基于虛實結合的混合式實驗教學方法探索與實踐

來婧娟　武元鵬　西宇辰　劉麗

［摘 要］ 掃描電子顯微鏡作為高等院校檢測和分析材料的一種重要大型精密儀器，在材料科學中具有非常廣泛的應用價值。針對傳統實驗教學中存在的諸多問題，通過虛擬仿真技術開發了掃描電子顯微分析虛擬仿真實驗教學系統，探索并實踐了以虛擬仿真實驗教學和實體實驗教學有機結合的混合式實驗教學方法。突破傳統實驗教學中時間、空間及教學方法的局限，豐富了實驗教學內容和手段，激發教師的教學活力，調動學生的學習興趣和積極性，切實提高實驗教學質量，助力材料類專業對兼具創新意識和實踐能力創新型人才的培養。

［關鍵詞］ 掃描電子顯微分析；虛實結合；實驗教學方法

［基金項目］ 2021—2023年四川省高等教育人才培養質量和教學改革項目“基于‘政產學研用協同合作的行業高校材料類創新人才培養的探索與實踐”（JG2021-589）；2022年度四川省產教融合示范項目“四川省光伏產業產教融合綜合示范基地”（川財教〔2022〕106號）；2021年度成都市鼓勵校地校企合作培養產業發展人才項目“太陽能產業高素質應用型復合人才校企聯合培養”（成財制〔2021〕2號）

［作者簡介］ 來婧娟（1982—），女，山西大同人，博士，西南石油大學新能源與材料學院實驗師，碩士生導師，主要從事大精儀器設備管理和功能高分子材料研究；武元鵬（1981—），男，山西運城人，博士，西南石油大學新能源與材料學院教授，博士生導師（通信作者），主要從事實驗室建設與管理和功能高分子材料研究；劉 麗（1976—），女，陜西富平人，學士，西南石油大學新能源與材料學院高級實驗師，碩士生導師，主要從事腐蝕與防護實驗和實驗管理研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A［文章編號］ 1674-9324（2024）07-0093-04［收稿日期］ 2023-01-30

引言

掃描電子顯微分析技術是高校材料學及其相關專業核心課程“材料分析方法”中具有實用價值的重要分析技術，對于培養學生的工程實踐能力和創新能力具有非常重要的作用。然而，受限于儀器臺套數、教學場地、時間約束以及儀器裝置的特殊性，目前在各高校實體教學過程中，在培養學生全面實踐創新能力方面受到了很多限制，提供給學生實際上機操作的機會較少，導致學生對儀器相關知識的理解和掌握僅停留在抽象理論知識層面，動手及解決實際問題等能力均無法得到有效提高，教學效果欠佳。隨著教育部啟動的“六卓越一拔尖”計劃2.0對高校新工科建設的不斷推進和對高水平復合型科技新工科人才培養戰略目標的進一步提出［1］，對高校材料類學科創新型人才的培養提出了更高的標準，對旨在提高培養學生創新意識和實踐能力的實驗課程教學質量也提出了更高的要求，因此實驗教學改革迫在眉睫。本文以“材料分析方法”課程中具有實用價值的“掃描電子顯微分析實驗”課程為例進行探索和研究。

一、傳統實驗教學中存在的問題

（一）實驗教學模式單一

掃描電子顯微分析傳統實驗教學通常采用單向傳導的教學模式，即以教師為主導，向學生單向傳授相關知識的教學模式。一般先由教師對儀器相關內容進行講解，使學生大致了解掃描電鏡的原理、結構及實驗要求和注意事項，然后由教師進行演示操作，學生分組觀看實驗演示，記錄觀察到的實驗數據，采集圖像并分析后提交實驗報告。這種實驗教學模式在很大程度上難以調動學生的主觀能動性，嚴重阻礙了學生的創造性發展。

