X射线衍射及结构相变原位表征虚拟仿真实验的设计与建设

陈水源，郑勇平，张健敏，姚胡蓉，黄志高

(福建师范大学 物理与能源学院，福建 福州 350117)

近年来，信息技术、互联网技术的快度发展为教育领域的教学组织形式、教学方式方法、教材形式等方面的改革提供了有利条件，虚拟仪器、虚拟实验场景为许多实验原理难以理解、危险性大、资金和时间成本高、实验条件苛刻且又具有重要的基础性、专业性的实验项目提供了很好的补充和学习辅助[1]. 如2000年以来Flash动画技术的应用为物理实验提供了很好的教学辅助并取得了很好的教学效果，其具有丰富的图像处理功能，便于做出各种简单的虚拟实验仪器和实验物品，可以模拟较为简单的真实物理实验环境，同时可以实现交互性和一定的智能化过程. 因此，Flash仿真平台在物理理论和实验课件的设计制作中得到了很好的应用[2]. 但是，Flash较难以实现具有较强物理机制、复杂实验过程和智能交互的专业实验. 随着近年来虚拟现实 (virtual reality，VR)技术、增强现实(augmented reality，AR)技术的逐渐成熟[3]，人们可以通过多媒体、三维建模、实时跟踪、智能交互、传感等多种技术手段，有效地实现计算机模拟虚拟实验环境，仿真真实的实验场景，从而给实验者以环境沉浸感，并在虚拟环境中完成实验全过程. 这种高度虚拟现实的实验教学环境，可以让学习者如进入真实实验室的感觉，能够有效实现多重交互和互动实验教学，可以最大限度地促进学生的自主实验，激发学习兴趣，提升实验能力和创新思维能力，在专业实验教学中的具有独特的作用. 因此，开展虚拟仿真实验项目建设是适应信息化条件下知识获取方式和传授方式、教和学关系等发生革命性变化的要求，也是深化信息技术与教育教学深度融合的重要形式.

2017年7月，教育部发布了2017-2020年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知[4]，并于2018年启动开展国家虚拟仿真实验项目建设工作[5]，明确指出国家虚拟仿真实验教学项目是推进现代信息技术融入实验教学项目、拓展实验教学内容广度和深度、延伸实验教学时间和空间、提升实验教学质量和水平的重要举措. 要突出以学生为中心的实验教学理念、准确适宜的实验教学内容、创新多样的教学方式方法、先进可靠的实验研发技术、稳定安全的开放运行模式、敬业专业的实验教学队伍、持续改进的实验评价体系和显著示范的实验教学效果[5]. 在实际教学过程中，将虚拟仿真实验项目与在线课程、线上线下混合式课程、线下课程等相互结合和补充，将是促进课程教学改革，提升人才培养质量的重要方式.

1 X射线衍射虚拟仿真实验项目建设的必要性

X射线实验是物理学、材料科学和化学等学科相关专业最经典、最基础的实验之一. 其发现、发展及应用历程足以体现其重要性：1895年X射线的发现标志着现代物理学的诞生，它是19世纪末20世纪初三大物理学发现之一，于1901年获得首届诺贝尔物理学奖. 自从X射线发现以来，在物理学、材料科学、生命医学、化学化工、地学、矿物学、环境科学、考古学等众多领域的研究与发展产生了极为巨大的影响，发挥了巨大的作用. 至今共产生了25项与X射线有关的物理学、化学和生理医学诺贝尔奖，因此X射线堪称史上伟大的发现和巨大的贡献.

然而，X射线是无色无味、看不到摸不着的短波长高能电磁波，与核辐射一样，对人体有巨大的伤害. 因此，开展X射线实验必须在做好安全防护的前提下，尽量减少与X射线接触时间；此外，X射线不同于可见光，其产生、传播及产生衍射的过程是看不到的，这使得学生对X射线晶体衍射的原理较难理解. 为了解决这些难题，在教学中开发X射线衍射虚拟仿真实验项目是非常必要的.

从课程内容角度，X射线衍射是“近代物理实验”、“固体物理学”和“X射线晶体学”等物理学和材料科学领域学科专业的基础和专业课程的核心内容或重要基础性、创新型实验项目，它对于培养学生的实践能力、物理思维和创新能力具有重要意义；同时，寓思政教育于专业教学过程，让学生理解物理学对人类经济社会发展的推动作用，激发学生追求真理、勇于探索的科学精神.

