X射線衍射及結(jié)構(gòu)相變?cè)槐碚魈摂M仿真實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與建設(shè)

陳水源，鄭勇平，張健敏，姚胡蓉，黃志高

(福建師范大學(xué) 物理與能源學(xué)院，福建 福州 350117)

近年來(lái)，信息技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快度發(fā)展為教育領(lǐng)域的教學(xué)組織形式、教學(xué)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(shí)驗(yàn)場(chǎng)景為許多實(shí)驗(yàn)原理難以理解、危險(xiǎn)性大、資金和時(shí)間成本高、實(shí)驗(yàn)條件苛刻且又具有重要的基礎(chǔ)性、專(zhuān)業(yè)性的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目提供了很好的補(bǔ)充和學(xué)習(xí)輔助[1]. 如2000年以來(lái)Flash動(dòng)畫(huà)技術(shù)的應(yīng)用為物理實(shí)驗(yàn)提供了很好的教學(xué)輔助并取得了很好的教學(xué)效果，其具有豐富的圖像處理功能，便于做出各種簡(jiǎn)單的虛擬實(shí)驗(yàn)儀器和實(shí)驗(yàn)物品，可以模擬較為簡(jiǎn)單的真實(shí)物理實(shí)驗(yàn)環(huán)境，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)交互性和一定的智能化過(guò)程. 因此，F(xiàn)lash仿真平臺(tái)在物理理論和實(shí)驗(yàn)課件的設(shè)計(jì)制作中得到了很好的應(yīng)用[2]. 但是，F(xiàn)lash較難以實(shí)現(xiàn)具有較強(qiáng)物理機(jī)制、復(fù)雜實(shí)驗(yàn)過(guò)程和智能交互的專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn). 隨著近年來(lái)虛擬現(xiàn)實(shí) (virtual reality，VR)技術(shù)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(augmented reality，AR)技術(shù)的逐漸成熟[3]，人們可以通過(guò)多媒體、三維建模、實(shí)時(shí)跟蹤、智能交互、傳感等多種技術(shù)手段，有效地實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)模擬虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，仿真真實(shí)的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，從而給實(shí)驗(yàn)者以環(huán)境沉浸感，并在虛擬環(huán)境中完成實(shí)驗(yàn)全過(guò)程. 這種高度虛擬現(xiàn)實(shí)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境，可以讓學(xué)習(xí)者如進(jìn)入真實(shí)實(shí)驗(yàn)室的感覺(jué)，能夠有效實(shí)現(xiàn)多重交互和互動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可以最大限度地促進(jìn)學(xué)生的自主實(shí)驗(yàn)，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，提升實(shí)驗(yàn)?zāi)芰蛣?chuàng)新思維能力，在專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的具有獨(dú)特的作用. 因此，開(kāi)展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)是適應(yīng)信息化條件下知識(shí)獲取方式和傳授方式、教和學(xué)關(guān)系等發(fā)生革命性變化的要求，也是深化信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合的重要形式.

2017年7月，教育部發(fā)布了2017-2020年開(kāi)展示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)的通知[4]，并于2018年啟動(dòng)開(kāi)展國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)工作[5]，明確指出國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目是推進(jìn)現(xiàn)代信息技術(shù)融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目、拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容廣度和深度、延伸實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)間和空間、提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和水平的重要舉措. 要突出以學(xué)生為中心的實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念、準(zhǔn)確適宜的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、創(chuàng)新多樣的教學(xué)方式方法、先進(jìn)可靠的實(shí)驗(yàn)研發(fā)技術(shù)、穩(wěn)定安全的開(kāi)放運(yùn)行模式、敬業(yè)專(zhuān)業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)隊(duì)伍、持續(xù)改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)體系和顯著示范的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果[5]. 在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目與在線課程、線上線下混合式課程、線下課程等相互結(jié)合和補(bǔ)充，將是促進(jìn)課程教學(xué)改革，提升人才培養(yǎng)質(zhì)量的重要方式.

