示范性虛擬仿真實驗教學一流課程的建設與應用

張 勇，賈洪聲，劉惠蓮，鄂元龍

(吉林師范大學 a.物理國家級實驗教學示范中心;b.物理學院，吉林 四平 136000)

虛擬仿真實驗運用虛擬現實技術、數字交互技術、網絡通信與數據庫技術等信息技術構建逼真的虛擬實驗空間和實驗對象，還原再現真實環境下的實驗操作過程與實驗現象，解決了部分高危險、高成本、高消耗、大型綜合類實驗實訓項目不易開展的難題，有效拓展了實驗教學內容的廣度和深度，延伸了實驗教學的時間和空間，成為實驗教學信息化改革的重要內容[1-6]. 國家和省市教育主管部門先后出臺系列政策文件，從平臺建設(虛擬仿真實驗教學中心)到資源建設(虛擬仿真實驗教學項目)，再到課程建設(虛擬仿真實驗教學一流課程)，持續推進信息技術與高等教育實驗教學的深度融合，各高校給予了高度重視. 如何開展以虛擬仿真實驗為核心的實驗課程教學改革、優化實驗教學資源結構、提升實驗教學資源使用效率已成為高校實驗課程改革的重點.

本文以超高壓物理實驗技術虛擬仿真實驗教學項目為核心，建設超硬材料合成與加工專題實踐課程，對實驗教學進行深入細致、系統化的改革，探索個性化、智能化的實驗教學新模式.

1 課程建設概述

1.1 課程建設的必要性

在高壓極端條件下，物質中的原子/分子距離將縮短，相互作用顯著增強，從而使物質的物相、性能發生顯著變化，高壓技術已經成為發現和研究新物態、新現象、新材料的重要手段. 目前，工業上廣泛應用的人造金剛石、立方氮化硼等超硬材料的合成就是高壓物理實驗技術應用與材料領域的經典案例，合成的超硬材料具有超硬度、超耐磨、耐高溫、耐腐蝕等優點，廣泛應用于機械加工刀具、油氣勘探鉆頭等領域[7-8]. 將相關實驗技術應用引入到本科物理實驗教學中，不僅有助于學生快速掌握高壓物理實驗技術，理解物理學前沿成果在社會生產中應用的重要性，而且利于培養學生的科研創新精神，提升學生獨立解決問題的能力. 因此，我校物理國家級實驗教學示范中心對相關科研成果進行整合，轉化為實驗教學項目，開設了“超硬材料合成與加工”專題實踐課程.

但在實際教學中，超硬材料合成所需的高壓物理實驗設備——六面頂液壓機體積龐大，占地近百平，配套測試分析儀器價格昂貴，因此難以布置滿足教學需求的設備臺套數；實驗操作存在一定危險性，部分儀器設備的操作要求較高，操作失誤易導致設備損壞；實驗過程耗時長、成本消耗較大，受實驗學時和經費限制，部分實驗項目難以保證全體學生都參與操作.

按照“以虛補實、虛實結合”的指導思想，以超硬材料合成過程為藍本，開發高度仿真、互動的虛擬仿真實驗教學項目，替代難以實施的實體實驗項目，不僅可以提高實驗教學效率，再配合實體實驗教學，更有助于調動學生參與實驗教學的積極性和主動性，激發學生的學習興趣和潛能，增強學生創新創造能力.

1.2 課程建設的思路

從課程特點、課程目標、教學內容、教學方法、實踐教學需求出發，開展課程建設，其建設思路主要是：

1)理論實踐相結合. 高壓物理理論基礎、超硬材料合成理論、實驗設備原理與結構、操作安全以及注意事項等理論知識教學與實驗教學同步開展，注重理論聯系實踐，突出理論指導下的實驗教學.

2)虛擬實體相結合. 依托高壓物理實驗平臺，以超硬材料合成與分析過程為主線，構建超高壓物理實驗技術虛擬仿真實驗教學項目，為學生提供“虛擬仿真實驗+實體實驗”的虛實結合實驗學習條件.

3)線上線下相結合. 將線上虛擬仿真實驗教學平臺與線下課堂教學有機結合、互相補充，提高實驗教學內容的科技時效性，豐富教學手段，實現實驗預習考評、實驗操作量化評定的智能化.

2 虛擬仿真實驗教學項目的開發

超高壓物理實驗技術虛擬仿真實驗教學項目是超硬材料合成與加工專題實踐課程的核心資源之一. 項目以立方氮化硼超硬材料合成工藝流程為主題，建立三維虛擬實驗空間，呈現實體實驗場景，對8種主要實驗儀器設備進行高仿真度的建模、仿真，通過虛擬操作完成實驗原料的稱量、熱處理、壓塊、組裝、高溫高壓合成、測試分析等實驗環節，使學生在接近真實的視聽感受中掌握工藝流程和設備操作.

2.1 虛擬仿真實驗的運行架構

虛擬仿真實驗教學項目的運行架構如圖1所示，采用B/S架構，教師和學生根據分配的賬號登錄到網絡平臺. 教師用戶能夠對班級學生進行統一管理，上傳課程教學資源，查看學生實驗報告和實驗成績，維護題庫，創建線上考試，開展線上輔導答疑. 學生用戶能夠查閱課程學習資料進行實驗預習，運行仿真軟件，提交實驗報告，查看自己的學習記錄、考試記錄、實驗報告以及學習提問等.

