基于虚拟仿真技术的大型仪器共享平台准入制建设——以扫描电镜为例*

卢 薇，鲁 江

(湖北工业大学生物工程与食品学院，湖北 武汉 430000)

大型仪器是高校人才培养、科学研究和社会服务的重要物质基础，也是培养高层次人才、发展高科技的重要工具，并已成为衡量高校综合实力的重要标志[1]。为推进高校科研基础设施和科研仪器的全面开放、充分共享，提高科研设施与仪器使用、配置的效率和效益，各高校对大型仪器共享平台不断加大投入建设。与常规公共实验室相比，大仪平台的管理存在较高难度，许多高校都存在部分大仪使用效率低下、闲置浪费等共性问题[2]。部分大仪专业性强且操作复杂，学生无法独立进行仪器操作，依赖仪器管理人员进行测试。因此，建设切实可行的大仪平台准入制势在必行。

虚拟仿真技术是指综合利用计算机图形系统以及各种显示和控制等接口设备生成一种虚拟环境，用户能够“进入”虚拟环境中并与环境直接进行具有真实感的基于自然技能的交互技术，被广泛应用于城市规划、医疗、食品等领域[3]。在仪器分析类实验教学中，利用虚拟仿真技术，可在计算机上模拟出各种大型分析仪器的内部构造、实验环境、操作步骤和实验数据，拓展实验教学内容的广度和深度，提升教学质量和水平。本文基于虚拟仿真技术，以扫描电镜(SEM)为例，构建了线上-线下结合式的大仪平台准入制度，以期为大仪平台的信息化管理提供思路。

1 大型仪器共享平台传统准入制的问题与不足

大仪平台普遍采用传统线下模式开展准入制实验教学，由管理人员定期根据用户需求开班教学，或根据实际情况灵活开展教学，该模式存在如下几个问题：(1)平台仪器种类繁多，用户需求量大但基础参差不齐，人均台套数严重不足，传统准入制中的一对一教学模式占用大量机时，影响平台正常运行，而一对多模式无法保证用户上机操作，教学效率较低；(2)平台的管理人员不足，传统准入制无法高效进行教学效果评估，影响用户准入；(3)不同大仪因原理、构造的不同存在不同的安全风险，传统实验室安全准入培训涉及面虽广，但鲜有针对大仪的安全准入，平台日常运行存在安全隐患。

2 虚拟仿真技术在实验教学中的优势

桌面型虚拟仿真技术因成本低廉、技术简单、易于维护等特点极其适用于教学培训，在实验教学[4]中已有应用实例，其优势主要在于：(1)帮助用户打破时空限制，随时随地开展线上学习。尤其在仪器分析类实验教学中，用户以“一人一机”模式进行自学，再结合线下上机实操，通过“虚实结合”的方式对知识点进行巩固，有助于快速培养学生独立上机操作的能力；(2)针对线下实验教学中难以涉及的如大仪构造、维修维护等方面进行拓展和延伸，加强学生实践能力。(3)针对仪器运行中存在的安全风险，开展线上安全培训，确保实验安全。

3 基于虚拟仿真技术的大型仪器共享平台准入制建设及实践

3.1 基于虚拟仿真技术的大型仪器共享平台准入制建设框架

基于虚拟仿真技术，建设线上-线下结合式的准入制。该制度以“先虚后实、虚实结合”的思路开展，用户首先完成线上虚拟仿真课程，通过线上标准化考核后得到线上准入资质，申请线下学习，未通过者重新进行线上学习并完成线上考核；线下教学采用上机实操模式，由管理人员进行实验教学并以标准品测试的方式开展考核，只有通过考核者才能得到线下准入资质，未通过者由管理人员对其进行评估，重新进行线上或线下学习。该制度的具体建设框架见图1。

