舒霞 吕珺 王岩 程继贵

摘  要 大型仪器设备的使用在高校本科实验教学中占有一定比例，但由于一些主客观因素的制约，实验教学效果并不理想。以激光粒度分析本科教学实践为例，详细介绍教学视频六个模块的设计制作思路和交互式实验教学模式开发过程，对大型仪器设备在本科实验教学中的应用和新信息技术时代背景下的实验教学改革提出几点认识和思考。

关键词 交互教学模式;实验教学;激光粒度分析;大型仪器设备;虚拟仿真实验教学

中图分类号：G642.0    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2020）20-0122-05

Abstract The application of large-scale instruments and equipment occupies a certain proportion in the experiment teaching of undergra-duate courses， but as a result of the restrictions of all kinds of subjec-tive and objective factors， the effect of experimental teaching is not ideal. In this paper， the undergraduate teaching practice of laser par-ticle size analysis is taken as an example， and the design and produc-tion thoughts of six modules of teaching video and the development process of nteractive experimental teaching mode are elaborated. At the same time， it puts forward some understanding and thinking on the application of large-scale instruments in universities experiment teaching and the experimental teaching reform in the new informa-tion times.

Key words interactive teaching mode; experiment teaching; laser particle size analysis; large-scale instruments and equipment; virtual simulation experiment teaching

1 前言

高等工科院校的實验教学在培养学生综合素质、科学探索能力和促进学生认知结构转化方面具有不可替代的作用。大型仪器设备是高校重要的物质基础，在科研探索中起着重要作用，其科研功能的开发普遍受到重视，在高校的本科实验教学中也占有一定比例。但由于一些现实的原因，其在教学中的应用关注不够[1-2]，普遍存在学生真正上机操作机会少、上机学时不足、以教师演示为主的现象;又由于大型设备台套数有限和承担的科研任务重，本科教学实验分组往往较粗，很多学生只是外围观望一下，因此，大型设备在培养学生的实践能力和自主创新能力方面起不到应有的作用。

如何多渠道扩大大型仪器设备对本科生的开放，提高大型设备的使用效率，培养学生利用大型设备进行科研探索的兴趣和能力，为学生的主动性和创造性发挥提供广阔的空间值得探索。以提高学生综合素质和自主创新能力为内涵的新实验教学模式的构思和设计，是实现实验教学体系不断优化、不断适应时代对人才培养本质要求、保持先进性和活力的有效措施之一。实验教学模式改革也必然拉动教学内容改革和课程结构优化、教师主体地位发挥、教学管理、实验室效能等方面的创新和上水平[3-4]。本文以激光粒度分析本科教学实践为例，探讨交互式实验教学模式开发思路和过程。

2 激光粒度分析教学中存在的问题

Mastersizer 2000激光粒度分析仪（附件为Hydro 2000MU，以下简称MS2000）为英国马尔文公司进口设备，2003年购置，原值32万元，自购置以来一直用于本科实验教学。激光粒度分析是无机非金属材料专业和粉体工程专业粉体工程粒度测试综合实验课程、金属材料工程专业金属材料工程基础实验重要内容之一，每学年面向240多名本科生开设本科教学实验，还为相关专业的本科生毕业设计、研究生论文研究以及教师科研提供服务，但在教学和科研中一直存在一些问题需要解决。

1）激光粒度仪为全封闭结构，实验教师在指导实验时很难将仪器构造、原理、操作方法讲解透彻。为了讲解仪器构造，需要反复拆卸样品池，每次测试前光路必须重新对光，不仅延长实验时间，也对仪器的正常使用造成隐患;若只对着全封闭设备泛泛讲解，学生又无法获得感性认识，实验教学效果很不理想。

2）随着专业认证和本科教学审核性评估工作的深入，对实验教学的要求越来越高，特别是实验分组人数有严格限制。目前全院仅有一台激光粒度仪，已服役超15年，虽然在专职实验教师的精心维护下仍能正常使用，但随着实验教学任务加重，仪器设备的维护工作量和成本逐年增加。

3）一些在本科阶段没有接触过激光粒度分析的研究生缺乏相关知识，有的学生对于样品的前期处理、如何分散、如何配合教师完成测试等一无所知就来做粒度测试，存在很大的盲目性，因而不能很好地发挥出仪器的作用。

为此，设想以培养学生能力为核心，采用现实与虚拟互补、理论与实践结合的方法，开发一整套关于激光粒度分析的教学软件，构建一种交互式新型实验教学模式，提升本科实验教学的层次和质量，以期更好地发挥大型仪器的功能和作用。