2 X射线衍射虚拟仿真实验教学项目设计思路

X射线衍射虚拟仿真实验项目建设结合物理实验教学特点、教学方法、教学目标开展项目设计和建设，其设计思路主要是：保持实验内容的完整性，展现虚拟过程的物理属性，实现实验过程的虚实融合，体现交互过程的智能化.

2.1 实验内容的完整性

主要体现在2个方面：a.教学内容的完整性. X射线衍射实验包含了德拜法、粉末衍射法、单晶衍射等实验方法. 其中重点开发了德拜法、粉末衍射法实验. 德拜法衍射实验作为基础性实验，注重学生的实验操作、数据处理等基本实验技能的训练；粉末衍射法实验作为创新应用实验，注重学生应用X射线原位技术开展创新性实验研究. 实验内容体现教学内容的基础性和高阶性，面向不同层次的学生. 对首次进入实验室的低年级学生重在完成实验操作流程；对高年级或有志于今后从事凝聚态物理、材料科学等领域相关工作或学习的学生，则注重研究性的实验内容，要求做精、做细并有研究性实验报告. b.教学过程的完整性. 通过实验预习、预习测试、仿真练习、仿真实验、实验报告、线下真实操作等多个实验环节，构建完整的实验教学过程.

此外，在虚拟实验项目平台上还提供了包含教学课件、电子教材、XRD基础实验和创新型实验全程录像和解说、MOOC课程、仿真实验等在内丰富的教与学资源和虚拟训练，学生可以在电脑终端和手机实现虚拟仿真项目基础知识学习和基本技能的练习.

2.2 虚拟过程的物理属性

针对物理实验的特征，其重要特点在于实验参量的调节与物理现象的呈现之间的必然联系，因此在虚拟实验平台设计时注重通过VR技术仿真物理过程中的物理参量调节及其对应的物理效果，并做到操作方式与实物相似，构建逼真的实验场景和过程. 学生可以了解实验原理、仪器结构原理，并通过软件后台大量的物理和数学模型支持，在前台实现任意参量设置和操作过程，获得该条件下的实验结果，掌握实验参量特别是实验过程中设置不同的参数对实验结果的影响，通过模拟真实环境下可能出现的问题，通过实验仿真调整工艺参量，最终达到实验测试要求，这一过程可有效培养学生解决实际问题的能力和创新能力.

物理实验的另一重要内容及要求是实验结束后的数据处理. 因此，虚拟仿真实验平台设计了后台数据处理过程数据库及必要的物理公式和数学模型支持，使得虚拟实验过程能有效模拟物理实验数据处理和误差分析，真正体现了物理属性和实验特征.

2.3 实验过程的虚实融合

X射线衍射实验的较高危险性、原理及实验过程的较高难度、X射线衍射实验在相关理工科实验中的重要性. 物理实验对学生能力技能训练的重要性4个方面决定了X射线衍射实验过程采用虚实融合的教学方式. 在线上通过虚拟实验平台资源充分学习相关知识，模拟实验过程，在此基础上提高线下实验的效率，学生在整个过程中既体现知识体系学习过程和物理思维过程，又有很好的实践操作训练，可以达到学习效果和能力培养目标.

2.4 交互过程的智能化

在虚拟实验设计过程中，结合实践教学经验和科学研究成果，把影响X射线晶体结构测试的关键参量与测试结果的关联性融入虚拟仿真软件之中. 所以在学生操作过程中，每个关键参量的调节都会智能地响应出影响效果，并通过智能化的导师讲解原理及分析调节成败的原因. 同时，还智能化地把学生在仿真考核的全过程记录在实验报告之中.

3 X射线衍射虚拟仿真实验项目的内容

X射线衍射及结构相变原位表征虚拟仿真实验包含了X射线产生仿真、基础性实验仿真、应用及创新实验仿真3个仿真实验模块，如图1所示.

图1 X射线衍射及结构相变原位表征虚拟仿真实验结构层次框架

在X射线产生仿真模块中，着重介绍了X射线产生的原理、影响的因素、内在的物理图景，同时在平台上备有X射线和晶体结构相关背景知识. 在基础性实验仿真模块中，重点仿真了德拜法晶体衍射和粉末衍射法晶体结构分析实验2个基础性实验. 这一模块中，首先模拟仿真X射线传播、与晶体相互作用产生的衍射过程，使得看不见的X射线直接可视化. 其次，通过虚拟衍射图样的测量结果，分析和重构晶体结构，使学生能够深刻理解X射线晶体学原理. 在创新及应用实验模块中，针对新材料的研究需求，对晶体样品施加电化学场和温度场的同时，开展原位X射线谱的检测，从而实现了材料在外场调控下的动力学过程的在线监测. 通过交互性和研究性学习，使学生深刻理解原位X射线衍射在新材料研究中的应用以及外界条件引起材料结构变化的内在机制. 本虚拟仿真项目通过智能化的学习和指导，可以让学生在实验过程中尽量减少与X射线接触时间，有效提高实验安全性，提高学生对X射线衍射晶体学原理的理解和创新实践能力.

