二組分金屬相圖虛擬仿真實驗應(yīng)用思考

薛 莉，孫秀玉，成英之，莊淑娟，周子彥，禚淑萍

(山東理工大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，山東 淄博 255000)

相圖是用來研究體系的狀態(tài)隨溫度、濃度、壓力等變量的改變而發(fā)生變化的圖形[1-2]。二組分金屬體系相圖在實際生產(chǎn)中具有重要的應(yīng)用價值。二元金屬相圖的繪制是許多高校開設(shè)的物理化學(xué)實驗之一[3-9]，但此經(jīng)典實驗存在操作溫度高，對溫度控制技術(shù)要求高，金屬耗材使用量大、成本高，升溫后金屬揮發(fā)容易污染環(huán)境等實際困難[9]，不夠安全也不夠環(huán)保。因此該實驗非常適合以虛擬實驗的形式進(jìn)行建設(shè)并對學(xué)生開放。學(xué)生通過該虛擬仿真實驗，不僅可以將課堂所學(xué)知識與實際應(yīng)用相結(jié)合，對繪制二組分固-液相圖常用的熱分析法的原理、步冷曲線的特點以及如何根據(jù)步冷曲線折變溫度繪制相圖等知識有更加深入的理解，還能在安全環(huán)保的前提下，提升自己的實踐技能和分析解決問題的綜合能力，實現(xiàn)物理化學(xué)實驗教學(xué)的最終目的。

1 二組分金屬相圖虛擬仿真實驗簡介

目前較為成熟的線上Sn-Bi二元金屬相圖虛擬仿真實驗采用3D模型模擬實驗室真實環(huán)境，可以在多視角下通過鍵盤和鼠標(biāo)控制移動和取放試劑、器材等。實驗主要包括兩部分：課前預(yù)習(xí)部分和實驗部分。課前預(yù)習(xí)主要是實驗?zāi)康暮蛯嶒炘淼膶W(xué)習(xí)。通過該部分的學(xué)習(xí)，學(xué)生不僅可以達(dá)到復(fù)習(xí)二組分金屬相圖的相關(guān)知識的目的，還能提前熟悉實際的熱分析法實驗中步冷曲線的特點，為即將開始的實驗做好知識準(zhǔn)備。實驗開始后，首先是認(rèn)識實驗中使用到的所有儀器和試劑，然后可以在演示模式或者提示模式下，按照實驗步驟開始實驗。實驗步驟主要包括：(1)開啟計算機(jī)中的溫度記錄軟件并錄入樣品信息；(2)按照提示設(shè)置好加熱的最高爐溫，將不同Sn/Bi配比的不銹鋼樣品管放置到可控升降溫電爐中，插入溫度傳感器并開始加熱；(3)待到達(dá)設(shè)定溫度后，通過軟件記錄樣品降溫過程的步冷曲線；(4)依次對所有樣品展開實驗并記錄步冷曲線。在熟悉整個實驗過程后，學(xué)生可以在考核模式下獨立進(jìn)行實驗操作，由系統(tǒng)判分并形成操作報告。

2 二組分金屬相圖虛擬仿真實驗優(yōu)缺點分析

在2019-2020學(xué)年第二學(xué)期，山東理工大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院應(yīng)用化學(xué)專業(yè)2019級4個班的學(xué)生在學(xué)習(xí)完相圖部分的理論課內(nèi)容后，開展了二組分金屬相圖虛擬仿真實驗。通過4輪實驗的使用，我們收集了教師和學(xué)生對于該實驗的反饋，并進(jìn)行了整理和總結(jié)。

