基于虚实结合的混合式实验教学方法探索与实践

来婧娟　武元鹏　西宇辰　刘丽

［摘 要］ 扫描电子显微镜作为高等院校检测和分析材料的一种重要大型精密仪器，在材料科学中具有非常广泛的应用价值。针对传统实验教学中存在的诸多问题，通过虚拟仿真技术开发了扫描电子显微分析虚拟仿真实验教学系统，探索并实践了以虚拟仿真实验教学和实体实验教学有机结合的混合式实验教学方法。突破传统实验教学中时间、空间及教学方法的局限，丰富了实验教学内容和手段，激发教师的教学活力，调动学生的学习兴趣和积极性，切实提高实验教学质量，助力材料类专业对兼具创新意识和实践能力创新型人才的培养。

［关键词］ 扫描电子显微分析；虚实结合；实验教学方法

［基金项目］ 2021—2023年四川省高等教育人才培养质量和教学改革项目“基于‘政产学研用协同合作的行业高校材料类创新人才培养的探索与实践”（JG2021-589）；2022年度四川省产教融合示范项目“四川省光伏产业产教融合综合示范基地”（川财教〔2022〕106号）；2021年度成都市鼓励校地校企合作培养产业发展人才项目“太阳能产业高素质应用型复合人才校企联合培养”（成财制〔2021〕2号）

［作者简介］ 来婧娟（1982—），女，山西大同人，博士，西南石油大学新能源与材料学院实验师，硕士生导师，主要从事大精仪器设备管理和功能高分子材料研究；武元鹏（1981—），男，山西运城人，博士，西南石油大学新能源与材料学院教授，博士生导师（通信作者），主要从事实验室建设与管理和功能高分子材料研究；刘 丽（1976—），女，陕西富平人，学士，西南石油大学新能源与材料学院高级实验师，硕士生导师，主要从事腐蚀与防护实验和实验管理研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A［文章编号］ 1674-9324（2024）07-0093-04［收稿日期］ 2023-01-30

引言

扫描电子显微分析技术是高校材料学及其相关专业核心课程“材料分析方法”中具有实用价值的重要分析技术，对于培养学生的工程实践能力和创新能力具有非常重要的作用。然而，受限于仪器台套数、教学场地、时间约束以及仪器装置的特殊性，目前在各高校实体教学过程中，在培养学生全面实践创新能力方面受到了很多限制，提供给学生实际上机操作的机会较少，导致学生对仪器相关知识的理解和掌握仅停留在抽象理论知识层面，动手及解决实际问题等能力均无法得到有效提高，教学效果欠佳。随着教育部启动的“六卓越一拔尖”计划2.0对高校新工科建设的不断推进和对高水平复合型科技新工科人才培养战略目标的进一步提出［1］，对高校材料类学科创新型人才的培养提出了更高的标准，对旨在提高培养学生创新意识和实践能力的实验课程教学质量也提出了更高的要求，因此实验教学改革迫在眉睫。本文以“材料分析方法”课程中具有实用价值的“扫描电子显微分析实验”课程为例进行探索和研究。

一、传统实验教学中存在的问题

（一）实验教学模式单一

扫描电子顯微分析传统实验教学通常采用单向传导的教学模式，即以教师为主导，向学生单向传授相关知识的教学模式。一般先由教师对仪器相关内容进行讲解，使学生大致了解扫描电镜的原理、结构及实验要求和注意事项，然后由教师进行演示操作，学生分组观看实验演示，记录观察到的实验数据，采集图像并分析后提交实验报告。这种实验教学模式在很大程度上难以调动学生的主观能动性，严重阻碍了学生的创造性发展。

（二）学生参与度低

由于扫描电子显微镜属于大型精密仪器，价格昂贵、维护成本高，且承担任务重，通常除用于本科实验教学外，还承担科研实验表征分析。为避免学生由于操作不当而造成仪器损坏，在传统实验教学中，大多只能采用示范性教学；受限于仪器台套数、教学场地以及时间空间等因素，无法满足学生的实操需求，学生的参与度不高。另外，由于扫描电镜等大型仪器的操作相对比较复杂，学生仅凭观摩教师操作和学习抽象理论知识，很难全面掌握扫描电子显微分析测试方法和实操技能。

（三）实验教学效果无法达到预期

扫描电镜仪器精密，结构复杂，其中的真空系统、电子束系统、成像系统以及很多精密部件结构无法通过现场拆装为学生形象具体地讲解，且涉及的理论知识相对比较抽象，仪器一旦开始运行，处于高真空状态，无法直观地看到内部电子束跃迁及运动形式。在教师传统实验教学的“填鸭式”抽象理论灌输下，学生靠机械记忆的方法很难深入理解仪器测试的工作原理，并难以真正掌握扫描电子显微分析方法的相关知识，在很大程度上影响了学生对知识的探求和对新知识学习的热情，阻碍了学生创新意识和实践能力的培养。