最近几年，在公路桥梁工程建筑设计过程中越来越注意考量预应力技术的使用。在桥梁施工过程中，预应力技术可以减轻桥梁主体材料的荷载，因此，在一定程度上降低桥梁发生裂变的风险，提高防渗透能力。因此，预应力技术在桥梁施工过程中有重要的存在意义，合理使用有利于桥梁工程建筑的整体质量提升，可以有效促进交通安全，提高桥梁工程质量。本文立足于预应力技术在桥梁工程中的具体使用情况，以期为我国桥梁工程的发展提供有效理论支持。

4 X射线衍射虚拟仿真实验教学项目模块的设计与实现

4.1 X射线产生仿真模块

在这一模块中，着重于通过3D虚拟仿真的形式展示X射线产生原理. 此处的虚拟仿真不展示设备是如何产生X射线及具体操作过程，而是通过虚拟仪器展示影响X射线谱线的几个关键因素，即X射线管的电压、电流以及靶源对X射线谱峰的变化. 界面设计如图2所示.

图2 X射线产生模块操作界面

4.2 X射线衍射基础实验模块

这一模块包含2个基础实验，即德拜衍射实验和粉末衍射实验. 德拜法衍射实验作为最古老、最经典的X射线衍射基础性实验，注重学生对X射线衍射原理及晶体结构测试原理的理解，以及学生的实验操作、数据处理等基本实验技能的训练；粉末衍射法实验注重学生对数据分析软件应用、实验结果分析能力的训练，为后续利用X射线原位技术开展创新性实验研究打好基础.

1)德拜衍射实验

虚拟实验以通过高度仿真传统德拜衍射实验仪器及实验环境[6]，设置了实验模式和考核模式2种实验场景. 在实验模式中，学生通过先前的预习和实验导学，自主开展实验，在实际操作过程中出现误操作时，智能导师会给出具体的指导意见，其操作界面如图3所示.

图3 德拜衍射实验模块操作界面(实验模式)

图4 德拜环数据分析过程界面

在实验结束后，需要进行数据测量并将数据填入实验数据表格并进行处理，最后得到晶体的具体结构和晶格常量，如图4所示. 在此基础上，按照实验报告要求撰写完整的实验报告，并在系统平台上提交即完成实验.

通过德拜衍射虚拟实验模块的训练和平台中教学资源的学习，学生对于X射线衍射测量晶体结构的物理原理会有深刻的理解，实验动手能力、逻辑思维能力和数据处理能力得到有效提升. 项目设计过程体现了以学生为中心的理念. 通过虚拟实验仿真教学及互动过程，达到实验教学目标.

2)粉末衍射实验

通过德拜衍射基础实验训练，学生理解了X射线衍射原理及晶体结构测试原理. 但从实际应用角度，通过德拜照相法测试晶体结构过程测试效率低，不利于高效开展晶体结构研究. 因此，在德拜衍射实验基础上，很有必要让学生掌握现代晶体结构分析技术. 在本仿真模块中，以粉末衍射仪为原型，通过虚拟仿真粉末衍射实验的全过程，使学生了解并掌握粉末衍射晶体结构分析方法. 图5给出了粉末衍射虚拟仿真实验操作界面. 由于粉末衍射仪的智能化测试条件，操作过程相对简单，因此本实验的重点在于训练学生利用晶体结构分析软件对实验结果的分析. 通过这一虚拟实验过程，让学生掌握粉末衍射晶体结构测试方法及数据分析方法，为开展创新及应用研究打下基础.

(a)粉末衍射实验装样过程仿真界面

(b)粉末衍射测试仿真界面

4.3 X射线衍射应用及创新实验模块

从实验项目的广度和深度考虑，注重将最新的科研成果融入到教学内容中，充分体现实验项目的先进性和前沿性. 在本仿真模块中，以自主研发的原位X射线检测模块为实验原型，结合粉末衍射基础实验，通过设计理论模型和实验过程，开发了外场调控晶体结构相变原位检测虚拟仿真实验. 在这一模块的2个应用和创新型实验中，学生需要自主查阅参考文献，在对电化学过程中材料结构变化以及温度变化对材料结构的影响有所了解的基础上，通过设计实验方案、搭建实验装置，开展X射线衍射创新及应用仿真实验.