2.1 優(yōu)勢

2.1.1 3D虛擬仿真實驗容易激發(fā)學(xué)生興趣，提高學(xué)生的參與度

該虛擬實驗仿真度高，儀器設(shè)備等都非常接近真實實驗，界面友好，電腦操作快捷方便，有游戲般的互動體驗，更容易引發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。在傳統(tǒng)物化實驗中由于實驗儀器套數(shù)有限，需2人一組進(jìn)行實驗，一些參與意愿較低的學(xué)生往往在實驗過程中“袖手旁觀”，實驗結(jié)束后抄好數(shù)據(jù)“交差”，不能很好的達(dá)到鍛煉動手能力的實驗教學(xué)目的。虛擬仿真實驗必須人人參與，親自動手，對于平時在實驗課上“懶于動手”的學(xué)生是一種有效督促，有利于教學(xué)目的達(dá)成。

2.1.2 實驗的進(jìn)行不受時間和空間限制

由于物化實驗課涉及內(nèi)容較多，但儀器套數(shù)有限，因此多采用理論課和實驗課同步開課的模式，這就造成了部分學(xué)生做實驗時還沒有學(xué)到相關(guān)理論課內(nèi)容的情況。即使實驗老師認(rèn)真講解整個實驗過程，學(xué)生也很難在短時間內(nèi)消化所有內(nèi)容，做實驗時抓不住重點，很難達(dá)到用實驗驗證理論知識的目的。而該虛擬仿真實驗通過學(xué)生訪問實驗網(wǎng)頁完成，不受儀器套數(shù)和實驗室容量限制，學(xué)生可以在學(xué)完相圖部分相關(guān)知識后自主在網(wǎng)頁上完成該實驗，使理論知識學(xué)習(xí)和實驗探索緊密連接，相輔相成，有利于學(xué)生對于相圖部分知識的深入理解。

2.1.3 實驗現(xiàn)象和結(jié)果直觀，減少了等待時間，提高了實驗效率

在傳統(tǒng)的二組分金屬相圖實驗中，學(xué)生需要反復(fù)加熱5～6個不同Sn/Bi配比的樣品，并記錄冷卻過程的溫度點。整個實驗過程持續(xù)時間長，每個樣品的數(shù)據(jù)點多達(dá)25～80個，在實驗過程中很難立刻發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中的問題，只有在實驗后通過繪制步冷曲線才能發(fā)現(xiàn)實驗數(shù)據(jù)中可能存在的問題。在虛擬仿真實驗中，不僅可以通過快速升降溫減少等待時間，而且降溫階段可直接觀測樣品的步冷曲線，獲得更加直觀的實驗結(jié)果反饋。既達(dá)到了實驗驗證的目的，也提高了實驗的效率。

2.1.4 方便對實驗的學(xué)習(xí)和考核

學(xué)生可以在演示模式或提示模式下反復(fù)練習(xí)實驗操作，在熟練掌握實驗過程后可選擇進(jìn)入考核模式。完成實驗后，系統(tǒng)自動判分并形成操作報告，既方便學(xué)生及時發(fā)現(xiàn)問題，提高學(xué)習(xí)的主動性，也方便教師管理實驗進(jìn)程，及時督促和幫助學(xué)生完成實驗。

2.2 存在的問題

2.2.1 實驗程序相對固定，自主探索空間小

在目前的二組分金屬相圖虛擬仿真實驗中，實驗步驟和操作被嚴(yán)格限定，只能按照提示對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，留給學(xué)生的探索空間較小。例如在選擇不同Sn/Bi配比樣品的加熱溫度時，系統(tǒng)直接給出了參考溫度，不按照此數(shù)值輸入則實驗無法繼續(xù)。這樣的設(shè)置過于簡單，學(xué)生在操作實驗中容易產(chǎn)生“懈怠”情緒，希望通過虛擬仿真實驗獲得真實實驗體驗的期望值被大大降低。

2.2.2 實驗過程中互動較少，不利于獨立思考能力的培養(yǎng)