1 X射線衍射虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)的必要性

X射線實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)、材料科學(xué)和化學(xué)等學(xué)科相關(guān)專(zhuān)業(yè)最經(jīng)典、最基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)之一. 其發(fā)現(xiàn)、發(fā)展及應(yīng)用歷程足以體現(xiàn)其重要性：1895年X射線的發(fā)現(xiàn)標(biāo)志著現(xiàn)代物理學(xué)的誕生，它是19世紀(jì)末20世紀(jì)初三大物理學(xué)發(fā)現(xiàn)之一，于1901年獲得首屆諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng). 自從X射線發(fā)現(xiàn)以來(lái)，在物理學(xué)、材料科學(xué)、生命醫(yī)學(xué)、化學(xué)化工、地學(xué)、礦物學(xué)、環(huán)境科學(xué)、考古學(xué)等眾多領(lǐng)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(xiàng)與X射線有關(guān)的物理學(xué)、化學(xué)和生理醫(yī)學(xué)諾貝爾獎(jiǎng)，因此X射線堪稱(chēng)史上偉大的發(fā)現(xiàn)和巨大的貢獻(xiàn).

然而，X射線是無(wú)色無(wú)味、看不到摸不著的短波長(zhǎng)高能電磁波，與核輻射一樣，對(duì)人體有巨大的傷害. 因此，開(kāi)展X射線實(shí)驗(yàn)必須在做好安全防護(hù)的前提下，盡量減少與X射線接觸時(shí)間；此外，X射線不同于可見(jiàn)光，其產(chǎn)生、傳播及產(chǎn)生衍射的過(guò)程是看不到的，這使得學(xué)生對(duì)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(xué)中開(kāi)發(fā)X射線衍射虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目是非常必要的.

從課程內(nèi)容角度，X射線衍射是“近代物理實(shí)驗(yàn)”、“固體物理學(xué)”和“X射線晶體學(xué)”等物理學(xué)和材料科學(xué)領(lǐng)域?qū)W科專(zhuān)業(yè)的基礎(chǔ)和專(zhuān)業(yè)課程的核心內(nèi)容或重要基礎(chǔ)性、創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，它對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力、物理思維和創(chuàng)新能力具有重要意義；同時(shí)，寓思政教育于專(zhuān)業(yè)教學(xué)過(guò)程，讓學(xué)生理解物理學(xué)對(duì)人類(lèi)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的推動(dòng)作用，激發(fā)學(xué)生追求真理、勇于探索的科學(xué)精神.

2 X射線衍射虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目設(shè)計(jì)思路

X射線衍射虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)結(jié)合物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)特點(diǎn)、教學(xué)方法、教學(xué)目標(biāo)開(kāi)展項(xiàng)目設(shè)計(jì)和建設(shè)，其設(shè)計(jì)思路主要是：保持實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的完整性，展現(xiàn)虛擬過(guò)程的物理屬性，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的虛實(shí)融合，體現(xiàn)交互過(guò)程的智能化.

2.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的完整性

主要體現(xiàn)在2個(gè)方面：a.教學(xué)內(nèi)容的完整性. X射線衍射實(shí)驗(yàn)包含了德拜法、粉末衍射法、單晶衍射等實(shí)驗(yàn)方法. 其中重點(diǎn)開(kāi)發(fā)了德拜法、粉末衍射法實(shí)驗(yàn). 德拜法衍射實(shí)驗(yàn)作為基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)，注重學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作、數(shù)據(jù)處理等基本實(shí)驗(yàn)技能的訓(xùn)練；粉末衍射法實(shí)驗(yàn)作為創(chuàng)新應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，注重學(xué)生應(yīng)用X射線原位技術(shù)開(kāi)展創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)研究. 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容體現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)性和高階性，面向不同層次的學(xué)生. 對(duì)首次進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室的低年級(jí)學(xué)生重在完成實(shí)驗(yàn)操作流程；對(duì)高年級(jí)或有志于今后從事凝聚態(tài)物理、材料科學(xué)等領(lǐng)域相關(guān)工作或?qū)W習(xí)的學(xué)生，則注重研究性的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，要求做精、做細(xì)并有研究性實(shí)驗(yàn)報(bào)告. b.教學(xué)過(guò)程的完整性. 通過(guò)實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、預(yù)習(xí)測(cè)試、仿真練習(xí)、仿真實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告、線下真實(shí)操作等多個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，構(gòu)建完整的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程.

