大学化学, 2022, 37(2): 2109094-0 doi: 10.3866/PKU.DXHX202109094

专题

原位变温X射线衍射虚拟仿真实验建设与实践

张万群,, 朱平平, 邵伟, 胡万群

Construction and Teaching Practice on Virtual Simulation Experiment of in situ Variable temperature X-ray Diffraction

Zhang Wanqun,, Zhu Pingping, Shao Wei, Hu Wanqun

通讯作者: 张万群, Email: wqz@ustc.edu.cn

收稿日期: 2021-09-28   接受日期: 2021-11-1  

基金资助: 安徽省虚拟仿真实验教学项目.  2018xfsyxm015

Received: 2021-09-28   Accepted: 2021-11-1  

Abstract

In situ variable temperature X-ray diffraction is a comprehensive and innovative experimental project in physics, chemistry and other related disciplines. Therefore, it is necessary to develop an in situ variable temperature X-ray diffraction virtual simulation experiment system based on the guiding ideology of "combining virtual and real experiments, replacing the reality with the virtual". This system completely simulates the actual experimental scenes of instrument recognition, sample testing, data calculation and application, etc. Teaching adopts online and offline combination of virtual and reality teaching methods, which cultivates students' comprehensive ability and advanced thinking to use large instruments to solve complex problems.

Keywords: In situ variable temperature X-ray diffraction ; Virtual simulation ; Laboratory teaching

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张万群, 朱平平, 邵伟, 胡万群. 原位变温X射线衍射虚拟仿真实验建设与实践. 大学化学[J], 2022, 37(2): 2109094-0 doi:10.3866/PKU.DXHX202109094

Zhang Wanqun. Construction and Teaching Practice on Virtual Simulation Experiment of in situ Variable temperature X-ray Diffraction. University Chemistry[J], 2022, 37(2): 2109094-0 doi:10.3866/PKU.DXHX202109094

X射线衍射分析是利用X射线在晶体物质中衍射效应进行材料组成和原子尺度级别微观结构分析的技术,因此成为研究材料多晶结构及其与性能关系间的重要手段[14]。很多高校已把X射线衍射分析纳入仪器分析理论课和实验课课程当中[5]

近年随着材料科学迅猛发展,原位表征技术越来越受到重视。原位变温X射线衍射就是在体系随温度变化过程中对材料进行定性、定量以及结构变化测量,来揭示材料随温度变化的机理,因此它在相变机制[6]、化学反应动力学[7]、非晶合金材料的退火与结晶和低温超导等研究中显得尤为重要[8],但是原位变温X射线衍射仪结构复杂、价格昂贵,且测试时间长、维护成本高,另外X射线可能的泄露对人体也存在着潜在的风险,这使得原位变温X射线衍射分析实验教学开展受到诸多制约,同时传统教学在有限实验课时内对原位变温X射线衍射测试过程的复杂参数的科学设置和数据解析深入探索的难度非常大,精准测量和精确计算难以达到,导致X射线衍射先进分析技术相关内容成为了仪器分析实验教学难点。

2018年教育部下发的《关于狠抓新时代全国高等学校本科教育工作会议精神落实的通知》中明确提出:各高校要全面梳理各门课程的教学内容,淘汰“水课”、打造“金课”,合理提升学业挑战度、增加课程难度、拓展课程深度,切实提高课程教学质量。虚拟仿真就是其中的一种“金课”,它利用教学信息化,从情景教学、模拟教学、可监控的学习过程、有效评价学生学习效果等方面改进传统的课堂教学模式,解决了“做不好”“做不到”“做不上”及“做不了”的问题[9]。2015年,中国科学技术大学化学实验教学中心结合学院自身实验教学及科研需求,基于原位变温X射线法研究无卤阻燃材料氢氧化镁热分解过程,开发了原位变温X射线衍射虚拟仿真实验。通过此实验,学生了解仪器的基本构造和原理,掌握精准测量和精确计算的方法,通过获得的计算数据,详细探讨氢氧化镁热解行为,理解其作为阻燃剂的原理及探究材料性能改进措施等,激发学生的创造性思维,提高学生的科学素养[10]

