交互式激光粒度分析實驗教學模式開發(fā)

舒霞 呂珺 王巖 程繼貴

摘 ?要 大型儀器設備的使用在高校本科實驗教學中占有一定比例，但由于一些主客觀因素的制約，實驗教學效果并不理想。以激光粒度分析本科教學實踐為例，詳細介紹教學視頻六個模塊的設計制作思路和交互式實驗教學模式開發(fā)過程，對大型儀器設備在本科實驗教學中的應用和新信息技術時代背景下的實驗教學改革提出幾點認識和思考。

關鍵詞 交互教學模式;實驗教學;激光粒度分析;大型儀器設備;虛擬仿真實驗教學

中圖分類號：G642.0 ? ?文獻標識碼：B

文章編號：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

高等工科院校的實驗教學在培養(yǎng)學生綜合素質、科學探索能力和促進學生認知結構轉化方面具有不可替代的作用。大型儀器設備是高校重要的物質基礎，在科研探索中起著重要作用，其科研功能的開發(fā)普遍受到重視，在高校的本科實驗教學中也占有一定比例。但由于一些現實的原因，其在教學中的應用關注不夠[1-2]，普遍存在學生真正上機操作機會少、上機學時不足、以教師演示為主的現象;又由于大型設備臺套數有限和承擔的科研任務重，本科教學實驗分組往往較粗，很多學生只是外圍觀望一下，因此，大型設備在培養(yǎng)學生的實踐能力和自主創(chuàng)新能力方面起不到應有的作用。

如何多渠道擴大大型儀器設備對本科生的開放，提高大型設備的使用效率，培養(yǎng)學生利用大型設備進行科研探索的興趣和能力，為學生的主動性和創(chuàng)造性發(fā)揮提供廣闊的空間值得探索。以提高學生綜合素質和自主創(chuàng)新能力為內涵的新實驗教學模式的構思和設計，是實現實驗教學體系不斷優(yōu)化、不斷適應時代對人才培養(yǎng)本質要求、保持先進性和活力的有效措施之一。實驗教學模式改革也必然拉動教學內容改革和課程結構優(yōu)化、教師主體地位發(fā)揮、教學管理、實驗室效能等方面的創(chuàng)新和上水平[3-4]。本文以激光粒度分析本科教學實踐為例，探討交互式實驗教學模式開發(fā)思路和過程。

2 激光粒度分析教學中存在的問題

Mastersizer 2000激光粒度分析儀（附件為Hydro 2000MU，以下簡稱MS2000）為英國馬爾文公司進口設備，2003年購置，原值32萬元，自購置以來一直用于本科實驗教學。激光粒度分析是無機非金屬材料專業(yè)和粉體工程專業(yè)粉體工程粒度測試綜合實驗課程、金屬材料工程專業(yè)金屬材料工程基礎實驗重要內容之一，每學年面向240多名本科生開設本科教學實驗，還為相關專業(yè)的本科生畢業(yè)設計、研究生論文研究以及教師科研提供服務，但在教學和科研中一直存在一些問題需要解決。

1）激光粒度儀為全封閉結構，實驗教師在指導實驗時很難將儀器構造、原理、操作方法講解透徹。為了講解儀器構造，需要反復拆卸樣品池，每次測試前光路必須重新對光，不僅延長實驗時間，也對儀器的正常使用造成隱患;若只對著全封閉設備泛泛講解，學生又無法獲得感性認識，實驗教學效果很不理想。

2）隨著專業(yè)認證和本科教學審核性評估工作的深入，對實驗教學的要求越來越高，特別是實驗分組人數有嚴格限制。目前全院僅有一臺激光粒度儀，已服役超15年，雖然在專職實驗教師的精心維護下仍能正常使用，但隨著實驗教學任務加重，儀器設備的維護工作量和成本逐年增加。

3）一些在本科階段沒有接觸過激光粒度分析的研究生缺乏相關知識，有的學生對于樣品的前期處理、如何分散、如何配合教師完成測試等一無所知就來做粒度測試，存在很大的盲目性，因而不能很好地發(fā)揮出儀器的作用。

為此，設想以培養(yǎng)學生能力為核心，采用現實與虛擬互補、理論與實踐結合的方法，開發(fā)一整套關于激光粒度分析的教學軟件，構建一種交互式新型實驗教學模式，提升本科實驗教學的層次和質量，以期更好地發(fā)揮大型儀器的功能和作用。

3 交互式激光粒度分析實驗教學模式開發(fā)

