具有實驗周期長、實驗涉及高溫、高電壓和危險化學(xué)試劑等特點，這就限制了本科生實驗內(nèi)容的選擇。

傳統(tǒng)化學(xué)實驗大多都是學(xué)生按照實驗課本上的內(nèi)容一步步操作，步驟較為固定，注重的是實驗技能的培養(yǎng)。學(xué)生為了達到預(yù)期實驗結(jié)果束手束腳，因害怕失敗而不敢嘗試自己的方法。

虛擬仿真實驗可以修改實驗參數(shù)，而且可以快速地得到實驗結(jié)果，將產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)、性能與實驗參數(shù)聯(lián)系起來，從而實現(xiàn)雙向交互式實驗方法，改變以往一個模式的實驗，促進學(xué)生自主設(shè)計實驗，完成實驗。

學(xué)生們借助計算機模擬實驗，學(xué)習(xí)規(guī)范步驟，當(dāng)真正站上實驗臺后能減少卡殼、遺漏等錯誤，即使出現(xiàn)了錯誤，也可以通過和模擬中的各步驟實驗現(xiàn)象作對比，快速找到錯誤，從而改正。