1)电化学调控原位X射线衍射结构表征实验.

在这个实验中，主要是利用X射线粉末衍射技术开展锂离子电池充放电过程中的相结构变化动力学研究. 在实验中，系统仿真锂电池充电过程中电池材料结构的变化过程，通过X射线粉末衍射原位检测这一变化过程并展示出来. 仿真界面如图6所示 .

(a) 仿真实验过程界面

(b) 自主研发的原位X射线检测模块3D动画学习界面

2)温度调控相变原位X射线衍射结构表征实验.

在这个实验中，主要是利用X射线粉末衍射技术开展温度场调控Cu的相结构变化动力学研究. 在实验中，系统仿真铜单质在温度升高过程中氧化过程引起的结构变化过程，通过X射线衍射原位检测这一变化过程并展示出来. 仿真界面如图7所示.

在X射线衍射应用及创新实验模块中，特别在平台上为学生提供了交互学习的资源，通过探究性实验过程原理的动画展示和解说，让学生在仿真实验过程中体验科学研究过程，培养创新思维. 体现了仿真实验的研究性学习过程.

在创新实验模块设计时，注重将科学研究的思维和方法融入虚拟仿真教学过程，体现出教学内容和教学理念的先进性. 2个创新型仿真实验有效拓展和延伸了X射线实验教学内容提升了X射线衍射实验层次，达到了虚拟仿真实验项目建设拓展实验教学内容广度和深度的目标[5].

(a) 学生自主学习、搭建实验设备仿真界面

(b) 仿真实验过程界面

5 考核要求、评价及教学效果

5.1 考核要求及评价

本实验项目针对不同的实验内容设置了不同的考核要求，学生在学习资源学习的基础上，在基础实验模块中，通过实验模式场景开展虚拟实验训练，通过考核模式场景在没有人机互动情况下独立完成实验过程、数据处理和分析，给出该样品的晶体结构和参量，在此基础上完成实验报告并提交系统. 在虚拟实验软件后台，将会自动记录学生的操作情况，并将实验结果与系统预设参考数据相对应，自动给出考核结果，按得分情况确定 “优、良、合格，不合格”4个档次. 学生对本次考核若不满意可以再次开展实验；在创新实验模块中，学生需通过创新实验要求自主查阅文献资料和相关学习资源，结合虚拟仿真平台设计实验方案，自主模拟组建实验设备体系，并开展创新实验过程，给出实验结果并完成研究报告. 同样地，系统通过后台监测，记录、评判整个实验过程并给出评价结果.

5.2 教学效果

本实验项目已通过本地实验网络平台后台及“实验空间”网站向学校及社会开放访问及使用[7]. 通过分析后台使用情况监测数据，了解本项目的应用效果. 图8给出的是“实验空间”网站显示的实验项目访问、使用情况的数据分析[6].

图8 X射线衍射虚拟仿真实验项目教学使用情况数据

从图8中可以看到，通过实验空间网站平台浏览量达到了15 363人次，做实验人数达到了3 845人，取得了很好的推广应用效果. 此外，通过记录数据可以看到，做实验的人中，实验通过率达到95%，其中达标(合格)率达到了78.6%，优秀率为16.4%，表明实验内容及考核设计较为合理. 本虚拟仿真实验项目经过半年的运行使用，取得了良好的教学效果. 同时，该项目用于本科生的创新创业项目研究，研究成果“反应环境可控的三电极原位X射线电解池”获得第16届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛三等奖，并获得第2届全国大学生可再生能源科技竞赛特等奖.

6 结束语

从虚拟仿真实验建设的必要性、建设思路、建设内容，实验模块设计与实现方案等几个方面对X射线衍射及结构相变原位表征虚拟仿真实验做了分析. 通过项目建设，实现了从最经典的X射线衍射实验——德拜照相法测量晶体结构实验，到粉末衍射晶体结构分析实验的虚拟仿真，并在此基础上，将X射线衍射最新科研成果，即自主研发的原位X射线检测模块与粉末衍射实验结合，开发出动态环境下晶体结构原位检测虚拟仿真模块并应用到学生的创新性实验中. 虚拟仿真实验教学项目体现了“以学生发展为中心”的理念，既有注重实验操作、数据处理等基本实验技能的实验环节，又有注重创新实践能力培养、体现将最新科研成果融入教学的实践内容. 项目很好地体现了“教学完整性、资源多元性、交互性和研究性”.