3 交互式激光粒度分析实验教学模式开发

文献、资料的收集与整理  广泛搜集研读关于MS2000的资料，包括仪器用户说明书、中英文论文[5-9]、培训PPT （MS2000激光粒度分析仪基本测量、数据质量介绍、影响样品测量结果的因素分析等）、粒度测试标准等，并查找与项目有关的信息。在消化、理解文献资料的基础上，项目组成员反复讨论交互式教学模式以什么方式呈现出来，经过精心准备、制作和修改，最终开发出一套以激光粒度测试视频和交互式学习动画为主的教学软件，分为“仪器简介”“测试原理”“仪器结构”“测试视频”“交互学习”“关于我们”六个模块，全面介绍MS2000的功能、构造、测试原理和操作规程。六个模块既各自独立又相互关联，是一个可供灵活使用的教学软件，开始界面如图1所示。

六个模块

1）仪器简介。仪器简介模块介绍了仪器型号、购置时间、原值和功能特性，使学生对仪器有一个总体的了解。

2）测试原理。测试原理模块包括MS2000激光衍射仪测试范围、仪器系统主要组成、等效球原理、其他测量技术简介、激光衍射法的原理、衍射光路图、Mie理论和通过反演法获得粒度分布结果等主要内容。

激光粒度衍射法的理论知识部分主要由任课教师课堂讲解。实验课上为了让学生更好地理解测试原理，尽可能快而全面地了解实验仪器，除制作激光衍射光路图悬挂墙上外，综合考虑时间与效果，教学软件以“动画替代图片、图片替代文字”的思路，将测试原理理论性的概念用视觉方式呈现出来。整个测试原理模块在原有教学用PPT内容的基础上通过Mac OSX操作系统的幻灯片软件Keynote制作而成（Keynote的视觉呈现比PPT更高级），同时借助于三维软件的单帧渲染定制视图元素，如图2示例，“幻灯片动画”界面和内容设计更具图形化，也更加生动形象。

制作过程中从色彩心理学的角度充分考虑主配色，画面的色彩、画质、图像均经过精心设计和完善，提供了“翡翠绿—天青石蓝渐变”和“灰黑色”两种方案，用以改善在不同光照环境下的观看体验，如图2所示。整个测试原理模块力争做到深入浅出，提升学习的趣味性，帮助学生更好地学习和理解。

在了解测试原理的基础上，接下来是仪器如何实现粒度测试的问题，转入仪器结构模块。

3）仪器结构。MS2000为大型进口设备，防尘级别要求高，主机内置电路和光学组件为全封闭结构。交互式教学模式开发的一个明确目标就是将仪器的内部结构呈现出来，传统的教学模式采用相片和结构图的方式呈现仪器内部结构，对于结构单一、操作简单的仪器来说尚且适用，但对于MS2000这样复杂的设备则不能很好地表现。

在仔细研读资料的基础上，采用逆向建模、三维动画和测绘过程的物理抽象等方式进行内部结构的表现，将主机结构图分解为光源系统、光路系统、样品池、检测器系统、驱动系统和附件等部分，并对主要零部件进行测绘和制作。整个制作过程包括“数据测量—三维建模—摄像机动画—材质调试与灯光构建—渲染”五个步骤。

大部分结构动画更多地侧重于原理和结构展示，为了做得更好，也为了配合产品级渲染和3D摄像机运动的灵活性，结构动画制作采用对硬件要求不高但渲染质量和动画优化更好的Cinema 4D软件;基础建模采取Mesh网格加Nurbs曲线方法进行等比例繪制，仪器精度达到螺栓级别，尽可能用已有数据还原出最多的结构设计特征。同时，为了从各个角度展示设备细节和测量过程，在软件中设定了14台虚拟摄像机，从不同角度、不同运动轨迹、不同焦段进行拍摄，并逐帧制作“爆炸图”，展示结构动画部分。图3、图4为正在实施中的建模界面示例。

为了达到产品级效果，搭建“3D影棚”，增加光源模拟产品摄影的布光，虚拟影棚幕布，设定凹凸纹理来增强漫反射效果;并在灯光环境下调制材质，尽可能模拟真实仪器的材质，制作三个携带Alpha通道的材质球，并针对塑料、金属喷丸喷漆、热处理金属、机加工金属部件制作对应的材质球。为了表现粒度测试的光学原理，制作携带自发光通道的材质球来模拟激光从发生器沿光路穿过样品池到传感器的过程。这一部分经过多次迭代和反复微调， 达到预期效果，逼真、生动。