此外，在虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目平臺(tái)上還提供了包含教學(xué)課件、電子教材、XRD基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)全程錄像和解說(shuō)、MOOC課程、仿真實(shí)驗(yàn)等在內(nèi)豐富的教與學(xué)資源和虛擬訓(xùn)練，學(xué)生可以在電腦終端和手機(jī)實(shí)現(xiàn)虛擬仿真項(xiàng)目基礎(chǔ)知識(shí)學(xué)習(xí)和基本技能的練習(xí).

2.2 虛擬過(guò)程的物理屬性

針對(duì)物理實(shí)驗(yàn)的特征，其重要特點(diǎn)在于實(shí)驗(yàn)參量的調(diào)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)注重通過(guò)VR技術(shù)仿真物理過(guò)程中的物理參量調(diào)節(jié)及其對(duì)應(yīng)的物理效果，并做到操作方式與實(shí)物相似，構(gòu)建逼真的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景和過(guò)程. 學(xué)生可以了解實(shí)驗(yàn)原理、儀器結(jié)構(gòu)原理，并通過(guò)軟件后臺(tái)大量的物理和數(shù)學(xué)模型支持，在前臺(tái)實(shí)現(xiàn)任意參量設(shè)置和操作過(guò)程，獲得該條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，掌握實(shí)驗(yàn)參量特別是實(shí)驗(yàn)過(guò)程中設(shè)置不同的參數(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，通過(guò)模擬真實(shí)環(huán)境下可能出現(xiàn)的問(wèn)題，通過(guò)實(shí)驗(yàn)仿真調(diào)整工藝參量，最終達(dá)到實(shí)驗(yàn)測(cè)試要求，這一過(guò)程可有效培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力和創(chuàng)新能力.

物理實(shí)驗(yàn)的另一重要內(nèi)容及要求是實(shí)驗(yàn)結(jié)束后的數(shù)據(jù)處理. 因此，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)了后臺(tái)數(shù)據(jù)處理過(guò)程數(shù)據(jù)庫(kù)及必要的物理公式和數(shù)學(xué)模型支持，使得虛擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程能有效模擬物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和誤差分析，真正體現(xiàn)了物理屬性和實(shí)驗(yàn)特征.

2.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程的虛實(shí)融合

X射線衍射實(shí)驗(yàn)的較高危險(xiǎn)性、原理及實(shí)驗(yàn)過(guò)程的較高難度、X射線衍射實(shí)驗(yàn)在相關(guān)理工科實(shí)驗(yàn)中的重要性. 物理實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生能力技能訓(xùn)練的重要性4個(gè)方面決定了X射線衍射實(shí)驗(yàn)過(guò)程采用虛實(shí)融合的教學(xué)方式. 在線上通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)資源充分學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)，模擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程，在此基礎(chǔ)上提高線下實(shí)驗(yàn)的效率，學(xué)生在整個(gè)過(guò)程中既體現(xiàn)知識(shí)體系學(xué)習(xí)過(guò)程和物理思維過(guò)程，又有很好的實(shí)踐操作訓(xùn)練，可以達(dá)到學(xué)習(xí)效果和能力培養(yǎng)目標(biāo).

2.4 交互過(guò)程的智能化

在虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過(guò)程中，結(jié)合實(shí)踐教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和科學(xué)研究成果，把影響X射線晶體結(jié)構(gòu)測(cè)試的關(guān)鍵參量與測(cè)試結(jié)果的關(guān)聯(lián)性融入虛擬仿真軟件之中. 所以在學(xué)生操作過(guò)程中，每個(gè)關(guān)鍵參量的調(diào)節(jié)都會(huì)智能地響應(yīng)出影響效果，并通過(guò)智能化的導(dǎo)師講解原理及分析調(diào)節(jié)成敗的原因. 同時(shí)，還智能化地把學(xué)生在仿真考核的全過(guò)程記錄在實(shí)驗(yàn)報(bào)告之中.