（二）學生參與度低

由于掃描電子顯微鏡屬于大型精密儀器，價格昂貴、維護成本高，且承擔任務重，通常除用于本科實驗教學外，還承擔科研實驗表征分析。為避免學生由于操作不當而造成儀器損壞，在傳統實驗教學中，大多只能采用示范性教學；受限于儀器臺套數、教學場地以及時間空間等因素，無法滿足學生的實操需求，學生的參與度不高。另外，由于掃描電鏡等大型儀器的操作相對比較復雜，學生僅憑觀摩教師操作和學習抽象理論知識，很難全面掌握掃描電子顯微分析測試方法和實操技能。

（三）實驗教學效果無法達到預期

掃描電鏡儀器精密，結構復雜，其中的真空系統、電子束系統、成像系統以及很多精密部件結構無法通過現場拆裝為學生形象具體地講解，且涉及的理論知識相對比較抽象，儀器一旦開始運行，處于高真空狀態，無法直觀地看到內部電子束躍遷及運動形式。在教師傳統實驗教學的“填鴨式”抽象理論灌輸下，學生靠機械記憶的方法很難深入理解儀器測試的工作原理，并難以真正掌握掃描電子顯微分析方法的相關知識，在很大程度上影響了學生對知識的探求和對新知識學習的熱情，阻礙了學生創新意識和實踐能力的培養。

二、虛擬仿真實驗教學系統構建的必要性

要提高“掃描電子顯微分析實驗”課程教學質量和調動學生的積極性，最有效的解決辦法是充分利用各種資源，改善實驗教學方法、豐富實驗教學內容，從而調動學生的學習興趣和積極性，讓學生有更多的機會進行掃描電鏡的操作，真正掌握儀器的工作原理及測試分析方法等。引入現代信息技術［2］，利用虛擬仿真技術構建掃描電子顯微分析虛擬仿真實驗教學系統，將傳統實驗教學中難以實現的部分，在虛擬環境中實現。通過構建多場景、多輸入的實驗理論學習及虛擬操作環境，學生能夠通過虛擬交互平臺，大膽嘗試、自主反復學習，突破傳統實驗教學中時間、空間及傳統教學方法的局限，使實驗教學模式更加多樣、教學過程更加安全高效，使學生能夠更加深入理解并掌握掃描電子顯微分析過程中的抽象理論概念及儀器分析測試方法，很好地解決傳統實驗教學過程中存在的問題，達到理想教學目標［3-6］。

三、基于虛實結合的混合式實驗教學方法探索

（一）虛擬仿真實驗教學系統的科學構建

我校新能源與材料學院虛擬仿真教師團隊根據實驗教學大綱要求，以“材料分析方法”課程中掃描電子顯微分析內容為理論基礎，以掃描電子顯微分析實驗室現場環境為原型，采用虛擬仿真技術搭建了集學、練、考等功能于一體，且可以進行虛擬交互操作的掃描電子顯微分析虛擬仿真實驗教學系統，模擬了掃描電子顯微分析測試過程中的樣品準備、測試過程及分析流程等重要環節。根據教學目標、教學重點及難點，該實驗教學系統設置了基本原理、仿真操作、安全須知和理論測試等四大功能模塊。

在基本原理模塊和安全須知模塊，根據課程的教學重點與教學目標，通過配有相關文字說明的圖片、視頻及三維動畫演示，將儀器構造、工作原理、成像原理以及儀器使用安全注意事項等相關知識點嵌入虛擬教學系統平臺，尤其用三維動畫形式演示了一些抽象理論，能夠幫助學生更快更好地理解并掌握；將儀器不安全操作可能導致的后果，用能夠引起視覺沖擊的夸張動畫效果呈現，能夠給學生留下深刻的印象，從而培養學生的規范操作意識和安全意識，為后面的實操訓練奠定基礎。

仿真操作模塊根據掃描電子顯微鏡測試的具體操作流程，模擬了包括樣品制備、掃描電鏡操作以及配套仿真軟件參數設置和使用的三大主要虛擬場景，使學生在基本理論學習之后，能夠通過該模塊中虛擬交互平臺的操作提示，自主進行模擬操作練習，熟悉并熟練掌握掃描電子顯微鏡的制樣、測試及分析過程，很好地解決常規實驗教學中“以教師為主導的演示性實驗觀摩”的弊端，促進學生學習獨立進行精密儀器操作及掌握實驗技巧，提高學生對實際問題的獨立分析及解決的能力。