文獻、資料的收集與整理 ?廣泛搜集研讀關于MS2000的資料，包括儀器用戶說明書、中英文論文[5-9]、培訓PPT （MS2000激光粒度分析儀基本測量、數據質量介紹、影響樣品測量結果的因素分析等）、粒度測試標準等，并查找與項目有關的信息。在消化、理解文獻資料的基礎上，項目組成員反復討論交互式教學模式以什么方式呈現出來，經過精心準備、制作和修改，最終開發(fā)出一套以激光粒度測試視頻和交互式學習動畫為主的教學軟件，分為“儀器簡介”“測試原理”“儀器結構”“測試視頻”“交互學習”“關于我們”六個模塊，全面介紹MS2000的功能、構造、測試原理和操作規(guī)程。六個模塊既各自獨立又相互關聯，是一個可供靈活使用的教學軟件，開始界面如圖1所示。

六個模塊

1）儀器簡介。儀器簡介模塊介紹了儀器型號、購置時間、原值和功能特性，使學生對儀器有一個總體的了解。

2）測試原理。測試原理模塊包括MS2000激光衍射儀測試范圍、儀器系統主要組成、等效球原理、其他測量技術簡介、激光衍射法的原理、衍射光路圖、Mie理論和通過反演法獲得粒度分布結果等主要內容。

激光粒度衍射法的理論知識部分主要由任課教師課堂講解。實驗課上為了讓學生更好地理解測試原理，盡可能快而全面地了解實驗儀器，除制作激光衍射光路圖懸掛墻上外，綜合考慮時間與效果，教學軟件以“動畫替代圖片、圖片替代文字”的思路，將測試原理理論性的概念用視覺方式呈現出來。整個測試原理模塊在原有教學用PPT內容的基礎上通過Mac OSX操作系統的幻燈片軟件Keynote制作而成（Keynote的視覺呈現比PPT更高級），同時借助于三維軟件的單幀渲染定制視圖元素，如圖2示例，“幻燈片動畫”界面和內容設計更具圖形化，也更加生動形象。

制作過程中從色彩心理學的角度充分考慮主配色，畫面的色彩、畫質、圖像均經過精心設計和完善，提供了“翡翠綠—天青石藍漸變”和“灰黑色”兩種方案，用以改善在不同光照環(huán)境下的觀看體驗，如圖2所示。整個測試原理模塊力爭做到深入淺出，提升學習的趣味性，幫助學生更好地學習和理解。

在了解測試原理的基礎上，接下來是儀器如何實現粒度測試的問題，轉入儀器結構模塊。

3）儀器結構。MS2000為大型進口設備，防塵級別要求高，主機內置電路和光學組件為全封閉結構。交互式教學模式開發(fā)的一個明確目標就是將儀器的內部結構呈現出來，傳統的教學模式采用相片和結構圖的方式呈現儀器內部結構，對于結構單一、操作簡單的儀器來說尚且適用，但對于MS2000這樣復雜的設備則不能很好地表現。

在仔細研讀資料的基礎上，采用逆向建模、三維動畫和測繪過程的物理抽象等方式進行內部結構的表現，將主機結構圖分解為光源系統、光路系統、樣品池、檢測器系統、驅動系統和附件等部分，并對主要零部件進行測繪和制作。整個制作過程包括“數據測量—三維建?！獢z像機動畫—材質調試與燈光構建—渲染”五個步驟。

大部分結構動畫更多地側重于原理和結構展示，為了做得更好，也為了配合產品級渲染和3D攝像機運動的靈活性，結構動畫制作采用對硬件要求不高但渲染質量和動畫優(yōu)化更好的Cinema 4D軟件;基礎建模采取Mesh網格加Nurbs曲線方法進行等比例繪制，儀器精度達到螺栓級別，盡可能用已有數據還原出最多的結構設計特征。同時，為了從各個角度展示設備細節(jié)和測量過程，在軟件中設定了14臺虛擬攝像機，從不同角度、不同運動軌跡、不同焦段進行拍攝，并逐幀制作“爆炸圖”，展示結構動畫部分。圖3、圖4為正在實施中的建模界面示例。

為了達到產品級效果，搭建“3D影棚”，增加光源模擬產品攝影的布光，虛擬影棚幕布，設定凹凸紋理來增強漫反射效果;并在燈光環(huán)境下調制材質，盡可能模擬真實儀器的材質，制作三個攜帶Alpha通道的材質球，并針對塑料、金屬噴丸噴漆、熱處理金屬、機加工金屬部件制作對應的材質球。為了表現粒度測試的光學原理，制作攜帶自發(fā)光通道的材質球來模擬激光從發(fā)生器沿光路穿過樣品池到傳感器的過程。這一部分經過多次迭代和反復微調， 達到預期效果，逼真、生動。

圖5為揭開主機罩后的設備光路組件結構圖和衍射光路動畫視頻界面截圖示例。整個“儀器結構”模塊動畫視頻播放時間只有短短的53秒，是在充分解析設備構造、每個零部件功能、光路、激光衍射原理的基礎上精心制作完成的，是整個項目中最核心的部分，也是工作量最大的一部分。