圖1 虛擬仿真實驗教學平臺運行架構

2.2 虛擬仿真實驗任務設計

虛擬仿真實驗教學項目根據課程教學目標，以實現綜合訓練為目的，將虛擬仿真實驗教學內容劃分為3個階段性仿真實驗任務：粉體原料預處理、高溫高壓合成立方氮化硼燒結體、立方氮化硼樣品性能測試分析.

任務1：粉體原料預處理. 如圖2所示，使用虛擬電子天平根據組分設計稱量所需的微納米立方氮化硼(cBN)、粘結劑等粉體原料，并進行混合研磨. 在充分混合后，使用真空管式爐對粉體原料進行熱處理，去除表面吸附雜質，形成高壓燒結所需的粉體材料. 該任務重點訓練學生掌握超硬材料組分的設計和使用真空管式爐.

圖2 原料稱量與預熱處理

任務2：高溫高壓合成立方氮化硼燒結體. 首先，使用四柱液壓機對預熱處理后的粉體原料進行預壓成型(圖3)；隨后，將預壓成型的樣品塊與石墨加熱管、絕緣堵頭、石墨片、銅片、鋼帽、葉臘石復合塊組裝成高壓實驗所需的合成塊(圖4)；最后，將合成塊置于六面頂液壓機中，設置高溫高壓合成條件，制備立方氮化硼燒結體(圖5). 該任務重點訓練學生掌握高壓合成工藝控制.

圖3 四柱液壓機預壓成型

圖4 高壓腔體組裝材料

(a)六面頂液壓機

任務3：立方氮化硼樣品性能測試分析，該任務包括對合成樣品的3方面性能進行分析.

樣品物相結構XRD表征流程如圖6所示：啟動X射線衍射儀和循環水預熱；將樣品放入卡槽后關閉工作艙門；設置X射線衍射儀控制參量，獲得樣品數據曲線.

(a)實物測試

樣品硬度測量流程如圖7所示：將樣品置于載物臺上，操作控制軟件建立連接；轉動升降裝置調整清晰度；運行設備獲得方形壓痕，測量計算樣品硬度數據.

(a)實物測試

樣品斷裂韌性測試流程如圖8所示：啟動萬能試驗機；將樣品置于壓具上，控制壓頭置于樣品塊上方2～3 mm；設置儀器參量，運行測試，記錄測試結果.

(a)實物測試

3 課程教學實施及教學效果

3.1 教學方法

針對不同教學環節，分階段綜合運用了多種教學方法.

1)引導演示、案例教學. 以圖片、動畫、3D模型、文檔等多種形式將教學內容呈現在虛擬仿真教學平臺上，配合以引導視頻、操作案例、實體演示、教師講解，使學生能夠快速了解實驗、激發參與愿望，并為實驗操作做好必要知識準備.

2)任務驅動教學. 在實驗操作過程中，以明確的實驗任務為驅動，允許學生在一定范圍內自主設計實驗參量、合成條件，通過不斷地正確性驗證和容錯式操作，查找問題、解決問題，最終形成對實驗工藝流程、儀器設備操作的正確認識和對超硬材料合成原理的深度理解，提升學生自主學習、探究問題、解決問題的能力.

3)線上線下相結合的研討教學. 線上的仿真實驗使學生在高度逼真的虛擬仿真環境中體驗和學習合成工藝和設備操作，并可通過平臺與教師進行交互；線下組織無領導小組討論，加強學生之間的互動，培養學生的團隊協作能力.

3.2 考核評價

構建集診斷性評價、形成性評價和總結性評價于一體的階段式評價體系.

實驗前，開展診斷性評價. 對學生自身具有的認知、技能方面進行自我診斷、評價.

實驗中，以形成性評價為主. 在操作過程中通過提示、反饋等功能，監督和引導實驗進程，將各步實驗目標的達成作為評價依據.

實驗后，進行總結性評價. 學生通過線上線下討論、協作學習、提交實驗總結報告，最終對實驗形成整體認識.

得益于虛擬仿真平臺先進的網絡技術和交互策略，使得課程考核評測自動完成，實驗過程全程記錄，為階段式評價體系的建立提供了保障.

3.3 教學效果

通過對“超硬材料合成與加工”課程的學習，特別是虛擬仿真實驗項目的引入，激發了學生對高壓物理實驗的興趣，基于課程內容的國家級、省級大學生創新創業訓練項目不斷立項，其中2項高壓物理實驗相關項目分別入選第10、第12屆全國大學生創新創業年會展示項目. 學生以高壓物理實驗技術為支撐，組建創業團隊，從事超硬材料開發，在“互聯網+”“創青春”“挑戰杯”等創新創業大賽中取得了優異成績. 超高壓物理實驗技術虛擬仿真實驗教學項目通過“實驗空間”平臺向學校及社會開放訪問及使用，獲批成為國家虛擬仿真實驗教學項目.

4 結束語

基于虛擬仿真實驗教學項目的實驗課程建設已成為實驗教學信息化改革的重要發展方向. 本文以“超硬材料合成與應用”課程建設為例，通過虛擬仿真技術，開發超高壓物理實驗技術虛擬仿真實驗教學資源，解決了實體實驗教學所面臨的人數多、設備少、空間小、能耗大、可能存在危險等教學問題. 通過構建虛實結合的多維混合式教學模式，為學生提供靈活自由的在線實驗學習環境，借助完善的網絡管理平臺，實現教學、實驗、考核、評價的閉環管理. 課程全景展現了高壓物理在社會生產中的應用，高壓物理實驗教學的廣度和深度得以拓展，為提高學生實踐能力和創新素質提供了有利支撐.