张 勇，贾洪声，刘惠莲，鄂元龙

(吉林师范大学 a.物理国家级实验教学示范中心;b.物理学院，吉林 四平 136000)

虚拟仿真实验运用虚拟现实技术、数字交互技术、网络通信与数据库技术等信息技术构建逼真的虚拟实验空间和实验对象，还原再现真实环境下的实验操作过程与实验现象，解决了部分高危险、高成本、高消耗、大型综合类实验实训项目不易开展的难题，有效拓展了实验教学内容的广度和深度，延伸了实验教学的时间和空间，成为实验教学信息化改革的重要内容[1-6]. 国家和省市教育主管部门先后出台系列政策文件，从平台建设(虚拟仿真实验教学中心)到资源建设(虚拟仿真实验教学项目)，再到课程建设(虚拟仿真实验教学一流课程)，持续推进信息技术与高等教育实验教学的深度融合，各高校给予了高度重视. 如何开展以虚拟仿真实验为核心的实验课程教学改革、优化实验教学资源结构、提升实验教学资源使用效率已成为高校实验课程改革的重点.

本文以超高压物理实验技术虚拟仿真实验教学项目为核心，建设超硬材料合成与加工专题实践课程，对实验教学进行深入细致、系统化的改革，探索个性化、智能化的实验教学新模式.

1 课程建设概述

1.1 课程建设的必要性

在高压极端条件下，物质中的原子/分子距离将缩短，相互作用显著增强，从而使物质的物相、性能发生显著变化，高压技术已经成为发现和研究新物态、新现象、新材料的重要手段. 目前，工业上广泛应用的人造金刚石、立方氮化硼等超硬材料的合成就是高压物理实验技术应用与材料领域的经典案例，合成的超硬材料具有超硬度、超耐磨、耐高温、耐腐蚀等优点，广泛应用于机械加工刀具、油气勘探钻头等领域[7-8]. 将相关实验技术应用引入到本科物理实验教学中，不仅有助于学生快速掌握高压物理实验技术，理解物理学前沿成果在社会生产中应用的重要性，而且利于培养学生的科研创新精神，提升学生独立解决问题的能力. 因此，我校物理国家级实验教学示范中心对相关科研成果进行整合，转化为实验教学项目，开设了“超硬材料合成与加工”专题实践课程.

但在实际教学中，超硬材料合成所需的高压物理实验设备——六面顶液压机体积庞大，占地近百平，配套测试分析仪器价格昂贵，因此难以布置满足教学需求的设备台套数；实验操作存在一定危险性，部分仪器设备的操作要求较高，操作失误易导致设备损坏；实验过程耗时长、成本消耗较大，受实验学时和经费限制，部分实验项目难以保证全体学生都参与操作.

按照“以虚补实、虚实结合”的指导思想，以超硬材料合成过程为蓝本，开发高度仿真、互动的虚拟仿真实验教学项目，替代难以实施的实体实验项目，不仅可以提高实验教学效率，再配合实体实验教学，更有助于调动学生参与实验教学的积极性和主动性，激发学生的学习兴趣和潜能，增强学生创新创造能力.

1.2 课程建设的思路

从课程特点、课程目标、教学内容、教学方法、实践教学需求出发，开展课程建设，其建设思路主要是：

1)理论实践相结合. 高压物理理论基础、超硬材料合成理论、实验设备原理与结构、操作安全以及注意事项等理论知识教学与实验教学同步开展，注重理论联系实践，突出理论指导下的实验教学.

2)虚拟实体相结合. 依托高压物理实验平台，以超硬材料合成与分析过程为主线，构建超高压物理实验技术虚拟仿真实验教学项目，为学生提供“虚拟仿真实验+实体实验”的虚实结合实验学习条件.

3)线上线下相结合. 将线上虚拟仿真实验教学平台与线下课堂教学有机结合、互相补充，提高实验教学内容的科技时效性，丰富教学手段，实现实验预习考评、实验操作量化评定的智能化.

2 虚拟仿真实验教学项目的开发

超高压物理实验技术虚拟仿真实验教学项目是超硬材料合成与加工专题实践课程的核心资源之一. 项目以立方氮化硼超硬材料合成工艺流程为主题，建立三维虚拟实验空间，呈现实体实验场景，对8种主要实验仪器设备进行高仿真度的建模、仿真，通过虚拟操作完成实验原料的称量、热处理、压块、组装、高温高压合成、测试分析等实验环节，使学生在接近真实的视听感受中掌握工艺流程和设备操作.

2.1 虚拟仿真实验的运行架构

虚拟仿真实验教学项目的运行架构如图1所示，采用B/S架构，教师和学生根据分配的账号登录到网络平台. 教师用户能够对班级学生进行统一管理，上传课程教学资源，查看学生实验报告和实验成绩，维护题库，创建线上考试，开展线上辅导答疑. 学生用户能够查阅课程学习资料进行实验预习，运行仿真软件，提交实验报告，查看自己的学习记录、考试记录、实验报告以及学习提问等.