3 X射線衍射虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的內(nèi)容

X射線衍射及結(jié)構(gòu)相變?cè)槐碚魈摂M仿真實(shí)驗(yàn)包含了X射線產(chǎn)生仿真、基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)仿真、應(yīng)用及創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)仿真3個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K，如圖1所示.

圖1 X射線衍射及結(jié)構(gòu)相變?cè)槐碚魈摂M仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)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(nèi)在的物理圖景，同時(shí)在平臺(tái)上備有X射線和晶體結(jié)構(gòu)相關(guān)背景知識(shí). 在基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)仿真模塊中，重點(diǎn)仿真了德拜法晶體衍射和粉末衍射法晶體結(jié)構(gòu)分析實(shí)驗(yàn)2個(gè)基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn). 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(guò)程，使得看不見(jiàn)的X射線直接可視化. 其次，通過(guò)虛擬衍射圖樣的測(cè)量結(jié)果，分析和重構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)，使學(xué)生能夠深刻理解X射線晶體學(xué)原理. 在創(chuàng)新及應(yīng)用實(shí)驗(yàn)?zāi)K中，針對(duì)新材料的研究需求，對(duì)晶體樣品施加電化學(xué)場(chǎng)和溫度場(chǎng)的同時(shí)，開(kāi)展原位X射線譜的檢測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)了材料在外場(chǎng)調(diào)控下的動(dòng)力學(xué)過(guò)程的在線監(jiān)測(cè). 通過(guò)交互性和研究性學(xué)習(xí)，使學(xué)生深刻理解原位X射線衍射在新材料研究中的應(yīng)用以及外界條件引起材料結(jié)構(gòu)變化的內(nèi)在機(jī)制. 本虛擬仿真項(xiàng)目通過(guò)智能化的學(xué)習(xí)和指導(dǎo)，可以讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中盡量減少與X射線接觸時(shí)間，有效提高實(shí)驗(yàn)安全性，提高學(xué)生對(duì)X射線衍射晶體學(xué)原理的理解和創(chuàng)新實(shí)踐能力.

最近幾年，在公路橋梁工程建筑設(shè)計(jì)過(guò)程中越來(lái)越注意考量預(yù)應(yīng)力技術(shù)的使用。在橋梁施工過(guò)程中，預(yù)應(yīng)力技術(shù)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(fēng)險(xiǎn)，提高防滲透能力。因此，預(yù)應(yīng)力技術(shù)在橋梁施工過(guò)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(zhì)量提升，可以有效促進(jìn)交通安全，提高橋梁工程質(zhì)量。本文立足于預(yù)應(yīng)力技術(shù)在橋梁工程中的具體使用情況，以期為我國(guó)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(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)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(guò)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(shè)備是如何產(chǎn)生X射線及具體操作過(guò)程，而是通過(guò)虛擬儀器展示影響X射線譜線的幾個(gè)關(guān)鍵因素，即X射線管的電壓、電流以及靶源對(duì)X射線譜峰的變化. 界面設(shè)計(jì)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(chǔ)實(shí)驗(yàn)?zāi)K

這一模塊包含2個(gè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，即德拜衍射實(shí)驗(yàn)和粉末衍射實(shí)驗(yàn). 德拜法衍射實(shí)驗(yàn)作為最古老、最經(jīng)典的X射線衍射基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)，注重學(xué)生對(duì)X射線衍射原理及晶體結(jié)構(gòu)測(cè)試原理的理解，以及學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作、數(shù)據(jù)處理等基本實(shí)驗(yàn)技能的訓(xùn)練；粉末衍射法實(shí)驗(yàn)注重學(xué)生對(duì)數(shù)據(jù)分析軟件應(yīng)用、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析能力的訓(xùn)練，為后續(xù)利用X射線原位技術(shù)開(kāi)展創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)研究打好基礎(chǔ).

