虚拟仿真技术在新能源材料设计与制备实验教学中的实践

张文展 邱小林 周冬兰 廖 丹 裘 承 胡佳幸

(南昌理工学院，江西南昌，330044)

1 引言

新能源材料设计与制备是新能源材料与器件专业中一门专业主干课，主要传授学生与新能源材料有关的设计与制备技术应用方面的专业知识，培养学生创造性思维、创新实验及工程实践等方面的能力，为学生在对新能源材料进行设计、制备、检测及分析时奠定必要的运用基础。而新能源材料设计与制备实验是其中一个重要的教学环节，通过实验教学可引导学生了解各实验原理、熟悉各实验设备，运用所学原理对实验过程及结果进行分析，使其透过实验现象分析实验本质；同时，可以培养学生动手能力和解决实际问题的能力，有助于学生专业综合素质的提高。实验教学是实践性教学的一种形式，能够很好地让学生以一种沉浸式的方式在实验设计、实验现象观察和实验结果分析等实验过程中获得知识和能力，并提高自身的专业素质[1]。但是，随着材料化工类实验教学的不断深入和教师科研成果反哺教学的实施，不可避免会引入一些具有实验周期长、危险性大、设备和耗材昂贵等特点的实验，这类实验在实体教学中是难以普及的。因此以VR技术为主要手段的虚拟仿真实验教学就显得尤为重要[2]。本文以我校新能源与环境工程学院正在建设的“氧化石墨烯纳米银复合材料的制备与表征”虚拟仿真实验教学项目为例，介绍虚拟实验教学在新能源材料与器件专业实验教学中的探索和实践。

2 虚拟仿真实验教学项目建设的必要性

石墨烯具有优异的光学、电学和力学特性，在材料学、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景，被认为是一种未来革命性的材料，能掌握水浴法制备氧化石墨烯纳米银复合材料备受企业青睐[3-5]。但实验中需要使用复杂的Hummer法和大型仪器。特别是在实验中有很多步骤是需要添加强酸类和强氧化性类物质，具有很强的腐蚀性，同时还会释放出大量的热量，实验存在很大的危险性[6,7]。同时材料结构表征会涉及精密贵重仪器，实体教学难以普及[8]。因此开发“氧化石墨烯纳米银复合材料的制备与表征”虚拟仿真实验平台是十分必要的。

该项目通过将虚拟仿真实验和真实实验场景有机结合，逼真再现了石墨烯纳米银复合材料制备和结构表征的过程，三维沉浸式仿真实验场景极大地激发了学生的学习兴趣，提升了教学效果。该虚拟仿真实验教学除了能够使学生掌握线下实验教学过程中要求的复合材料制备基本原理和工艺流程外，还能够很好地规避浓硫酸、高锰酸钾、双氧水等强腐蚀性试剂的高危险性和高腐蚀性，提高实验安全性。此外，通过虚拟仿真实验的表征环节，可以预先熟悉大型仪器如X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)的操作，缓解线下仪器数量限制，提高学生操作仪器的效率，降低实验成本。

3 虚拟仿真实验教学和评价方法创新

3.1 教学方法创新

在新能源复合材料及纳米材料的制备中经常会用到水浴法，同时石墨烯材料是未来能源、信息及医疗等行业应用中的一颗璀璨明珠，能够熟练掌握利用水浴法制备氧化石墨烯纳米银复合材料的方法和技能至关重要。因此我们将学院新能源材料教学科研团队研究成果中操作性强、启发性好、具有较好应用价值的氧化石墨烯纳米银复合材料制备实验引入到本科材料合成实验教学课程中。但是该实验需要使用科研中常用的Hummer法、冰浴法和水浴加热法等，对于本科生比较陌生，学生在实际实验操作中不免会产生很多错误，例如高温下的磁力搅拌操作、离心机的使用、不同原料的加料方式等，特别是在实验中有很多步骤是需要添加强酸类和高氧化性类物质，具有很强的腐蚀性，同时还会释放出大量的热量，实验存在很大的危险性。因此，氧化石墨烯纳米银复合材料制备实验要求学生能够熟练操作水浴锅、离心机及各种专业仪器，以保证实验的顺利进行。但是在具体的实验教学中学生很难通过一次实体实验就能够顺利完成任务。

虚拟仿真实验教学是一种重要的实验辅助手段，它可以利用多媒体和互联网，通过Flash或3D技术制作的虚拟仿真实验软件，通过人机互动达到在虚拟平台上进行实验重现和学习的目的，可以弥补传统实验教学中不容易实现的步骤[9]。为了弥补实体实验的不足，我们教学团队基于Unity 3D信息技术开发出了“氧化石墨烯纳米银复合材料的制备与表征”虚拟仿真实验。该虚拟仿真实验坚持“以学生实践为主、教师指导为辅”的教学理念，采用虚拟演示、探究式和交互式实验教学方法。利用丰富的虚拟实验资源有效解决了实体实验教学难以普及的问题。该虚拟仿真实验将虚拟实验和真实实验场景有机结合，利用生动的3D效果和人机交互，逼真再现了石墨烯纳米银复合材料制备和结构表征的过程，激发了学生的参与兴趣。而且采用高效的学习认识、实训操作和课后答题等工程实践科学考核体系，保证了实验教学效果。