理論測試模塊是嚴格按照學科教學大綱要求，為學生量身設計的掃描電鏡分析測試相關的理論及實際操作知識測試題。當學生熟練掌握虛擬仿真操作流程后，可進入該模塊隨機抽取測試題，通過掃描二維碼進行在線模擬測試，系統會自動生成相應測試分數及錯題解析。一方面，這個模塊的設置能夠使學生實時了解自己的薄弱之處，進行后續有針對性的學習；另一方面，能夠使教師通過儲存在系統后臺的模擬測試成績及考核分析報告，及時了解學生對儀器相關知識點的掌握情況，匯總分析后做好必要輸出反饋，為后續實操課程的教學內容以及及時調整和完善講解側重點提供有效的數據指導。

（二）基于虛實結合的混合式實驗教學課程內容設計

在優化傳統實驗教學方法的基礎上，結合虛擬仿真實驗教學系統，科學構建以虛擬仿真實驗教學和實體實驗教學有機結合的混合式實驗教學方法，主要包括學生自主預習環節、實體實驗教學環節和學生分組實操訓練環節。其中，在學生自主預習環節中，學生首先通過虛擬仿真實驗教學系統進行自主預習和分散學習，在掌握掃描電子顯微鏡的儀器結構、工作原理及安全注意事項之后，通過虛擬交互平臺熟練掌握掃描電子顯微分析樣品制備、測試流程、軟件參數設置、數據處理及分析方法，通過理論測試模塊完成在線模擬測試，提交預習報告；在實體實驗教學環節中，可根據學生的在線模擬測試情況反饋，有針對性地對學生普遍存在的問題、分析測試過程中的重點環節，以及實驗安全注意事項等進行集中、重點講解；在學生分組實操訓練環節中，允許通過虛擬交互平臺已熟練掌握掃描電子顯微分析測試方法及流程的學生進行分組實操訓練，沒有掌握的學生可用虛擬實驗教學系統重新反復學習，直到掌握為止。

（三）基于虛實結合的混合式實驗教學多元化考核機制

在基于虛實結合的混合式實驗教學模式下，改變傳統單一的“平時表現+實驗成績+期末測試”的考核方式，將實驗成績設置為“線上虛擬仿真實驗”“線上模擬測試成績”和“線下實驗報告成績”三個部分，實現了“平時成績+線上虛擬仿真實驗預習報告成績+線上模擬測試成績+線下實驗成績+期末測試成績”的新型多元化考核機制。

四、基于虛實結合的混合式實驗教學方法效果分析

結合虛擬仿真技術，突破傳統實驗教學方法的局限，堅持以培養學生實踐創新能力為目標，以材料專業特色及行業產業發展需求為導向，構建新型實驗課程評價機制。目前，本實驗教學方法已連續兩年結合本校新能源與材料學院“掃描電子顯微分析實驗”課程進行教學應用，應用對象為材料控制工程專業2019級和2020級學生。結合實際課堂效果及實驗成績來看，采用基于虛實結合的混合式實驗教學方法，主要成效具體體現為以下三個方面。

（一）激發學生學習動力

相較于傳統枯燥的實驗教學模式，引入虛擬仿真實驗平臺，通過形象的三維動畫演示和逼真的操作體驗，極大地提高了學生探究知識的興趣。通過多場景、多輸入學習及虛擬操作環境的構建，突破了傳統實驗教學中時間、空間及傳統教學方法的局限，引導學生大膽嘗試，積極探索學習，真正促使學生由“要我學習”轉變為“我要學習”。

（二）實驗教學更高效

將虛擬仿真實驗教學和實體實驗教學有機結合，科學構建虛實結合的混合式實驗教學方法，極大地豐富了原有的教學手段，突破了傳統實驗教學中的瓶頸和盲點，使教學過程更加安全高效。學生能夠更加深入理解并掌握實驗相關抽象概念及儀器測試方法，很好地解決了傳統實驗教學中的問題，使教學效果顯著提升，達到理想教學目標。