图5为揭开主机罩后的设备光路组件结构图和衍射光路动画视频界面截图示例。整个“仪器结构”模块动画视频播放时间只有短短的53秒，是在充分解析设备构造、每个零部件功能、光路、激光衍射原理的基础上精心制作完成的，是整个项目中最核心的部分，也是工作量最大的一部分。

仪器结构模块揭开了仪器主机罩下的神秘面纱，学生通过观看“仪器结构”，获得直观的感性认识，将进一步加深对实验测试原理的理解，实验教学的效果将得到明显增强。

在学习了“测试原理”“仪器构造”的基础上，下一步就是如何使用仪器进行测试，转入“测试视频”模块。

4）测试视频。根据激光粒度测试实验教学的开展特点设计详细的拍摄计划，包括拍摄场景、道具、人员安排等，并进行排练和拍摄，然后进入制作。按照实验进行的顺序确定七个拍摄场景，包括：学生来到实验室，想测试样品的粒度，教师和学生之间简单交流;设备简介;开机，开电脑，测量前的仪器准备;样品的预处理;添加样品，准备测量;参数设置，样品测量;测量完毕，打印结果，结果分析等。

准备的拍摄道具包括粉末样品、去离子水、烧杯、滴管、试样勺、搅拌棒、超声波清洗机等。

视频的后期剪辑、编排和制作遵循实验教学和样品检测分析流程要求，简明扼要，对操作中需要注意的细节进行重点关注，配有语音和字幕讲解。学生在未实际动手做实验前先观看视频，将起到很好的引导作用;在实操完成后再观看视频，又起到温故而知新的作用，还可以根据需要有选择地反复学习，充分调动自主学习兴趣。

5）交互学习。为了让学生进一步掌握激光粒度测试过程，加深对测试原理的理解，探究测试细节问题，根据激光粒度分析实验步骤，截取软件界面，制作“交互学习”模块。交互学习动画分为十一步，每一步均有测试软件界面并配有注释。交互动画成为引领学生完成激光粒度分析全过程的指导性文件，一位初次接触激光粒度测试的学生根据交互学习动画的一步步指导，可以轻松地完成线上模拟测试。

传统僵化单一的教学模式不利于充分发挥实验的教育教学功能，不能积极调动学生发挥主体作用，“问题—操作”式交互教学模式在培养学生问题意识、探究意识、克服实验中遇到的困难意识等方面作用显著[10]。交互动画中设计“注意事项”“小知识”“观看报告解析动画”等按钮，让学生在浏览过程中带着问题学习。通过“小知识”等按钮，进一步了解需要注意的重点步骤和关键参数的内涵与意义，包括测试准备需要注意的事项、SOP标准操作程序与手动测量、样品的光学参数选择、仪器如何对光、遮光度的要求、重现性和重复性的含义等。学生通过点击“小知识”按钮，继续深入学习。这种交互教学模式帮助学生将理论知识综合集成，围绕特定主题或问题开展再创新，当完整地学习完一套交互动画后，学生对激光粒度分析的认识将获得全面提升。这一点对于没有参加过激光粒度测试本科实验的研究生同样具有较大的学习价值。

6）关于我们。这一模块公开了设备管理和软件开发的相关信息，方便学生和对本设备感兴趣者进行交流联系;并预留了“预约”按钮，可以并入高一级分析测试平台，实现资源共享。

4 交互式激光粒度分析实验教学模式应用

一整套交互式激光粒度分析实验教学软件已经在本科粉体工程粒度测试综合实验课程中开展试用，学生反映良好。在教学中通过组织学生观看测试视频，开展部分虚拟实验教学，引导学生自主学习，深化理解实验原理和操作细节，学习过程变得更加生动有趣;实验教师在讲解仪器结构时不再无所表达，学生对内部结构也不再雾里看花;学生积极参与讨论，展开交互学习，现实与虚拟实验的结合丰富了教学内容，延伸了知识链和技能链;部分虚拟实验教学也在一定程度上缓解了仪器台套数不足的问题，在教学中将一大组学生分为三个小组（每组<8人），通过观看视频—实际操作—交互学习三个环节依次进行，可以满足专业认证和本科教学审核评估对实验教学的分组要求。下一步计划将这一整套教学软件结合慕课技术和雨课堂等智慧教学模式制作成为预习课件，推送给学生，满足学生异步自学型在线学习的需求，并将在研究生中进一步推广和完善。

