二組分金屬相圖虛擬仿真實驗應用思考

薛 莉，孫秀玉，成英之，莊淑娟，周子彥，禚淑萍

(山東理工大學 化學化工學院，山東 淄博 255000)

相圖是用來研究體系的狀態隨溫度、濃度、壓力等變量的改變而發生變化的圖形[1-2]。二組分金屬體系相圖在實際生產中具有重要的應用價值。二元金屬相圖的繪制是許多高校開設的物理化學實驗之一[3-9]，但此經典實驗存在操作溫度高，對溫度控制技術要求高，金屬耗材使用量大、成本高，升溫后金屬揮發容易污染環境等實際困難[9]，不夠安全也不夠環保。因此該實驗非常適合以虛擬實驗的形式進行建設并對學生開放。學生通過該虛擬仿真實驗，不僅可以將課堂所學知識與實際應用相結合，對繪制二組分固-液相圖常用的熱分析法的原理、步冷曲線的特點以及如何根據步冷曲線折變溫度繪制相圖等知識有更加深入的理解，還能在安全環保的前提下，提升自己的實踐技能和分析解決問題的綜合能力，實現物理化學實驗教學的最終目的。

1 二組分金屬相圖虛擬仿真實驗簡介

目前較為成熟的線上Sn-Bi二元金屬相圖虛擬仿真實驗采用3D模型模擬實驗室真實環境，可以在多視角下通過鍵盤和鼠標控制移動和取放試劑、器材等。實驗主要包括兩部分：課前預習部分和實驗部分。課前預習主要是實驗目的和實驗原理的學習。通過該部分的學習，學生不僅可以達到復習二組分金屬相圖的相關知識的目的，還能提前熟悉實際的熱分析法實驗中步冷曲線的特點，為即將開始的實驗做好知識準備。實驗開始后，首先是認識實驗中使用到的所有儀器和試劑，然后可以在演示模式或者提示模式下，按照實驗步驟開始實驗。實驗步驟主要包括：(1)開啟計算機中的溫度記錄軟件并錄入樣品信息；(2)按照提示設置好加熱的最高爐溫，將不同Sn/Bi配比的不銹鋼樣品管放置到可控升降溫電爐中，插入溫度傳感器并開始加熱；(3)待到達設定溫度后，通過軟件記錄樣品降溫過程的步冷曲線；(4)依次對所有樣品展開實驗并記錄步冷曲線。在熟悉整個實驗過程后，學生可以在考核模式下獨立進行實驗操作，由系統判分并形成操作報告。

2 二組分金屬相圖虛擬仿真實驗優缺點分析

在2019-2020學年第二學期，山東理工大學化學化工學院應用化學專業2019級4個班的學生在學習完相圖部分的理論課內容后，開展了二組分金屬相圖虛擬仿真實驗。通過4輪實驗的使用，我們收集了教師和學生對于該實驗的反饋，并進行了整理和總結。

2.1 優勢

2.1.1 3D虛擬仿真實驗容易激發學生興趣，提高學生的參與度

該虛擬實驗仿真度高，儀器設備等都非常接近真實實驗，界面友好，電腦操作快捷方便，有游戲般的互動體驗，更容易引發學生的學習興趣。在傳統物化實驗中由于實驗儀器套數有限，需2人一組進行實驗，一些參與意愿較低的學生往往在實驗過程中“袖手旁觀”，實驗結束后抄好數據“交差”，不能很好的達到鍛煉動手能力的實驗教學目的。虛擬仿真實驗必須人人參與，親自動手，對于平時在實驗課上“懶于動手”的學生是一種有效督促，有利于教學目的達成。

2.1.2 實驗的進行不受時間和空間限制

由于物化實驗課涉及內容較多，但儀器套數有限，因此多采用理論課和實驗課同步開課的模式，這就造成了部分學生做實驗時還沒有學到相關理論課內容的情況。即使實驗老師認真講解整個實驗過程，學生也很難在短時間內消化所有內容，做實驗時抓不住重點，很難達到用實驗驗證理論知識的目的。而該虛擬仿真實驗通過學生訪問實驗網頁完成，不受儀器套數和實驗室容量限制，學生可以在學完相圖部分相關知識后自主在網頁上完成該實驗，使理論知識學習和實驗探索緊密連接，相輔相成，有利于學生對于相圖部分知識的深入理解。