图1 虚拟仿真实验教学平台运行架构

2.2 虚拟仿真实验任务设计

虚拟仿真实验教学项目根据课程教学目标，以实现综合训练为目的，将虚拟仿真实验教学内容划分为3个阶段性仿真实验任务：粉体原料预处理、高温高压合成立方氮化硼烧结体、立方氮化硼样品性能测试分析.

任务1：粉体原料预处理. 如图2所示，使用虚拟电子天平根据组分设计称量所需的微纳米立方氮化硼(cBN)、粘结剂等粉体原料，并进行混合研磨. 在充分混合后，使用真空管式炉对粉体原料进行热处理，去除表面吸附杂质，形成高压烧结所需的粉体材料. 该任务重点训练学生掌握超硬材料组分的设计和使用真空管式炉.

图2 原料称量与预热处理

任务2：高温高压合成立方氮化硼烧结体. 首先，使用四柱液压机对预热处理后的粉体原料进行预压成型(图3)；随后，将预压成型的样品块与石墨加热管、绝缘堵头、石墨片、铜片、钢帽、叶腊石复合块组装成高压实验所需的合成块(图4)；最后，将合成块置于六面顶液压机中，设置高温高压合成条件，制备立方氮化硼烧结体(图5). 该任务重点训练学生掌握高压合成工艺控制.

图3 四柱液压机预压成型

图4 高压腔体组装材料

(a)六面顶液压机

任务3：立方氮化硼样品性能测试分析，该任务包括对合成样品的3方面性能进行分析.

样品物相结构XRD表征流程如图6所示：启动X射线衍射仪和循环水预热；将样品放入卡槽后关闭工作舱门；设置X射线衍射仪控制参量，获得样品数据曲线.

(a)实物测试

样品硬度测量流程如图7所示：将样品置于载物台上，操作控制软件建立连接；转动升降装置调整清晰度；运行设备获得方形压痕，测量计算样品硬度数据.

(a)实物测试

样品断裂韧性测试流程如图8所示：启动万能试验机；将样品置于压具上，控制压头置于样品块上方2～3 mm；设置仪器参量，运行测试，记录测试结果.

(a)实物测试

3 课程教学实施及教学效果

3.1 教学方法

针对不同教学环节，分阶段综合运用了多种教学方法.

1)引导演示、案例教学. 以图片、动画、3D模型、文档等多种形式将教学内容呈现在虚拟仿真教学平台上，配合以引导视频、操作案例、实体演示、教师讲解，使学生能够快速了解实验、激发参与愿望，并为实验操作做好必要知识准备.

2)任务驱动教学. 在实验操作过程中，以明确的实验任务为驱动，允许学生在一定范围内自主设计实验参量、合成条件，通过不断地正确性验证和容错式操作，查找问题、解决问题，最终形成对实验工艺流程、仪器设备操作的正确认识和对超硬材料合成原理的深度理解，提升学生自主学习、探究问题、解决问题的能力.

3)线上线下相结合的研讨教学. 线上的仿真实验使学生在高度逼真的虚拟仿真环境中体验和学习合成工艺和设备操作，并可通过平台与教师进行交互；线下组织无领导小组讨论，加强学生之间的互动，培养学生的团队协作能力.

3.2 考核评价

构建集诊断性评价、形成性评价和总结性评价于一体的阶段式评价体系.

实验前，开展诊断性评价. 对学生自身具有的认知、技能方面进行自我诊断、评价.

实验中，以形成性评价为主. 在操作过程中通过提示、反馈等功能，监督和引导实验进程，将各步实验目标的达成作为评价依据.

实验后，进行总结性评价. 学生通过线上线下讨论、协作学习、提交实验总结报告，最终对实验形成整体认识.

得益于虚拟仿真平台先进的网络技术和交互策略，使得课程考核评测自动完成，实验过程全程记录，为阶段式评价体系的建立提供了保障.

3.3 教学效果

通过对“超硬材料合成与加工”课程的学习，特别是虚拟仿真实验项目的引入，激发了学生对高压物理实验的兴趣，基于课程内容的国家级、省级大学生创新创业训练项目不断立项，其中2项高压物理实验相关项目分别入选第10、第12届全国大学生创新创业年会展示项目. 学生以高压物理实验技术为支撑，组建创业团队，从事超硬材料开发，在“互联网+”“创青春”“挑战杯”等创新创业大赛中取得了优异成绩. 超高压物理实验技术虚拟仿真实验教学项目通过“实验空间”平台向学校及社会开放访问及使用，获批成为国家虚拟仿真实验教学项目.

4 结束语

基于虚拟仿真实验教学项目的实验课程建设已成为实验教学信息化改革的重要发展方向. 本文以“超硬材料合成与应用”课程建设为例，通过虚拟仿真技术，开发超高压物理实验技术虚拟仿真实验教学资源，解决了实体实验教学所面临的人数多、设备少、空间小、能耗大、可能存在危险等教学问题. 通过构建虚实结合的多维混合式教学模式，为学生提供灵活自由的在线实验学习环境，借助完善的网络管理平台，实现教学、实验、考核、评价的闭环管理. 课程全景展现了高压物理在社会生产中的应用，高压物理实验教学的广度和深度得以拓展，为提高学生实践能力和创新素质提供了有利支撑.