3.2 评价方法创新

虚拟仿真实验教学要求学生实训操作练习结束后进行考核，考核成绩由虚拟仿真平台自动记录评判，学生课下需要撰写并提交实验报告和实验心得体会。根据学生线下和线上实验过程的教学大数据与实验的预习情况、操作熟悉程度、数据处理和实验报告等环节综合评分，引导学生深度学习，实现个性化的实验教学过程。对学生的考核要求包括课前预习、课中实训操作练习以及考核测试、课后提交试验报告[10]。课前预习要求学生了解以下知识点：

(1)了解石墨烯及石墨烯纳米银复合材料的性能及应用。

(2)了解石墨烯及其复合材料合成的主要方法和原理。

(3)了解表征石墨烯及其复合材料结构和形貌的主要仪器原理。

(4)了解合成石墨烯及其复合材料工艺及表征其结构的大型仪器基本操作。

预习完实验所要求的基本知识后，由任课教师现场抽查提问。课中实训要求学生加深理解合成石墨烯及其复合材料工艺过程、表征方法及原理。经过实训后，熟练掌握石墨烯及其复合材料合成工艺，并熟悉合成设备及结构表征等仪器的操作方法，并在规定时间内完成所有实训操作及考核测试，虚拟仿真软件自动记录考核成绩，最后完成考核。课后要求学生撰写实验报告和实验心得体会，由任课教师评分。

4 虚拟仿真实验教学实施过程

实施过程包括“课前预习”，要求学生提前具备良好的实训素养和相关的基本实践技能、基本的三维认识能力和熟练的计算机操作能力，并且按照试验指导书了解学习有关理论知识；让学生在电脑上进行该实验的虚拟操作，熟悉Hummer法流程，掌握冰浴法和水浴加热法进行物质反应的技巧，危化品的安全操作以及水浴锅、磁力搅拌器、离心机、XRD和SEM设备的使用；“课中实训”采用探究式、交互式教学方法，要求学生按照虚拟仿真平台中的提示进行操作，学会石墨烯及其复合物合成工艺和结构表征的各种大型仪器设备，练习结束后申请考核，进行考核环节后系统自动记录操作成绩，不及格者需要重新进行实训操作练习；“课后提交实验报告”，学生实训操作结束后需进行实验考核并提交实验报告和心得体会，最终成绩由任课教师综合评定。

5 虚拟仿真实验教学实施效果

虚拟仿真实验的安全性高、成本低、效率高、可扩展性强、高度开放和实现资源共享，同时虚拟仿真实验可以无污染、无浪费和安全高效进行重复操作，能够生动直观地学习和了解新能源材料的合成工艺及展现很多实体实验中无法呈现的实验细节，从而虚实结合以提高教学实验质量。虚拟仿真实验拓展了实验教学的资源、时间和空间，极大地提高了实验教学效果，每个学生都可以利用虚拟实验平台进行实验，节约教学和实验资源，也大大提高了学生的参与感。通过“氧化石墨烯纳米银复合材料的制备与表征”虚拟仿真实验教学的实施，达到了如下几点教学效果：

(1)该虚拟仿真实验教学中生动的3D效果和人机交互，提供了逼真的实验过程，生动再现了石墨烯及其复合材料的合成工艺、结构表征等过程，激发了学生的参与兴趣。

(2)丰富的虚拟实验资源有效解决了实体实验教学难以普及的问题，拓展实验空间及资源，提高教学质量。

(3)学生可以任何时间、任何地点用电脑和手机等终端对要掌握的实验进行学习，突破时空限制，提高学生积极性。

(4)缩短学生实训时间，使学生短时间内快速建立了石墨烯及其复合材料合成、结构表征等完整知识链。

(5)采用高效的学习认识、实训操作和课后答题等工程实践科学考核体系，保证了实验教学效果。

6 结语

利用现代信息技术而兴起的虚拟仿真实验教学在实验内容和实验教学方法上是对传统教学的延伸与拓展。线上虚拟仿真实验教学和线下实体实验教学虚实结合，实为主，虚为辅，为传统实验教学开发出新的实验教学模式，能够提高实验效率和学生的参与感。此外，建设虚拟仿真实验可以弥补实验器材的不足、减少危化品的使用风险以提高安全性；同时减少大型昂贵器材的购入，降低成本。未来，随着虚拟仿真实验开发的标准化技术及标准化接口的应用，虚拟仿真实验平台将会具备更好的延伸性和扩展性，既能满足师生的实验需求，也能服务于相关学科的科研院所及企业。