2.1.3 實驗現象和結果直觀，減少了等待時間，提高了實驗效率

在傳統的二組分金屬相圖實驗中，學生需要反復加熱5～6個不同Sn/Bi配比的樣品，并記錄冷卻過程的溫度點。整個實驗過程持續時間長，每個樣品的數據點多達25～80個，在實驗過程中很難立刻發現數據中的問題，只有在實驗后通過繪制步冷曲線才能發現實驗數據中可能存在的問題。在虛擬仿真實驗中，不僅可以通過快速升降溫減少等待時間，而且降溫階段可直接觀測樣品的步冷曲線，獲得更加直觀的實驗結果反饋。既達到了實驗驗證的目的，也提高了實驗的效率。

2.1.4 方便對實驗的學習和考核

學生可以在演示模式或提示模式下反復練習實驗操作，在熟練掌握實驗過程后可選擇進入考核模式。完成實驗后，系統自動判分并形成操作報告，既方便學生及時發現問題，提高學習的主動性，也方便教師管理實驗進程，及時督促和幫助學生完成實驗。

2.2 存在的問題

2.2.1 實驗程序相對固定，自主探索空間小

在目前的二組分金屬相圖虛擬仿真實驗中，實驗步驟和操作被嚴格限定，只能按照提示對相關參數進行設定，留給學生的探索空間較小。例如在選擇不同Sn/Bi配比樣品的加熱溫度時，系統直接給出了參考溫度，不按照此數值輸入則實驗無法繼續。這樣的設置過于簡單，學生在操作實驗中容易產生“懈怠”情緒，希望通過虛擬仿真實驗獲得真實實驗體驗的期望值被大大降低。

2.2.2 實驗過程中互動較少，不利于獨立思考能力的培養

虛擬仿真實驗不以鍛煉動手能力為主，而是以觀察實驗現象和思考實驗中的問題為主。在網絡上進行的虛擬仿真實驗很大程度上減少了師生之間和學生之間的互動交流，主要是學生自己在按照實驗步驟操作。因此，如何在實驗過程中加強人機互動，引導學生關注實驗現象，并思考如何用課堂上學習到的理論知識解釋實驗現象和實驗結果，避免成為“電腦操作工”，也是虛擬仿真實驗設計時應該注意的問題。

2.2.3 實驗結果過于“一致”，不利于實驗中“關鍵問題”的發現

在實際的二組分金屬相圖實驗中，由于實驗操作過程中每個學生對實驗原理和注意事項的掌握程度不同，動手能力也存在差異，因此學生獲得的實驗數據往往千差萬別，有的學生得到的步冷曲線甚至無法分辨拐點和平臺溫度，造成繪制的相圖出現較大偏差。在虛擬仿真實驗中，由于流程固定，完成實驗后的輸出結果是固定的，都是“成功的”。學生對于實驗的不同掌握程度很難通過結果反映出來，容易給學生造成“熱分析法實驗操作很簡單”的印象，實驗條件的選擇和實際操作與實驗結果之間的因果關系被弱化，不利于學生通過自己的努力發現影響實驗成敗的關鍵問題。