二、虚拟仿真实验教学系统构建的必要性

要提高“扫描电子显微分析实验”课程教学质量和调动学生的积极性，最有效的解决办法是充分利用各种资源，改善实验教学方法、丰富实验教学内容，从而调动学生的学习兴趣和积极性，让学生有更多的机会进行扫描电镜的操作，真正掌握仪器的工作原理及测试分析方法等。引入现代信息技术［2］，利用虚拟仿真技术构建扫描电子显微分析虚拟仿真实验教学系统，将传统实验教学中难以实现的部分，在虚拟环境中实现。通过构建多场景、多输入的实验理论学习及虚拟操作环境，学生能够通过虚拟交互平台，大胆尝试、自主反复学习，突破传统实验教学中时间、空间及传统教学方法的局限，使实验教学模式更加多样、教学过程更加安全高效，使学生能够更加深入理解并掌握扫描电子显微分析过程中的抽象理论概念及仪器分析测试方法，很好地解决传统实验教学过程中存在的问题，达到理想教学目标［3-6］。

三、基于虚实结合的混合式实验教学方法探索

（一）虚拟仿真实验教学系统的科学构建

我校新能源与材料学院虚拟仿真教师团队根据实验教学大纲要求，以“材料分析方法”课程中扫描电子显微分析内容为理论基础，以扫描电子显微分析实验室现场环境为原型，采用虚拟仿真技术搭建了集学、练、考等功能于一体，且可以进行虚拟交互操作的扫描电子显微分析虚拟仿真实验教学系统，模拟了扫描电子显微分析测试过程中的样品准备、测试过程及分析流程等重要环节。根据教学目标、教学重点及难点，该实验教学系统设置了基本原理、仿真操作、安全须知和理论测试等四大功能模块。

在基本原理模块和安全须知模块，根据课程的教学重点与教学目标，通过配有相关文字说明的图片、视频及三维动画演示，将仪器构造、工作原理、成像原理以及仪器使用安全注意事项等相关知识点嵌入虚拟教学系统平台，尤其用三维动画形式演示了一些抽象理论，能够帮助学生更快更好地理解并掌握；将仪器不安全操作可能导致的后果，用能够引起视觉冲击的夸张动画效果呈现，能够给学生留下深刻的印象，从而培养学生的规范操作意识和安全意识，为后面的实操训练奠定基础。

仿真操作模块根据扫描电子显微镜测试的具体操作流程，模拟了包括样品制备、扫描电镜操作以及配套仿真软件参数设置和使用的三大主要虚拟场景，使学生在基本理论学习之后，能够通过该模块中虚拟交互平台的操作提示，自主進行模拟操作练习，熟悉并熟练掌握扫描电子显微镜的制样、测试及分析过程，很好地解决常规实验教学中“以教师为主导的演示性实验观摩”的弊端，促进学生学习独立进行精密仪器操作及掌握实验技巧，提高学生对实际问题的独立分析及解决的能力。

理论测试模块是严格按照学科教学大纲要求，为学生量身设计的扫描电镜分析测试相关的理论及实际操作知识测试题。当学生熟练掌握虚拟仿真操作流程后，可进入该模块随机抽取测试题，通过扫描二维码进行在线模拟测试，系统会自动生成相应测试分数及错题解析。一方面，这个模块的设置能够使学生实时了解自己的薄弱之处，进行后续有针对性的学习；另一方面，能够使教师通过储存在系统后台的模拟测试成绩及考核分析报告，及时了解学生对仪器相关知识点的掌握情况，汇总分析后做好必要输出反馈，为后续实操课程的教学内容以及及时调整和完善讲解侧重点提供有效的数据指导。

（二）基于虚实结合的混合式实验教学课程内容设计

在优化传统实验教学方法的基础上，结合虚拟仿真实验教学系统，科学构建以虚拟仿真实验教学和实体实验教学有机结合的混合式实验教学方法，主要包括学生自主预习环节、实体实验教学环节和学生分组实操训练环节。其中，在学生自主预习环节中，学生首先通过虚拟仿真实验教学系统进行自主预习和分散学习，在掌握扫描电子显微镜的仪器结构、工作原理及安全注意事项之后，通过虚拟交互平台熟练掌握扫描电子显微分析样品制备、测试流程、软件参数设置、数据处理及分析方法，通过理论测试模块完成在线模拟测试，提交预习报告；在实体实验教学环节中，可根据学生的在线模拟测试情况反馈，有针对性地对学生普遍存在的问题、分析测试过程中的重点环节，以及实验安全注意事项等进行集中、重点讲解；在学生分组实操训练环节中，允许通过虚拟交互平台已熟练掌握扫描电子显微分析测试方法及流程的学生进行分组实操训练，没有掌握的学生可用虚拟实验教学系统重新反复学习，直到掌握为止。