虛擬仿真實驗不以鍛煉動手能力為主，而是以觀察實驗現(xiàn)象和思考實驗中的問題為主。在網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行的虛擬仿真實驗很大程度上減少了師生之間和學(xué)生之間的互動交流，主要是學(xué)生自己在按照實驗步驟操作。因此，如何在實驗過程中加強(qiáng)人機(jī)互動，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注實驗現(xiàn)象，并思考如何用課堂上學(xué)習(xí)到的理論知識解釋實驗現(xiàn)象和實驗結(jié)果，避免成為“電腦操作工”，也是虛擬仿真實驗設(shè)計時應(yīng)該注意的問題。

2.2.3 實驗結(jié)果過于“一致”，不利于實驗中“關(guān)鍵問題”的發(fā)現(xiàn)

在實際的二組分金屬相圖實驗中，由于實驗操作過程中每個學(xué)生對實驗原理和注意事項的掌握程度不同，動手能力也存在差異，因此學(xué)生獲得的實驗數(shù)據(jù)往往千差萬別，有的學(xué)生得到的步冷曲線甚至無法分辨拐點和平臺溫度，造成繪制的相圖出現(xiàn)較大偏差。在虛擬仿真實驗中，由于流程固定，完成實驗后的輸出結(jié)果是固定的，都是“成功的”。學(xué)生對于實驗的不同掌握程度很難通過結(jié)果反映出來，容易給學(xué)生造成“熱分析法實驗操作很簡單”的印象，實驗條件的選擇和實際操作與實驗結(jié)果之間的因果關(guān)系被弱化，不利于學(xué)生通過自己的努力發(fā)現(xiàn)影響實驗成敗的關(guān)鍵問題。

3 二組分金屬相圖虛擬仿真實驗設(shè)計建議

目前，虛擬仿真實驗在實驗教學(xué)中的應(yīng)用越來越受到重視[10-11]。它在教學(xué)中起到的兩個最重要作用是預(yù)習(xí)/復(fù)習(xí)和拓展[11]。對于那些易于在實驗室開展的、安全性和環(huán)保性都較好的實驗，可以通過程序化程度較高的、具有演示功能的虛擬仿真實驗幫助學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)或者熟悉實驗的目的、原理、步驟等，既可以為進(jìn)入實驗室后開展實際實驗做好準(zhǔn)備，也可以幫助學(xué)生在實驗結(jié)束后或考核前復(fù)習(xí)整個實驗流程。對于二組分金屬相圖這種具有一定安全性和環(huán)保問題的實驗，實際開設(shè)具有一定的困難和隱患，可以開發(fā)成拓展型虛擬仿真實驗。為了達(dá)到實驗的教學(xué)目標(biāo)，該實驗中應(yīng)設(shè)計更多人機(jī)互動，讓學(xué)生有更多的“嘗試”和“選擇”；利用虛擬仿真實驗快速高效的特點，實時將不同的實驗條件或操作的實驗結(jié)果反饋給學(xué)生，讓學(xué)生通過自己的探索總結(jié)規(guī)律、發(fā)現(xiàn)問題，在相同的時間內(nèi)獲得比實際實驗更多、更全面的體驗和鍛煉。為達(dá)到以上目的，我們在分析了目前使用的二組分金屬相圖虛擬仿真實驗中的問題后，進(jìn)行了認(rèn)真的思考，提出以下仿真實驗的設(shè)計和修改建議。

3.1 實驗前

在學(xué)生對實驗?zāi)康暮驮硗瓿勺灾鲗W(xué)習(xí)后，可在線布置查閱Sn、Bi金屬熔點、實驗注意事項、實際實驗操作視頻等相關(guān)資料的任務(wù)。完成自學(xué)和查閱資料的任務(wù)后，可通過實驗前的在線測試考察學(xué)生對實驗內(nèi)容的掌握情況。通過了測試的學(xué)生可以正式開始實驗，測試結(jié)果可以作為學(xué)生預(yù)習(xí)報告分?jǐn)?shù)的參考。