（三）實驗考核更全面

引入虛擬仿真實驗平臺，通過平臺的模擬實驗操作數據分析和模擬測試成績，及時反映了學生在課前預習環節中的實際掌握程度，與傳統單一的實驗考核方式相比，不僅提高了實驗考核評估的客觀性與全面性，且由于記錄學生多次實驗預習的最好成績，極大促進了學生自主反復學習的動力，更有利于培養學生的綜合素質。

結語

與傳統的以教師為主的單向傳導的枯燥實驗教學模式相比，將虛擬仿真實驗教學和實體實驗教學有機結合的混合式實驗教學方法，主要以學生為中心，通過形象的表現手段，系統化地將深奧的理論知識融入混合式實驗教學過程中，使學生在濃厚興趣的帶領下積極主動探索知識，培養扎實的實踐操作能力。將虛擬仿真實驗與線下實驗相互穿插、相互補充，以虛輔實，以實助虛，形成交互聯動、虛實混合的實驗教學模式。利用虛擬實驗平臺實現隨時隨地、多學多練的專業化沉浸式學習。不僅有效激發了教師的教學活力，還能夠調動學生的學習主觀能動性，培養學生的創新意識和實踐能力，助力高校材料類學科創新型人才培養目標的實現。

參考文獻

［1］“六卓越一拔尖”計劃2.0啟動大會召開 掀起高教質量革命 助力打造質量中國［EB/OL］.（2019-04-29）［2021-12-15］.http：//www.moe.gov.cn/jyb_xwfb/gzdt_gzdt/moe_1485/201904/t20190429_380009.html.

［2］曹靜，于巖，李凌云，王晨.“材料分析方法”虛擬仿真實驗教學系統建設及應用［J］.實驗技術與管理，2019，10（36）：32-35.

［3］教育部辦公廳.關于2017—2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設的通知：教高廳〔2017〕4號［A/OL］.（2017-07-21）［2021-12-15］.http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7945/s7946/201707/t20170721_309819.html.

［4］教育部.關于開展國家虛擬仿真實驗教學項目建設工作的通知：教高函〔2018〕5號［A/OL］.（2018-06-08）［2021-12-15］.http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7945/s7946/201806/t20180607_338713.html.

［5］教育部高等教育司.關于公示2019年度國家虛擬仿真實驗教學項目申報材料并開展網絡用戶使用評價的公告［EB/OL］.（2019-10-28）［2021-12-15］.http：//www.moe.gov.cn/jyb_xxgk/s5743/s5744/A08/201910/t20191029_405732.html.

［6］盧艷麗，董文強，王永欣，等.材料類專業虛擬仿真實驗教學中心的建設與實踐［J］.實驗室研究與探索，2018，37（11）：153-157.

Exploration and Practice of Experimental Teaching Method Based on the Combination of Virtuality

and Reality： Taking Scanning Electron Microscope Analysis as an Example

LAI Jing-juan， WU Yuan-peng， XI Yu-chen， LIU Li

（School of New Energy and Materials， Southwest Petroleum University， Chengdu，

Sichuan 610500， China）

Abstract： As an important large precision instrument for detecting and analyzing materials in universities and colleges， scanning electron microscopy （SEM） has a wide range of application values in materials science. In view of many problems in traditional experimental teaching， a virtual simulation experimental teaching system for scanning electron microscopy analysis was developed through virtual simulation technology， and a blended experimental teaching method that organically combines virtual simulation experimental teaching and physical experimental teaching was explored and practiced. Breaking through the limitations of time， space and teaching methods in traditional experimental teaching， this blended experimental teaching method enriches the content and means of experimental teaching， stimulates the teaching vitality of teachers， arouses students learning interest and enthusiasm， effectively improves the quality of experimental teaching， and will certainly help the cultivation of innovative talents with innovative consciousness and practical ability in materials majors.

Key words： scanning electron microscope analysis; combination of virtuality and reality; experimental teaching method