（三）基于虚实结合的混合式实验教学多元化考核机制

在基于虚实结合的混合式实验教学模式下，改变传统单一的“平时表现+实验成绩+期末测试”的考核方式，将实验成绩设置为“线上虚拟仿真实验”“线上模拟测试成绩”和“线下实验报告成绩”三个部分，实现了“平时成绩+线上虚拟仿真实验预习报告成绩+线上模拟测试成绩+线下实验成绩+期末测试成绩”的新型多元化考核机制。

四、基于虚实结合的混合式实验教学方法效果分析

结合虚拟仿真技术，突破传统实验教学方法的局限，坚持以培养学生实践创新能力为目标，以材料专业特色及行业产业发展需求为导向，构建新型实验课程评价机制。目前，本实验教学方法已连续两年结合本校新能源与材料学院“扫描电子显微分析实验”课程进行教学应用，应用对象为材料控制工程专业2019级和2020级学生。结合实际课堂效果及实验成绩来看，采用基于虚实结合的混合式实验教学方法，主要成效具体体现为以下三个方面。

（一）激发学生学习动力

相较于传统枯燥的实验教学模式，引入虚拟仿真实验平台，通过形象的三维动画演示和逼真的操作体验，极大地提高了学生探究知识的兴趣。通过多场景、多输入学习及虚拟操作环境的构建，突破了传统实验教学中时间、空间及传统教学方法的局限，引导学生大胆尝试，积极探索学习，真正促使学生由“要我学习”转变为“我要学习”。

（二）实验教学更高效

将虚拟仿真实验教学和实体实验教学有机结合，科学构建虚实结合的混合式实验教学方法，极大地丰富了原有的教学手段，突破了传统实验教学中的瓶颈和盲点，使教学过程更加安全高效。学生能够更加深入理解并掌握实验相关抽象概念及仪器测试方法，很好地解决了传统实验教学中的问题，使教学效果显著提升，达到理想教学目标。

（三）实验考核更全面

引入虚拟仿真实验平台，通过平台的模拟实验操作数据分析和模拟测试成绩，及时反映了学生在课前预习环节中的实际掌握程度，与传统单一的实验考核方式相比，不仅提高了实验考核评估的客观性与全面性，且由于记录学生多次实验预习的最好成绩，极大促进了学生自主反复学习的动力，更有利于培养学生的综合素质。

结语

与传统的以教师为主的单向传导的枯燥实验教学模式相比，将虚拟仿真实验教学和实体实验教学有机结合的混合式实验教学方法，主要以学生为中心，通过形象的表现手段，系统化地将深奥的理论知识融入混合式实验教学过程中，使学生在浓厚兴趣的带领下积极主动探索知识，培养扎实的实践操作能力。将虚拟仿真实验与线下实验相互穿插、相互补充，以虚辅实，以实助虚，形成交互联动、虚实混合的实验教学模式。利用虚拟实验平台实现随时随地、多学多练的专业化沉浸式学习。不仅有效激发了教师的教学活力，还能够调动学生的学习主观能动性，培养学生的创新意识和实践能力，助力高校材料类学科创新型人才培养目标的实现。

参考文献

［1］“六卓越一拔尖”计划2.0启动大会召开 掀起高教质量革命 助力打造质量中国［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，于岩，李凌云，王晨.“材料分析方法”虚拟仿真实验教学系统建设及应用［J］.实验技术与管理，2019，10（36）：32-35.

［3］教育部办公厅.关于2017—2020年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知：教高厅〔2017〕4号［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.关于开展国家虚拟仿真实验教学项目建设工作的通知：教高函〔2018〕5号［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.关于公示2019年度国家虚拟仿真实验教学项目申报材料并开展网络用户使用评价的公告［EB/OL］.（2019-10-28）［2021-12-15］.http：//www.moe.gov.cn/jyb_xxgk/s5743/s5744/A08/201910/t20191029_405732.html.

［6］卢艳丽，董文强，王永欣，等.材料类专业虚拟仿真实验教学中心的建设与实践［J］.实验室研究与探索，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