3.2 實驗中

1)在設(shè)置不同Sn/Bi配比樣品的加熱溫度時，只限定輸入溫度上限并給出警示提醒。在降溫階段，根據(jù)學(xué)生設(shè)定的加熱溫度給出全部或者部分(加熱溫度設(shè)定過低)的步冷曲線數(shù)據(jù)，讓學(xué)生通過實驗結(jié)果認(rèn)識到加熱溫度設(shè)置對于相圖繪制的影響。

2)在樣品的降溫階段，提供至少2個降溫速率供學(xué)生選擇，根據(jù)降溫速率給出相應(yīng)步冷曲線。步冷曲線的拐點和平臺是否能清晰出現(xiàn)與降溫速率有很強(qiáng)的相關(guān)性[5]。降溫速率較快時，步冷曲線上表示降溫速率差異的折點將變得不明顯，而平臺也會變短甚至變成下滑的曲線而難以分辨(參見圖1a)；降溫速度較慢時，系統(tǒng)和環(huán)境溫差小，步冷曲線的拐點和平臺將變得明確而清晰，易于判斷(參見圖1b)。學(xué)生通過嘗試不同實驗條件，可以獲得實時反饋的不同形態(tài)的步冷曲線，很容易通過比較發(fā)現(xiàn)其中的差異和優(yōu)劣，并思考該差異產(chǎn)生原因，收獲在理論課上很難涉及到的實踐知識。

圖1 Sn-Bi二組分系統(tǒng)步冷曲線示意圖

3)在純組分和混合樣品的步冷曲線繪制部分，當(dāng)曲線上出現(xiàn)拐點或平臺時，可在線適時提出計算共存相數(shù)和條件自由度等問題，考察學(xué)生對于單組分和二組分系統(tǒng)自由度計算等理論課內(nèi)容的掌握情況。學(xué)生對于在線問題的解答將作為實驗操作分?jǐn)?shù)的參考。

4)建議在虛擬實驗中設(shè)置互動交流區(qū)。學(xué)生在做實驗的過程中進(jìn)行的思考和發(fā)現(xiàn)的問題可以在線與老師和同學(xué)們交流，增加師生間的互動，便于實驗老師掌握學(xué)生學(xué)習(xí)效果和實驗中的問題。

3.3 實驗后

在虛擬仿真實驗進(jìn)行時，實驗結(jié)果以步冷曲線的形式直觀呈現(xiàn)；但實驗結(jié)束后建議結(jié)果以數(shù)據(jù)形式輸出。學(xué)生根據(jù)數(shù)據(jù)處理要求，自行選擇相關(guān)軟件(例如Excel或Origin)進(jìn)行步冷曲線和相圖的繪制。虛擬仿真實驗可以在線提供繪制該類曲線的指導(dǎo)文件供學(xué)生參考，并督促學(xué)生在規(guī)定時間內(nèi)完成在線實驗報告的撰寫和提交。此外，還可以在網(wǎng)頁上提供有關(guān)相圖繪制技術(shù)的拓展閱讀，以及不同二元金屬的實際相圖，使學(xué)有余力和有興趣的同學(xué)能進(jìn)行深入的學(xué)習(xí)。

4 結(jié)語

隨著計算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，虛擬仿真實驗在近十年來發(fā)展迅速，成為物理化學(xué)實驗教學(xué)的重要組成部分。它不僅可以在正常教學(xué)環(huán)境中實現(xiàn)輔助實驗教學(xué)的目的，還可以在特殊時期突破地域限制，通過網(wǎng)絡(luò)幫助學(xué)生完成實驗課的學(xué)習(xí)。對于二組分金屬相圖這種實際開設(shè)有一定安全隱患的實驗來說，如何使虛擬實驗的操作更貼近實際實驗，在同樣的時間內(nèi)利用“虛擬”優(yōu)勢提高實驗效率，使學(xué)生通過在“云端”的實驗收獲比實際實驗更多的經(jīng)驗和知識，是我們所有老師和設(shè)計人員下一步的努力目標(biāo)。