扫描电镜虚拟仿真实验教学系统建设

陈奇俤 吕秋丰

福州大学材料科学与工程学院 福建福州 350116

扫描电镜是材料类专业一种重要的分析与表征工具，是研究和检测材料的重要手段[1]。扫描电镜实验教学在专业课程教学活动中占有重要地位，有利于提高学生的分析问题、解决问题的能力。但扫描电镜属于大型贵重设备，设备短缺，导致扫描电镜配套的实验教学主要以教师讲解、演示操作为主[2]，很难激发学生学习的积极性和创造性，教学效果差，严重影响大学生综合素质的培养和技能锻炼。

虚拟仿真技术利用现代计算机网络、编程技术，是实验教学改革和教育信息化发展相结合的创新产物和目标，是解决教学中设备资源短缺难题的有效方法和手段[3]，越来越受到学校的欢迎。因此，建立扫描电镜虚拟仿真实验教学系统，可以弥补实际扫描电镜实验教学的不足，实现事半功倍的效果，具有重要的现实意义。

1 扫描电镜虚拟仿真实验教学系统的构建

扫描电镜虚拟仿真实验教学系统的构建，能够将课程理论知识和实验有机结合，使学生不仅能掌握基本理论，同时也培养实际操作、验证理论、探索新知识的能力。系统主要由管理平台和系统平台两部分构成。管理平台主要为教师端，进行课程设置管理、学生管理、课程成绩管理、互动交流通知等[4,5]，系统平台设计的重点放在扫描电镜实验的虚拟仿真上，主要包括扫描电镜结构及工作原理、扫描电镜样品制备、扫描电镜图像衬度观察、实验数据处理及分析四部分内容。教学系统框架图如图1所示。

图1 扫描电镜虚拟仿真实验教学系统框架图

2 扫描电镜虚拟仿真实验教学系统的实施

根据电镜实验室的实际场地和仪器进行3D建模，按照实验的流程和步骤完成交互，对扫描电镜样品制备和仪器操作进行虚拟仿真，再现整个实验教学过程，从而建立扫描电镜实验教学虚拟仿真教学系统。整个教学系统真实逼真，学生如临现场。系统分为实验预习模块、仿真现场操作模块和实验考核模块。

2.1 实验预习模块

学生登录预习模块，自行学习实验守则、实验室安全条例等基础知识，复习课程知识点，特别是重点和难点，熟悉实验目的、原理、内容、步骤等，并完成预习作业。预习的重点放在扫描电镜的结构与工作原理上。通过3D MAX，Flash等软件制作扫描电镜电子光学系统的三维构造图，展示电子束在加速电压作用下激发产生二次电子、背散射电子等信号，并最终在显示屏上呈现微观形貌的整个过程，嵌入系统中，直观展现电镜内部结构，诠释电镜的工作原理。图2为将德国Zeiss公司提供的扫描电镜三维结构及工作原理的Flash动画嵌入教学系统的学习模块，通过模块的预习，可使实验的难点、重点变得通俗易懂。

图2 虚拟仿真系统中扫描电镜三维结构及工作原理预习模块

2.2 仿真现场操作模块

学生进入仿真现场操作模块，根据提示反复练习。现场模块主要包括扫描电镜实验前的准备、开机启动、软件运行、样品制备、样品装样和换样、图像衬度观察、图片保存和数据的拷贝、关机等。通过教学系统实现不同类型和方法的电镜虚拟样品的制备、样品装样取样、放气抽气、开关电压、移动样品、对焦成像(必要时像散消除、光阑对中)、样品观察及图片保存。通过不同参数和探测器的设置，让学生加深对分辨率和景深的理解，明白二次电子表面形貌像和背散射电子原子序数像。各个步骤中均设置智能启发式的指导功能，启发学生思考，引导学生按照正确的步骤进行操作演练。图3是教学系统中样品制备和仪器操作截图。通过现场操作练习，学生能够对扫描电镜的样品制备及电镜操作形成理性的认识，加深对实验课程的认识。

图3 扫描电镜虚拟仿真教学系统样品制备和仪器操作截图

2.3 实验考核模块

按照前面步骤充分练习后，点击场景界面中的“考核”，进行实验操作考核。教学系统的实验考核采用智能评分系统，将操作注意要点和事项进行细化，系统调用自动批改规则，对学生每个操作步骤进行智能评分，计算学生实验得分成绩，完成考核。学生每完成一部分任务，系统后台都会给出相应的分数。同时，教师还可以查看得分细节，了解学生的得分细节，充分掌握学生对课程知识的掌握情况。图4是学生上机进行虚拟仿真操作考核后，系统自动对学生的各项操作进行评定，并生成成绩报告。

图4 扫描电镜虚拟仿真系统考核评定界面截图

3 结语

针对传统扫描电镜实验教学设备紧缺，授课方式单调，教学效果差等现状和问题，将虚拟仿真技术应用在扫描电镜实验教学中，建立扫描电镜虚拟仿真实验教学系统，弥补实际扫描电镜实验教学的不足，切实提高扫描电镜实验教学效果。