儀器結構模塊揭開了儀器主機罩下的神秘面紗，學生通過觀看“儀器結構”，獲得直觀的感性認識，將進一步加深對實驗測試原理的理解，實驗教學的效果將得到明顯增強。

在學習了“測試原理”“儀器構造”的基礎上，下一步就是如何使用儀器進行測試，轉入“測試視頻”模塊。

4）測試視頻。根據激光粒度測試實驗教學的開展特點設計詳細的拍攝計劃，包括拍攝場景、道具、人員安排等，并進行排練和拍攝，然后進入制作。按照實驗進行的順序確定七個拍攝場景，包括：學生來到實驗室，想測試樣品的粒度，教師和學生之間簡單交流;設備簡介;開機，開電腦，測量前的儀器準備;樣品的預處理;添加樣品，準備測量;參數設置，樣品測量;測量完畢，打印結果，結果分析等。

準備的拍攝道具包括粉末樣品、去離子水、燒杯、滴管、試樣勺、攪拌棒、超聲波清洗機等。

視頻的后期剪輯、編排和制作遵循實驗教學和樣品檢測分析流程要求，簡明扼要，對操作中需要注意的細節(jié)進行重點關注，配有語音和字幕講解。學生在未實際動手做實驗前先觀看視頻，將起到很好的引導作用;在實操完成后再觀看視頻，又起到溫故而知新的作用，還可以根據需要有選擇地反復學習，充分調動自主學習興趣。

5）交互學習。為了讓學生進一步掌握激光粒度測試過程，加深對測試原理的理解，探究測試細節(jié)問題，根據激光粒度分析實驗步驟，截取軟件界面，制作“交互學習”模塊。交互學習動畫分為十一步，每一步均有測試軟件界面并配有注釋。交互動畫成為引領學生完成激光粒度分析全過程的指導性文件，一位初次接觸激光粒度測試的學生根據交互學習動畫的一步步指導，可以輕松地完成線上模擬測試。

傳統僵化單一的教學模式不利于充分發(fā)揮實驗的教育教學功能，不能積極調動學生發(fā)揮主體作用，“問題—操作”式交互教學模式在培養(yǎng)學生問題意識、探究意識、克服實驗中遇到的困難意識等方面作用顯著[10]。交互動畫中設計“注意事項”“小知識”“觀看報告解析動畫”等按鈕，讓學生在瀏覽過程中帶著問題學習。通過“小知識”等按鈕，進一步了解需要注意的重點步驟和關鍵參數的內涵與意義，包括測試準備需要注意的事項、SOP標準操作程序與手動測量、樣品的光學參數選擇、儀器如何對光、遮光度的要求、重現性和重復性的含義等。學生通過點擊“小知識”按鈕，繼續(xù)深入學習。這種交互教學模式幫助學生將理論知識綜合集成，圍繞特定主題或問題開展再創(chuàng)新，當完整地學習完一套交互動畫后，學生對激光粒度分析的認識將獲得全面提升。這一點對于沒有參加過激光粒度測試本科實驗的研究生同樣具有較大的學習價值。

6）關于我們。這一模塊公開了設備管理和軟件開發(fā)的相關信息，方便學生和對本設備感興趣者進行交流聯系;并預留了“預約”按鈕，可以并入高一級分析測試平臺，實現資源共享。

4 交互式激光粒度分析實驗教學模式應用

一整套交互式激光粒度分析實驗教學軟件已經在本科粉體工程粒度測試綜合實驗課程中開展試用，學生反映良好。在教學中通過組織學生觀看測試視頻，開展部分虛擬實驗教學，引導學生自主學習，深化理解實驗原理和操作細節(jié)，學習過程變得更加生動有趣;實驗教師在講解儀器結構時不再無所表達，學生對內部結構也不再霧里看花;學生積極參與討論，展開交互學習，現實與虛擬實驗的結合豐富了教學內容，延伸了知識鏈和技能鏈;部分虛擬實驗教學也在一定程度上緩解了儀器臺套數不足的問題，在教學中將一大組學生分為三個小組（每組<8人），通過觀看視頻—實際操作—交互學習三個環(huán)節(jié)依次進行，可以滿足專業(yè)認證和本科教學審核評估對實驗教學的分組要求。下一步計劃將這一整套教學軟件結合慕課技術和雨課堂等智慧教學模式制作成為預習課件，推送給學生，滿足學生異步自學型在線學習的需求，并將在研究生中進一步推廣和完善。

5 關于新時代高校實驗教學的認識與思考

隨著網絡、智能和信息等先進新技術的發(fā)展，教育形態(tài)正在被重塑，知識的獲取方式和傳授方式、教與學的關系正在發(fā)生深刻改變。實驗教學是高等教育的重要組成部分，教學理念、模式、方法及手段都應主動適應變革?；诩す饬６确治霰究平虒W實踐的交互式實驗教學模式開發(fā)，獲得以下幾點認識與思考。