5 关于新时代高校实验教学的认识与思考

随着网络、智能和信息等先进新技术的发展，教育形态正在被重塑，知识的获取方式和传授方式、教与学的关系正在发生深刻改变。實验教学是高等教育的重要组成部分，教学理念、模式、方法及手段都应主动适应变革。基于激光粒度分析本科教学实践的交互式实验教学模式开发，获得以下几点认识与思考。

以学生获得感为中心，加强实验教学改革  近10年来全国普通高校实验室条件得到大幅改善，实验仪器设备总值实现跨越式发展，大型设备很多都是进口购置，价格昂贵，资源稀缺，操作技术要求高，一旦损坏维修周期长，维修经费紧张，其用于教学确实存在很多困难。因此，大型设备的实验教学要突破传统的习惯，要在实验教学理念上实现突破。贯彻以学生为中心的宗旨，坚持实验教学服务于人才培养，坚持改革创新以学生的获得感为中心，以实验项目为载体，构建以完成特定的综合性实验项目为主的新时代高校实验教学模式。

实验教学手段的创新是培养创新型高素质人才的技术保障。近年来的教育改革实践表明，整合教育资源于在线学习、混合式学习和协作学习，能够有效克服传统教学难以为学生提供更多实践学习机会的不足。以多媒体、人机交互技术、可视化技术、仿真技术、网络通信等信息技术应用为基础的虚拟仿真实验教学模式，适应了新时代高等教育开放办学、资源共享的变革[11]。但是目前从首批100多个国家级虚拟仿真实验教学中心的资源统计数据来看，各高校自行研发、具有自主知识产权的虚拟仿真实验教学资源相对较少[12]。本研究遵循教育部推行的虚拟仿真实验教学工作“虚实结合，能实不虚”的理念，基于多年实验教学的积累，将积累的实验教学资源进行整合处理，开发出一套有助于理解、开展实验的教学视频文件，学生可以随时线下观看和交互学习，弥补了面对面教学中的缺陷，提升了实验教学效率和层次;也为此类大型进口、单台设备的实验教学改革提供了一个范例，为升级为虚拟仿真实验项目奠定了基础。

加强高校实验教师队伍的现代化建设  作为一名材料专业实验教师，对于该项目所需要的信息技术的运用无疑是短板。本项目研究初期联系了近几年与高校合作虚拟仿真实验项目开发的几家团队，了解到费用较大。在实际经费有限的情况下，项目实施过程确实做到了以实验项目为载体，针对激光粒度仪的结构、测试原理和交互动画设计等问题不断地探究和实践，教师和学生的创新意识和综合潜能都得到极大激发，最终构建了一套完整充实的实验教学内容。

团队成员通过此实验教学项目的开发收获很大，同时清楚地认识到高校实验教学水平现代化对实验教师队伍素质提出更高的要求。近几年，高校实验教学队伍整体的学历水平在快速提升，但实验项目的开发能力和完成能力还有待进一步提高。实验教师和实验技术人员是实验室教学工作的主要力量，要发挥实验教学理念改革的主力军作用;要加大培训和后续培养力度，提升实验教学队伍的教学水平和教学改革能力;并通过人才评价机制和职称改革政策等调动实验教学队伍的积极性、主动性和创造性[13]。

建立资源开放共享的管理体制和运行机制  本项目开发的实验教学模式还有待于继续完善，应进一步加大基于新信息技术的实验教学模式的开发力度，融合其他实验项目，形成相关专业的实验项目群，构建具有专业特色的、系统性架构的综合性、设计性实验教学内容，既可以作为课程中的实验内容，又可以独立设课，并积极参与虚拟仿真实验教学项目建设。

本项目开发的教学视频和其他虚拟仿真实验教学资源都是一种典型的智力劳动成果，既包含了经费投入，也凝聚着开发者的心血与才智，是有价值的。本视频第三大模块，也是核心内容，已进行“作品著作权登记”申报。在网络信息化时代，对资源的无限制传播与使用将严重侵犯知识产权权利人的合法权益，对其知识产权的保护体现了对资源开发者心血、创意的认可与尊重[12]。严格遵守相关法律规定，建立有利于资源开放共享的管理体制和运行机制，保护资源开发者的合法权益，才能激励教师投身于教学改革，让教与学释放更多能量。

致谢：感谢合肥工业大学陈牧圆（学号：2016210929）、吕源丰（学号：2016211164）两位同学参与项目研究工作，感谢马尔文公司技术人员提供技术支持。

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