1 “线上线下-虚实结合”教学体系

化学是一门实践性很强的学科。仪器分析实验这门课是针对实践应用过程中要用到的大型仪器而设立的一门实验课,它是具有多学科交叉性、发展性和前沿性的学科,近年来在化学研究中发挥着越来越重要的作用,因此仪器分析实验课程已成为化学类及其相关专业本科生必修的专业基础课之一,其中X射线衍射分析是仪器分析实验重要组成部分之一。中国科学技术大学化学国家级虚拟仿真示范中心结合仪器平台和原位变温X射线衍射虚拟仿真系统、视频等信息化平台,采用线上线下自主、合作、探究式教学模式进行层次化教学,在掌握X射线衍射分析基础技能上,加强X射线衍射分析方法的综合应用与创新,培养学生综合能力和高阶思维,教学体系如图 1所示。

图1

图1   “线上线下-虚实结合”教学体系


首先学生课前完成线上预习和绪论课。教师借助学校Blackboard平台完成线上绪论课,依托原位变温X射线衍射虚拟仿真实验在线平台上传预习资料,包括相关PPT课件、基本操作视频等。本实验所属的仪器分析实验线上学时约占总学时的30%。

虚拟仿真实验通过高度仿真X射线衍射仪及实验环境,设置了练习模式和考核模式两种实验场景。通过虚拟仿真原位变温X射线衍射实验的全过程,使学生了解并掌握粉末X射线衍射分析方法及应用,因此本实验的重点在于训练学生对样品的精准测量和利用晶体结构分析软件对实验数据的科学分析。在实验测试仿真过程中重点训练样品制备、光路调整以及参数设置。样品制备是分析测试的第一步,对测试结果有重要影响。仿真样品制备,针对样品制备的差异,如样品在光路中位置的高低、颗粒大小以及分布均匀性等影响,得出不同谱图结果。系统采取问题过程考核,再结合线下实际操作,使学生真正理解样品颗粒大小、分布均匀性、样品量以及有无择优取向对测试数据的影响。在数据分析仿真模块中,以理学SmartLab大功率X射线衍射仪自带的PDXL软件工作站为数据分析原型,自主研发仿真数据处理系统。此系统结合粉末衍射数据分析原理,通过设计模型和数据分析过程,强调关键分析步骤的容错设计,并且在关键知识点进行考核设计,和后续的操作紧紧相扣,注重实验过程中各知识点的总结和反思。通过此仿真系统,学生随时随地线上学习,掌握物相、晶粒尺寸、晶格畸变和晶格常数等科学分析方法。另外,仿真系统通过后台可以对重要参数进行重新配置,建立丰富测试样本库,无需修改代码即可满足个性化教学需要。

原位变温X射线衍射虚拟仿真实验是一个综合探究性实验,在数据分析学习过程中如果遇到问题,可参阅线上资源寻求解决的方案或自行在网上查阅文献进行解决。学生也可在线上的答疑解惑模块提出问题,由教师和其他学生进行解答,或者带着线上问题,在线下实验中进行讨论。这种教学模式将充分调动学生的积极性,学生由过去的被动参与者的角色转变为主动参与者。随着学习的深入和推进,学习中遇到的问题一一得以解决,学生分析问题和解决问题的能力得到极大的锻炼。

学生在实验平台完成预习与虚拟仿真练习版实验等环节后,正式进入实验室时,对实验内容和基本操作己有较好的认识和理解。虽然教师没必要再对实验内容知识点进行详细讲解,但是针对实验内容的关键问题进行提问,并引导学生积极思考与回答,以考查学生对实验关键知识点与操作注意事项的掌握情况。与此同时,学生针对自己不理解的问题,与同学进行讨论,教师针对具体实验原理、实验方法、影响因素、结果分析进行答疑、讲授,如怎样调整光路、精准测量、物相鉴定、晶粒尺寸和晶格常数的科学分析等,激发学生的学习主动性与积极性。线下实验实际操作时,学生分为2–3人一组,进行小组式轮流操作。由于实验课时限制,线下实验内容限定于X射线衍射物相分析实验。教师巡视和观察学生的操作情况,对于不规范的操作和有安全隐患的地方进行指导和纠正。实验完成后,教师对本次实验进行总结,并对实验过程中大家存在的共性问题进行统一点评与解答。