1)德拜衍射實(shí)驗(yàn)

虛擬實(shí)驗(yàn)以通過(guò)高度仿真?zhèn)鹘y(tǒng)德拜衍射實(shí)驗(yàn)儀器及實(shí)驗(yàn)環(huán)境[6]，設(shè)置了實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ胶涂己四Ｊ?種實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景. 在實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ街?，學(xué)生通過(guò)先前的預(yù)習(xí)和實(shí)驗(yàn)導(dǎo)學(xué)，自主開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，在實(shí)際操作過(guò)程中出現(xiàn)誤操作時(shí)，智能導(dǎo)師會(huì)給出具體的指導(dǎo)意見(jiàn)，其操作界面如圖3所示.

圖3 德拜衍射實(shí)驗(yàn)?zāi)K操作界面(實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?

圖4 德拜環(huán)數(shù)據(jù)分析過(guò)程界面

在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量并將數(shù)據(jù)填入實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表格并進(jìn)行處理，最后得到晶體的具體結(jié)構(gòu)和晶格常量，如圖4所示. 在此基礎(chǔ)上，按照實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求撰寫(xiě)完整的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，并在系統(tǒng)平臺(tái)上提交即完成實(shí)驗(yàn).

通過(guò)德拜衍射虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)K的訓(xùn)練和平臺(tái)中教學(xué)資源的學(xué)習(xí)，學(xué)生對(duì)于X射線衍射測(cè)量晶體結(jié)構(gòu)的物理原理會(huì)有深刻的理解，實(shí)驗(yàn)動(dòng)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(xiàng)目設(shè)計(jì)過(guò)程體現(xiàn)了以學(xué)生為中心的理念. 通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)仿真教學(xué)及互動(dòng)過(guò)程，達(dá)到實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo).

2)粉末衍射實(shí)驗(yàn)

通過(guò)德拜衍射基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練，學(xué)生理解了X射線衍射原理及晶體結(jié)構(gòu)測(cè)試原理. 但從實(shí)際應(yīng)用角度，通過(guò)德拜照相法測(cè)試晶體結(jié)構(gòu)過(guò)程測(cè)試效率低，不利于高效開(kāi)展晶體結(jié)構(gòu)研究. 因此，在德拜衍射實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，很有必要讓學(xué)生掌握現(xiàn)代晶體結(jié)構(gòu)分析技術(shù). 在本仿真模塊中，以粉末衍射儀為原型，通過(guò)虛擬仿真粉末衍射實(shí)驗(yàn)的全過(guò)程，使學(xué)生了解并掌握粉末衍射晶體結(jié)構(gòu)分析方法. 圖5給出了粉末衍射虛擬仿真實(shí)驗(yàn)操作界面. 由于粉末衍射儀的智能化測(cè)試條件，操作過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單，因此本實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)在于訓(xùn)練學(xué)生利用晶體結(jié)構(gòu)分析軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析. 通過(guò)這一虛擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程，讓學(xué)生掌握粉末衍射晶體結(jié)構(gòu)測(cè)試方法及數(shù)據(jù)分析方法，為開(kāi)展創(chuàng)新及應(yīng)用研究打下基礎(chǔ).

(a)粉末衍射實(shí)驗(yàn)裝樣過(guò)程仿真界面

(b)粉末衍射測(cè)試仿真界面

4.3 X射線衍射應(yīng)用及創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)?zāi)K

從實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的廣度和深度考慮，注重將最新的科研成果融入到教學(xué)內(nèi)容中，充分體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的先進(jìn)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(cè)模塊為實(shí)驗(yàn)原型，結(jié)合粉末衍射基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)設(shè)計(jì)理論模型和實(shí)驗(yàn)過(guò)程，開(kāi)發(fā)了外場(chǎng)調(diào)控晶體結(jié)構(gòu)相變?cè)粰z測(cè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn). 在這一模塊的2個(gè)應(yīng)用和創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生需要自主查閱參考文獻(xiàn)，在對(duì)電化學(xué)過(guò)程中材料結(jié)構(gòu)變化以及溫度變化對(duì)材料結(jié)構(gòu)的影響有所了解的基礎(chǔ)上，通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、搭建實(shí)驗(yàn)裝置，開(kāi)展X射線衍射創(chuàng)新及應(yīng)用仿真實(shí)驗(yàn).