以學生獲得感為中心，加強實驗教學改革 ?近10年來全國普通高校實驗室條件得到大幅改善，實驗儀器設備總值實現跨越式發(fā)展，大型設備很多都是進口購置，價格昂貴，資源稀缺，操作技術要求高，一旦損壞維修周期長，維修經費緊張，其用于教學確實存在很多困難。因此，大型設備的實驗教學要突破傳統的習慣，要在實驗教學理念上實現突破。貫徹以學生為中心的宗旨，堅持實驗教學服務于人才培養(yǎng)，堅持改革創(chuàng)新以學生的獲得感為中心，以實驗項目為載體，構建以完成特定的綜合性實驗項目為主的新時代高校實驗教學模式。

實驗教學手段的創(chuàng)新是培養(yǎng)創(chuàng)新型高素質人才的技術保障。近年來的教育改革實踐表明，整合教育資源于在線學習、混合式學習和協作學習，能夠有效克服傳統教學難以為學生提供更多實踐學習機會的不足。以多媒體、人機交互技術、可視化技術、仿真技術、網絡通信等信息技術應用為基礎的虛擬仿真實驗教學模式，適應了新時代高等教育開放辦學、資源共享的變革[11]。但是目前從首批100多個國家級虛擬仿真實驗教學中心的資源統計數據來看，各高校自行研發(fā)、具有自主知識產權的虛擬仿真實驗教學資源相對較少[12]。本研究遵循教育部推行的虛擬仿真實驗教學工作“虛實結合，能實不虛”的理念，基于多年實驗教學的積累，將積累的實驗教學資源進行整合處理，開發(fā)出一套有助于理解、開展實驗的教學視頻文件，學生可以隨時線下觀看和交互學習，彌補了面對面教學中的缺陷，提升了實驗教學效率和層次;也為此類大型進口、單臺設備的實驗教學改革提供了一個范例，為升級為虛擬仿真實驗項目奠定了基礎。

加強高校實驗教師隊伍的現代化建設 ?作為一名材料專業(yè)實驗教師，對于該項目所需要的信息技術的運用無疑是短板。本項目研究初期聯系了近幾年與高校合作虛擬仿真實驗項目開發(fā)的幾家團隊，了解到費用較大。在實際經費有限的情況下，項目實施過程確實做到了以實驗項目為載體，針對激光粒度儀的結構、測試原理和交互動畫設計等問題不斷地探究和實踐，教師和學生的創(chuàng)新意識和綜合潛能都得到極大激發(fā)，最終構建了一套完整充實的實驗教學內容。

團隊成員通過此實驗教學項目的開發(fā)收獲很大，同時清楚地認識到高校實驗教學水平現代化對實驗教師隊伍素質提出更高的要求。近幾年，高校實驗教學隊伍整體的學歷水平在快速提升，但實驗項目的開發(fā)能力和完成能力還有待進一步提高。實驗教師和實驗技術人員是實驗室教學工作的主要力量，要發(fā)揮實驗教學理念改革的主力軍作用;要加大培訓和后續(xù)培養(yǎng)力度，提升實驗教學隊伍的教學水平和教學改革能力;并通過人才評價機制和職稱改革政策等調動實驗教學隊伍的積極性、主動性和創(chuàng)造性[13]。

建立資源開放共享的管理體制和運行機制 ?本項目開發(fā)的實驗教學模式還有待于繼續(xù)完善，應進一步加大基于新信息技術的實驗教學模式的開發(fā)力度，融合其他實驗項目，形成相關專業(yè)的實驗項目群，構建具有專業(yè)特色的、系統性架構的綜合性、設計性實驗教學內容，既可以作為課程中的實驗內容，又可以獨立設課，并積極參與虛擬仿真實驗教學項目建設。

本項目開發(fā)的教學視頻和其他虛擬仿真實驗教學資源都是一種典型的智力勞動成果，既包含了經費投入，也凝聚著開發(fā)者的心血與才智，是有價值的。本視頻第三大模塊，也是核心內容，已進行“作品著作權登記”申報。在網絡信息化時代，對資源的無限制傳播與使用將嚴重侵犯知識產權權利人的合法權益，對其知識產權的保護體現了對資源開發(fā)者心血、創(chuàng)意的認可與尊重[12]。嚴格遵守相關法律規(guī)定，建立有利于資源開放共享的管理體制和運行機制，保護資源開發(fā)者的合法權益，才能激勵教師投身于教學改革，讓教與學釋放更多能量。

致謝：感謝合肥工業(yè)大學陳牧圓（學號：2016210929）、呂源豐（學號：2016211164）兩位同學參與項目研究工作，感謝馬爾文公司技術人員提供技術支持。

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