课后,本课程要求学生完成原位变温X射线衍射虚拟仿真综合性实验考核模式实验,总结、内化吸收与巩固实验知识点,完成虚拟仿真实验报告,同时将出现的问题通过线上平台或QQ、微信反馈给教师;教师在网络平台上组织学生参与线上交流、答疑、讨论活动,并将学生反馈的问题及实验中出现的问题进行归纳、总结。最终,教师根据学生的预习自测、虚拟仿真实验成绩、线下实验操作规范和实验报告等对学生进行多元量化综合考核,同时把立德树人理念如诚实劳动、信守承诺和诚恳待人等与课程考核机制相融合。最后教师根据每个环节的重要性分配各部分的权重,并按公式计算学生实验的总成绩,本实验成绩线下实验占60% (包括实验操作规范及素养10%,考核50%),线上实验占40%。

2 原位变温X射线衍射虚拟仿真实验建设

2.1 原位变温X射线衍射虚拟仿真实验设计思路

本实验项目并不是仪器厂商操作说明书,不仅让学生学会怎么操作仪器,而且向学生强调实验原理,掌握得到精准的测试数据和精确计算的方法以及提高专业知识的互联网思维能力,让学生了解原位变温X射线衍射在材料分析领域中可以解决什么实际问题以及解决问题的方法。实验突出综合性、研究性和实用性特点。

2.1.1 本实验内容突出综合性特点

本实验内容突出综合性特点,涉及X射线衍射表征的诸多概念和技术,如布拉格衍射、X光管、测角仪、聚焦光路、物相分析、晶粒尺寸、晶格畸变、晶格常数、热解相变等。本实验通过若干虚拟化典型场景将上述概念和技术融为一体。例如:在“晶格常数精确计算”中,学生不仅要学会对所用的衍射谱进行分析,还要知道如何制备样品,如何设置参数,才能得到一张适合做数据分析用的衍射谱,进而又要知道怎样处理数据和消除误差,不同的计算方法对结果有什么样的影响,应该如何避免等等一系列的问题。学生必须综合运用多门课程所学知识,并将其与实际系统和具体应用的特点相结合,才能顺利完成实验和正确理解结果。

2.1.2 本实验设计突出研究性特点

本实验不仅包含基本的演示和操作环节,还要求学生在显示多种结果和提示解释基础上对选择参数和计算方法进行认真分析,并提出自己的系统优化方案。通过物相分析、晶粒尺寸和晶格常数变化,学生深入探索氢氧化镁材料热解行为,理解其作为阻燃剂原理及探究材料性能改进措施。这些充分体现了研究性特点,激发学生创新意识。

2.1.3 本实验设计突出实用性特点

原位变温X射线衍射仪虚拟仿真实验虚拟场景逼真度高,使用者在场景中进行灵活的交互式操作,配置仪器中的主要功能模块,灵活设置参数,软件系统能够自动地实时模拟相应的实验数据,并且得到与真实实验相似的实验结果。学习者在虚拟系统上随时进行反复多次的演练,熟练操作仪器后,可以在非工作日,在原位变温X射线衍射仪上独立操作和数据分析,这样可大大提高大型仪器的使用效率。以中国科学技术大学化学实验教学中心的原位变温X射线衍射仪为例,实施虚拟仿真实验系统学习后,学员独立操作原位变温X射线衍射仪的测试机时从2016年的160多小时上升到2019年430多小时。

2.2 原位变温X射线衍射虚拟仿真教学系统的构建

本实验以前沿性和时代性课程内容为目标,克服了传统X射线衍射实验内容与方法的单一性,拓展了X射线衍射实验教学的广度和深度,构建了原位变温X射线衍射虚拟仿真实验教学系统。通过该系统的学习,使学生充分理解原位变温X射线衍射的基本原理,掌握精准的测试数据和精确计算方法,通过获得的材料分析计算数据,详细探讨氢氧化镁热解行为,理解其作为阻燃剂原理及探究材料性能改进措施,培养学生利用大型仪器解决复杂问题的综合能力。

原位变温X射线衍射虚拟仿真实验教学系统突出教学过程的完整性,流程如图 2所示。通过实验预习、预习测试、仿真练习、仿真考核和实验报告等多个实验环节,构建完整的实验教学过程。虚拟仿真实验根据实验步骤,大致可分为原位变温X射线衍射仪结构和原理、样品测试、物相分析、晶粒尺寸及晶格畸变分析和晶格常数分析五个模块依次进行。