1)電化學(xué)調(diào)控原位X射線衍射結(jié)構(gòu)表征實(shí)驗(yàn).

在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，主要是利用X射線粉末衍射技術(shù)開(kāi)展鋰離子電池充放電過(guò)程中的相結(jié)構(gòu)變化動(dòng)力學(xué)研究. 在實(shí)驗(yàn)中，系統(tǒng)仿真鋰電池充電過(guò)程中電池材料結(jié)構(gòu)的變化過(guò)程，通過(guò)X射線粉末衍射原位檢測(cè)這一變化過(guò)程并展示出來(lái). 仿真界面如圖6所示 .

(a) 仿真實(shí)驗(yàn)過(guò)程界面

(b) 自主研發(fā)的原位X射線檢測(cè)模塊3D動(dòng)畫(huà)學(xué)習(xí)界面

2)溫度調(diào)控相變?cè)籜射線衍射結(jié)構(gòu)表征實(shí)驗(yàn).

在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，主要是利用X射線粉末衍射技術(shù)開(kāi)展溫度場(chǎng)調(diào)控Cu的相結(jié)構(gòu)變化動(dòng)力學(xué)研究. 在實(shí)驗(yàn)中，系統(tǒng)仿真銅單質(zhì)在溫度升高過(guò)程中氧化過(guò)程引起的結(jié)構(gòu)變化過(guò)程，通過(guò)X射線衍射原位檢測(cè)這一變化過(guò)程并展示出來(lái). 仿真界面如圖7所示.

在X射線衍射應(yīng)用及創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)?zāi)K中，特別在平臺(tái)上為學(xué)生提供了交互學(xué)習(xí)的資源，通過(guò)探究性實(shí)驗(yàn)過(guò)程原理的動(dòng)畫(huà)展示和解說(shuō)，讓學(xué)生在仿真實(shí)驗(yàn)過(guò)程中體驗(yàn)科學(xué)研究過(guò)程，培養(yǎng)創(chuàng)新思維. 體現(xiàn)了仿真實(shí)驗(yàn)的研究性學(xué)習(xí)過(guò)程.

在創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)?zāi)K設(shè)計(jì)時(shí)，注重將科學(xué)研究的思維和方法融入虛擬仿真教學(xué)過(guò)程，體現(xiàn)出教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)理念的先進(jìn)性. 2個(gè)創(chuàng)新型仿真實(shí)驗(yàn)有效拓展和延伸了X射線實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容提升了X射線衍射實(shí)驗(yàn)層次，達(dá)到了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容廣度和深度的目標(biāo)[5].

(a) 學(xué)生自主學(xué)習(xí)、搭建實(shí)驗(yàn)設(shè)備仿真界面

(b) 仿真實(shí)驗(yàn)過(guò)程界面

5 考核要求、評(píng)價(jià)及教學(xué)效果

5.1 考核要求及評(píng)價(jià)