3 二組分金屬相圖虛擬仿真實驗設計建議

目前，虛擬仿真實驗在實驗教學中的應用越來越受到重視[10-11]。它在教學中起到的兩個最重要作用是預習/復習和拓展[11]。對于那些易于在實驗室開展的、安全性和環保性都較好的實驗，可以通過程序化程度較高的、具有演示功能的虛擬仿真實驗幫助學生進行學習或者熟悉實驗的目的、原理、步驟等，既可以為進入實驗室后開展實際實驗做好準備，也可以幫助學生在實驗結束后或考核前復習整個實驗流程。對于二組分金屬相圖這種具有一定安全性和環保問題的實驗，實際開設具有一定的困難和隱患，可以開發成拓展型虛擬仿真實驗。為了達到實驗的教學目標，該實驗中應設計更多人機互動，讓學生有更多的“嘗試”和“選擇”；利用虛擬仿真實驗快速高效的特點，實時將不同的實驗條件或操作的實驗結果反饋給學生，讓學生通過自己的探索總結規律、發現問題，在相同的時間內獲得比實際實驗更多、更全面的體驗和鍛煉。為達到以上目的，我們在分析了目前使用的二組分金屬相圖虛擬仿真實驗中的問題后，進行了認真的思考，提出以下仿真實驗的設計和修改建議。

3.1 實驗前

在學生對實驗目的和原理完成自主學習后，可在線布置查閱Sn、Bi金屬熔點、實驗注意事項、實際實驗操作視頻等相關資料的任務。完成自學和查閱資料的任務后，可通過實驗前的在線測試考察學生對實驗內容的掌握情況。通過了測試的學生可以正式開始實驗，測試結果可以作為學生預習報告分數的參考。

3.2 實驗中

1)在設置不同Sn/Bi配比樣品的加熱溫度時，只限定輸入溫度上限并給出警示提醒。在降溫階段，根據學生設定的加熱溫度給出全部或者部分(加熱溫度設定過低)的步冷曲線數據，讓學生通過實驗結果認識到加熱溫度設置對于相圖繪制的影響。

2)在樣品的降溫階段，提供至少2個降溫速率供學生選擇，根據降溫速率給出相應步冷曲線。步冷曲線的拐點和平臺是否能清晰出現與降溫速率有很強的相關性[5]。降溫速率較快時，步冷曲線上表示降溫速率差異的折點將變得不明顯，而平臺也會變短甚至變成下滑的曲線而難以分辨(參見圖1a)；降溫速度較慢時，系統和環境溫差小，步冷曲線的拐點和平臺將變得明確而清晰，易于判斷(參見圖1b)。學生通過嘗試不同實驗條件，可以獲得實時反饋的不同形態的步冷曲線，很容易通過比較發現其中的差異和優劣，并思考該差異產生原因，收獲在理論課上很難涉及到的實踐知識。

圖1 Sn-Bi二組分系統步冷曲線示意圖

3)在純組分和混合樣品的步冷曲線繪制部分，當曲線上出現拐點或平臺時，可在線適時提出計算共存相數和條件自由度等問題，考察學生對于單組分和二組分系統自由度計算等理論課內容的掌握情況。學生對于在線問題的解答將作為實驗操作分數的參考。

4)建議在虛擬實驗中設置互動交流區。學生在做實驗的過程中進行的思考和發現的問題可以在線與老師和同學們交流，增加師生間的互動，便于實驗老師掌握學生學習效果和實驗中的問題。

3.3 實驗后

在虛擬仿真實驗進行時，實驗結果以步冷曲線的形式直觀呈現；但實驗結束后建議結果以數據形式輸出。學生根據數據處理要求，自行選擇相關軟件(例如Excel或Origin)進行步冷曲線和相圖的繪制。虛擬仿真實驗可以在線提供繪制該類曲線的指導文件供學生參考，并督促學生在規定時間內完成在線實驗報告的撰寫和提交。此外，還可以在網頁上提供有關相圖繪制技術的拓展閱讀，以及不同二元金屬的實際相圖，使學有余力和有興趣的同學能進行深入的學習。

4 結語

隨著計算機技術和網絡技術的發展，虛擬仿真實驗在近十年來發展迅速，成為物理化學實驗教學的重要組成部分。它不僅可以在正常教學環境中實現輔助實驗教學的目的，還可以在特殊時期突破地域限制，通過網絡幫助學生完成實驗課的學習。對于二組分金屬相圖這種實際開設有一定安全隱患的實驗來說，如何使虛擬實驗的操作更貼近實際實驗，在同樣的時間內利用“虛擬”優勢提高實驗效率，使學生通過在“云端”的實驗收獲比實際實驗更多的經驗和知識，是我們所有老師和設計人員下一步的努力目標。