图2

图2   原位变温X射线衍射虚拟仿真实验教学系统流程图


2.2.1 原位变温X射线衍射仪结构和原理仿真模块

首先,学生进入原位变温X射线衍射仪构造和原理认知阶段(图 3)。在结构展示区域中,学生能看到仪器内部逼真的单元部件,并通过回答认知过程中设置的考核题进行自主式学习。系统引导学生理解光路中不同部件的组合方法及作用,例如对不同样品,光路中不同狭缝的组合对测试数据带来的影响等。在认知过程中,系统通过二维、三维和动画视频的方式说明,使学生更加直观地掌握仪器结构对应的知识点,加深对仪器原理的理解。

图3

图3   原位变温X射线衍射仪构造和原理认知示意图和界面


2.2.2 原位变温X射线衍射样品测试模块

本仿真模块以理学SmartLab原位变温粉末X射线衍射仪为原型,通过虚拟仿真原位变温粉末X射线衍射测试的全过程,使学生了解并掌握其测试方法。样品制备对测试结果有重要影响。学生经过样品制备仿真练习,并通过设置的相关考核题,理解样品在光路中位置高低、颗粒大小及均匀性等因素对实验结果产生的影响,如图 4。基于原位变温会造成样品高低位置变化,系统设置了对测试过程中光路校正仿真,此操作不同于常规X射线衍射测试。本仿真系统通过变温参数设置,考查温度上升速率以及保留时间对样品相变温度点测定的影响(图 5);通过标样校正来选择样品测试参数,考查扫描速度和狭缝对测试数据准确度的影响(图 6)。学生选择不同参数,显示多种结果和提示解释。当学生在操作不正确情况下,仿真系统出现错误结果,经系统提示,学生再优化操作方法。学生在系统中要通过仪器测试参数相关关键知识点考核测试,从而深入理解仪器测试参数的意义。

图4

图4   原位变温X射线衍射样品制备界面和样品测试示意图


图5

图5   原位变温X射线衍射变温参数设置界面


图6

图6   原位变温X射线衍射样品扫描测试界面


2.2.3 原位变温X射线衍射物相分析模块

通过原位变温X射线衍射实验训练,学生理解了X射线衍射及材料原位测试原理,在精确测试数据的基础上,让学生掌握物相分析方法。在本仿真模块中,学生按照原位变温X射线衍射数据,通过虚拟仿真粉末衍射物相检索的全过程,理解正确设置检索条件(如数据库、元素限定等)是物相检索的关键,同时结合线下X射线衍射物相分析实验,理解物相检索需要相关领域的专业知识和经验积累,真正掌握粉末X射线衍射物相正确分析方法。学生把此方法应用于原位变温X射线衍射物相分析中,研究氢氧化镁热分解在不同温度和保温时间下的相变机理(图 7)。

图7

图7   原位变温X射线衍射物相分析示意图和界面


2.2.4 原位变温X射线衍射晶粒尺寸及晶格畸变分析

这个模块主要是利用虚拟仿真数据分析系统开展氢氧化镁热解产物的晶粒尺寸及晶格畸变变化研究,见图 8。学生通过数据处理,掌握X射线衍射的近似函数法,测定在不同温度下煅烧氢氧化镁获得氧化镁(MgO)晶粒大小和晶格畸变,探索纳米粉体MgO的晶粒大小和晶格畸变随温度变化规律,理解材料微结构表现出的温度和尺寸效应。

图8

图8   原位变温X射线衍射晶粒尺寸及晶格畸变分析示意图和界面


2.2.5 原位变温X射线衍射晶格常数的精确计算

在这个实验模块中,主要是利用X射线粉末衍射技术开展变温条件下的晶体结构变化动力学研究。在实验中,学生利用虚拟仿真数据分析系统,开展不同温度下氢氧化镁热解后氧化镁的晶格常数精确分析。仿真系统通过容错设计和考核,让学生掌握造成晶格常数测量误差的原因以及如何消除误差的方法,掌握晶格常数精确计算方法。数据分析步骤及仿真界面如图 9所示。

图9

图9   原位变温X射线衍射晶格常数分析示意图和界面


学生完成氢氧化镁热解所有温度点数据分析后,提交整个实验完成情况,把实验中得出的各个温度点的物相、晶粒尺寸和晶格常数填入平台“实验报告”表格,线上提交(图 10)。学生根据所得数据课后详细探讨氢氧化镁热解行为并理解其作为阻燃剂的原理及探究材料性能改进措施。