本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目針對(duì)不同的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)置了不同的考核要求，學(xué)生在學(xué)習(xí)資源學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)?zāi)K中，通過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ綀?chǎng)景開(kāi)展虛擬實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練，通過(guò)考核模式場(chǎng)景在沒(méi)有人機(jī)互動(dòng)情況下獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)過(guò)程、數(shù)據(jù)處理和分析，給出該樣品的晶體結(jié)構(gòu)和參量，在此基礎(chǔ)上完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告并提交系統(tǒng). 在虛擬實(shí)驗(yàn)軟件后臺(tái)，將會(huì)自動(dòng)記錄學(xué)生的操作情況，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與系統(tǒng)預(yù)設(shè)參考數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng)，自動(dòng)給出考核結(jié)果，按得分情況確定 “優(yōu)、良、合格，不合格”4個(gè)檔次. 學(xué)生對(duì)本次考核若不滿意可以再次開(kāi)展實(shí)驗(yàn)；在創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)?zāi)K中，學(xué)生需通過(guò)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)要求自主查閱文獻(xiàn)資料和相關(guān)學(xué)習(xí)資源，結(jié)合虛擬仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，自主模擬組建實(shí)驗(yàn)設(shè)備體系，并開(kāi)展創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)過(guò)程，給出實(shí)驗(yàn)結(jié)果并完成研究報(bào)告. 同樣地，系統(tǒng)通過(guò)后臺(tái)監(jiān)測(cè)，記錄、評(píng)判整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程并給出評(píng)價(jià)結(jié)果.

5.2 教學(xué)效果

本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目已通過(guò)本地實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)后臺(tái)及“實(shí)驗(yàn)空間”網(wǎng)站向?qū)W校及社會(huì)開(kāi)放訪問(wèn)及使用[7]. 通過(guò)分析后臺(tái)使用情況監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，了解本項(xiàng)目的應(yīng)用效果. 圖8給出的是“實(shí)驗(yàn)空間”網(wǎng)站顯示的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目訪問(wèn)、使用情況的數(shù)據(jù)分析[6].

圖8 X射線衍射虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目教學(xué)使用情況數(shù)據(jù)

從圖8中可以看到，通過(guò)實(shí)驗(yàn)空間網(wǎng)站平臺(tái)瀏覽量達(dá)到了15 363人次，做實(shí)驗(yàn)人數(shù)達(dá)到了3 845人，取得了很好的推廣應(yīng)用效果. 此外，通過(guò)記錄數(shù)據(jù)可以看到，做實(shí)驗(yàn)的人中，實(shí)驗(yàn)通過(guò)率達(dá)到95%，其中達(dá)標(biāo)(合格)率達(dá)到了78.6%，優(yōu)秀率為16.4%，表明實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及考核設(shè)計(jì)較為合理. 本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目經(jīng)過(guò)半年的運(yùn)行使用，取得了良好的教學(xué)效果. 同時(shí)，該項(xiàng)目用于本科生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目研究，研究成果“反應(yīng)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(guó)大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽三等獎(jiǎng)，并獲得第2屆全國(guó)大學(xué)生可再生能源科技競(jìng)賽特等獎(jiǎng).

6 結(jié)束語(yǔ)

從虛擬仿真實(shí)驗(yàn)建設(shè)的必要性、建設(shè)思路、建設(shè)內(nèi)容，實(shí)驗(yàn)?zāi)K設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方案等幾個(gè)方面對(duì)X射線衍射及結(jié)構(gòu)相變?cè)槐碚魈摂M仿真實(shí)驗(yàn)做了分析. 通過(guò)項(xiàng)目建設(shè)，實(shí)現(xiàn)了從最經(jīng)典的X射線衍射實(shí)驗(yàn)——德拜照相法測(cè)量晶體結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)，到粉末衍射晶體結(jié)構(gòu)分析實(shí)驗(yàn)的虛擬仿真，并在此基礎(chǔ)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(cè)模塊與粉末衍射實(shí)驗(yàn)結(jié)合，開(kāi)發(fā)出動(dòng)態(tài)環(huán)境下晶體結(jié)構(gòu)原位檢測(cè)虛擬仿真模塊并應(yīng)用到學(xué)生的創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)中. 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目體現(xiàn)了“以學(xué)生發(fā)展為中心”的理念，既有注重實(shí)驗(yàn)操作、數(shù)據(jù)處理等基本實(shí)驗(yàn)技能的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，又有注重創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)、體現(xiàn)將最新科研成果融入教學(xué)的實(shí)踐內(nèi)容. 項(xiàng)目很好地體現(xiàn)了“教學(xué)完整性、資源多元性、交互性和研究性”.