图1 基于虚拟仿真技术的大型仪器共享平台准入制建设框架

3.2 基于虚拟仿真技术的SEM线上教学课程建设

应用虚拟仿真建模技术和基于web的在线考核技术建设大仪平台准入制线上教学课程。虚拟仿真建模技术基于3ds Max对仪器平台进行建模，建模内容包括仪器组件外形、仪器组件材料、光学器件材料等。结合unity 3D，利用物理模型、运行历史数据，集合力学、光学在内的多学科数字仿真技术，建立仪器的虚拟仿真模型，形成现实实体在数字空间中的多维投影。基于web的在线考核技术充分考虑学生考核的便利性，建立服务器后端-轻量级前端的架构，学生可以通过实验室电脑、支持chorme的移动端设备访问在线考核网站，经过身份信息认证后根据学生目前学习历程开展在线考试。SEM虚拟仿真实验教学课程见图2。

图2 扫描电镜虚拟仿真实验教学课程

SEM虚拟仿真实验教学课程分为如下四个模块：

3.2.1 虚拟仪器原理与操作

通过动画和3D效果向用户演示分辨率、光的衍射、电子波、电磁透镜的像差、散射等基础光学知识，然后引导用户学习SEM的总体结构，包括镜筒、电子光学系统、扫描系统、样品室、信号检测与放大系统、图像显示与记录系统、真空系统等，再以有交互性的虚拟实验引导用户完成样品干燥、样品喷金、开机、放样和腔体抽真空、腔体放气与取样和关机等全流程的仪器操作，确保用户充分掌握仪器原理及操作要点。

3.2.2 虚拟软件操作与数据分析

SEM的软件工作站为全英界面，操作步骤繁多，且权限设计使其只能安装在固定计算机上，无法实现开放式学习。开发虚拟工作站，通过交互性的虚拟软件操作引导用户完成样品和样品台的定位，聚焦、对比度、亮度和折光的调整，扫描模式和放大倍数的设置，实时图像的选择等软件操作，确保用户熟悉软件操作。

3.2.3 虚拟仪器维修与维护

传统教学模式难以涉及大仪的维修维护，不利于学生综合素质的全面提升。以虚拟实验的方式引导用户完成SEM灯丝更换和枪对中等定期维护，并在灯丝正负极的安装、灯丝加电压时勿调整入黄色心内等重点步骤上进行详细讲解和考核。

3.2.4 虚拟平台安全

引导用户完成平台安全管理制度的学习，形成系统性的安全意识；然后选择目标仪器，了解仪器日常操作中的危险源，如SEM能谱仪运行前倒入液氮所需的防护措施[5]等，最后学习仪器突发应急事故的处理，如不间断电源临时短路的处理方法。

3.3 虚拟仿真技术在SEM准入制中的实践

以大豆蛋白粉形貌学观察为教学内容，筛选20名能力相当的学生，分组进行准入制教学。第1组为对照组，采用传统准入制教学模式；第2组为试验组，采用基于虚拟仿真技术的准入制教学模式。两组教学效果评估见表1。SEM的样品前处理较为简单，学生可以通过教师演示快速掌握，故传统模式即可基本满足学习需求，但实验原理、仪器操作、软件操作和数据分析均存在一定的难度，传统模式难以达到良好效果。线下考核过程中，部分对照组学生对仪器内部构造和作业原理解释得含糊不清，需多次询问管理人员如何设置相应参数、如何进行后续步骤；试验组学生经过线上反复虚拟练习后基本可对原理进行清晰讲解，且只需管理人员偶尔提醒即可独立操作。整体而言，传统模式下学生对实验原理掌握不佳，实验操作较为生疏，难以独立完整进行实验，平均得分69.52分；而基于虚拟仿真技术的准入制下学生熟练掌握仪器原理和仪器操作，可在短时间内流畅地完成实验，基本可一次性通过线下准入制考核，平均得分90.60分。

表1 不同准入制模式的教学效果评估表

4 结 语

虚拟仿真技术应用于大型仪器共享平台准入制建设，可为平台用户提供低限制性的多渠道学习方式，用户可根据自己的学习基础和学习情况，在线上对重点内容进行反复学习，以提高学习效率，有利于为后续的线下实操与准入作准备。同时，利用虚拟仿真技术的交互性，该制度还可囊括传统实验教学中难以涉及的仪器维修与维护、实验室安全等方面的内容，以提高课程的科学性、系统性和实用性。该准入制可充分发挥大仪平台在教学、科研和社会服务中的重要作用，为社会输送更多理论知识丰富、实践能力扎实的应用型人才。