图10

图10   原位变温X射线虚拟仿真实验教学平台


2.3 原位变温X射线衍射虚拟仿真实验考核及教学效果
2.3.1 虚拟仿真实验考核

仿真实验采用多元化、过程性考核方式,强化学生对实验结果造成影响的关键因素的理解。

除了传统实验报告外,虚拟仿真实验教学平台收集管理学生预习效果和课后考核。虚拟实验软件后台,将会自动记录学生的操作情况和互动答疑信息,并将实验结果与系统预设参考数据相对应,自动给出考核结果,对学生的专业综合实验技能进行合理评价。平台建立完善的反馈机制,教师根据反馈信息实时了解学生对相关知识的掌握程度,针对薄弱环节对学生进行辅导,同时反馈信息为教师改进和完善实验提供参考。另外根据校内、外学生反馈,教师持续改进相关教学考核要求,以适应不同学校和专业,比如数据计算结果误差的要求等。详细评分如表 1所示。

表1   原位变温X射线衍射虚拟仿真实验考核表

考核要求考核内容考核方式评分细则
实验预习
10%
了解X射线衍射仪结构和原理在线预习考核
(模拟测评)
10
掌握X射线衍射的精准测量和科学计算方法
了解X射线衍射的精准测量和科学计算的应用
实验操作
(70%)
(1) 基础理论知识(30%)
(2) 操作技能(50%)
(3) 学习态度(10%)
(4) 问答题(10%)
仪器部件原理及认知5
光路校正5
样品高低判断及校正5
择优取向消除5
测试参数编写10
物相分析方法10
晶粒尺寸及晶格常数的计算25
热膨胀系数计算5
研究探讨(10%)实验项目知识点线上考核10
研究性思考题
实验报告(10%)实验原理、目的、步骤是否详细完整线上提交批改10
实验结果分析、讨论
思考题

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2.3.2 虚拟仿真教学效果

“原位变温X射线衍射虚拟仿真实验”获批2019年国家虚拟仿真实验教学一流课程。在国家虚拟仿真实验教学项目共享平台上线后已获得8610次的浏览量,实验人数达到2412人,加上在校级平台实验人数,2019–2021实验总人数达到3500人,取得了很好的推广应用效果。此外,通过记录数据可以看到,做实验的人中,实验通过率达到99%,其中达标(合格)率达到了55.8%,优秀率为43.2%,此结果表明实验内容及考核设计较为合理。本虚拟仿真实验项目经过半年的运行使用,取得了良好的教学效果。本科学生在教学反馈中表示:此实验沉浸感强、导航明确,提供的详细辅导材料有利于自学;系统可提供实验前、实验中和实验后理论知识点和操作的考核情况,并进行评价;在实验中对误操作进行提示,学生可以反复练习,并且与线下实验相结合,加深了对关键知识点的理解。我们对虚拟仿真实验教学在实验内容、教学形式、在线互动和课程资料方面满意度进行调查,总体满意度较好,结果如图 11所示。

图11

图11   原位变温X射线虚拟仿真实验满意度调查结果

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3 结语

原位变温X射线衍射虚拟仿真实验建设为大型仪器实验教学提供了更多的可能性,填补了实验原理难以理解、有危险性、资金和时间成本高、实验条件和数据处理严格且又具有重要的专业性的综合实验在本科X射线衍射实验教学中的空白。同时开展的线上线下混合教学模式体现了“以学生为主体,教师为主导”的教学理念,培养了学生利用大型仪器解决复杂问题的综合能力和高级思维。当然,在大型仪器虚拟仿真实验教学的具体实施过程中,也存在一些亟待解决的问题:

(1) 在原位变温X射线衍射虚拟仿真实验建设中,实验教师构建了实验教学内容,软件技术公司虽然在信息技术方面具有优势,但不了解学科专业知识,所开发的软件系统存在一些缺陷,无法充分满足实验教学要求,因此在教师团队中,需培养对信息技术熟练应用的仪器分析实验专业教师作为项目指导;

(2) X射线衍射本身具有集多学科知识于一体的特征,部分实验内容比较晦涩难懂,学生预习效果不佳,因此学生在线上实验之前应选修相应的专业理论课;

(3) 尽管虚拟仿真实验教学系统可以实现高仿真实验场景,但是与实际情景还是有差别。在实际仪器设备的使用中有很多通过实际操作而获得的经验,目前这些是虚拟仿真实验无法替代的。

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