二组分金属相图虚拟仿真实验应用思考

薛 莉，孙秀玉，成英之，庄淑娟，周子彦，禚淑萍

(山东理工大学 化学化工学院，山东 淄博 255000)

相图是用来研究体系的状态随温度、浓度、压力等变量的改变而发生变化的图形[1-2]。二组分金属体系相图在实际生产中具有重要的应用价值。二元金属相图的绘制是许多高校开设的物理化学实验之一[3-9]，但此经典实验存在操作温度高，对温度控制技术要求高，金属耗材使用量大、成本高，升温后金属挥发容易污染环境等实际困难[9]，不够安全也不够环保。因此该实验非常适合以虚拟实验的形式进行建设并对学生开放。学生通过该虚拟仿真实验，不仅可以将课堂所学知识与实际应用相结合，对绘制二组分固-液相图常用的热分析法的原理、步冷曲线的特点以及如何根据步冷曲线折变温度绘制相图等知识有更加深入的理解，还能在安全环保的前提下，提升自己的实践技能和分析解决问题的综合能力，实现物理化学实验教学的最终目的。

1 二组分金属相图虚拟仿真实验简介

目前较为成熟的线上Sn-Bi二元金属相图虚拟仿真实验采用3D模型模拟实验室真实环境，可以在多视角下通过键盘和鼠标控制移动和取放试剂、器材等。实验主要包括两部分：课前预习部分和实验部分。课前预习主要是实验目的和实验原理的学习。通过该部分的学习，学生不仅可以达到复习二组分金属相图的相关知识的目的，还能提前熟悉实际的热分析法实验中步冷曲线的特点，为即将开始的实验做好知识准备。实验开始后，首先是认识实验中使用到的所有仪器和试剂，然后可以在演示模式或者提示模式下，按照实验步骤开始实验。实验步骤主要包括：(1)开启计算机中的温度记录软件并录入样品信息；(2)按照提示设置好加热的最高炉温，将不同Sn/Bi配比的不锈钢样品管放置到可控升降温电炉中，插入温度传感器并开始加热；(3)待到达设定温度后，通过软件记录样品降温过程的步冷曲线；(4)依次对所有样品展开实验并记录步冷曲线。在熟悉整个实验过程后，学生可以在考核模式下独立进行实验操作，由系统判分并形成操作报告。

2 二组分金属相图虚拟仿真实验优缺点分析

在2019-2020学年第二学期，山东理工大学化学化工学院应用化学专业2019级4个班的学生在学习完相图部分的理论课内容后，开展了二组分金属相图虚拟仿真实验。通过4轮实验的使用，我们收集了教师和学生对于该实验的反馈，并进行了整理和总结。

2.1 优势

2.1.1 3D虚拟仿真实验容易激发学生兴趣，提高学生的参与度

该虚拟实验仿真度高，仪器设备等都非常接近真实实验，界面友好，电脑操作快捷方便，有游戏般的互动体验，更容易引发学生的学习兴趣。在传统物化实验中由于实验仪器套数有限，需2人一组进行实验，一些参与意愿较低的学生往往在实验过程中“袖手旁观”，实验结束后抄好数据“交差”，不能很好的达到锻炼动手能力的实验教学目的。虚拟仿真实验必须人人参与，亲自动手，对于平时在实验课上“懒于动手”的学生是一种有效督促，有利于教学目的达成。

2.1.2 实验的进行不受时间和空间限制

由于物化实验课涉及内容较多，但仪器套数有限，因此多采用理论课和实验课同步开课的模式，这就造成了部分学生做实验时还没有学到相关理论课内容的情况。即使实验老师认真讲解整个实验过程，学生也很难在短时间内消化所有内容，做实验时抓不住重点，很难达到用实验验证理论知识的目的。而该虚拟仿真实验通过学生访问实验网页完成，不受仪器套数和实验室容量限制，学生可以在学完相图部分相关知识后自主在网页上完成该实验，使理论知识学习和实验探索紧密连接，相辅相成，有利于学生对于相图部分知识的深入理解。

2.1.3 实验现象和结果直观，减少了等待时间，提高了实验效率

在传统的二组分金属相图实验中，学生需要反复加热5～6个不同Sn/Bi配比的样品，并记录冷却过程的温度点。整个实验过程持续时间长，每个样品的数据点多达25～80个，在实验过程中很难立刻发现数据中的问题，只有在实验后通过绘制步冷曲线才能发现实验数据中可能存在的问题。在虚拟仿真实验中，不仅可以通过快速升降温减少等待时间，而且降温阶段可直接观测样品的步冷曲线，获得更加直观的实验结果反馈。既达到了实验验证的目的，也提高了实验的效率。

2.1.4 方便对实验的学习和考核

学生可以在演示模式或提示模式下反复练习实验操作，在熟练掌握实验过程后可选择进入考核模式。完成实验后，系统自动判分并形成操作报告，既方便学生及时发现问题，提高学习的主动性，也方便教师管理实验进程，及时督促和帮助学生完成实验。

2.2 存在的问题

2.2.1 实验程序相对固定，自主探索空间小

在目前的二组分金属相图虚拟仿真实验中，实验步骤和操作被严格限定，只能按照提示对相关参数进行设定，留给学生的探索空间较小。例如在选择不同Sn/Bi配比样品的加热温度时，系统直接给出了参考温度，不按照此数值输入则实验无法继续。这样的设置过于简单，学生在操作实验中容易产生“懈怠”情绪，希望通过虚拟仿真实验获得真实实验体验的期望值被大大降低。

2.2.2 实验过程中互动较少，不利于独立思考能力的培养

虚拟仿真实验不以锻炼动手能力为主，而是以观察实验现象和思考实验中的问题为主。在网络上进行的虚拟仿真实验很大程度上减少了师生之间和学生之间的互动交流，主要是学生自己在按照实验步骤操作。因此，如何在实验过程中加强人机互动，引导学生关注实验现象，并思考如何用课堂上学习到的理论知识解释实验现象和实验结果，避免成为“电脑操作工”，也是虚拟仿真实验设计时应该注意的问题。

2.2.3 实验结果过于“一致”，不利于实验中“关键问题”的发现

在实际的二组分金属相图实验中，由于实验操作过程中每个学生对实验原理和注意事项的掌握程度不同，动手能力也存在差异，因此学生获得的实验数据往往千差万别，有的学生得到的步冷曲线甚至无法分辨拐点和平台温度，造成绘制的相图出现较大偏差。在虚拟仿真实验中，由于流程固定，完成实验后的输出结果是固定的，都是“成功的”。学生对于实验的不同掌握程度很难通过结果反映出来，容易给学生造成“热分析法实验操作很简单”的印象，实验条件的选择和实际操作与实验结果之间的因果关系被弱化，不利于学生通过自己的努力发现影响实验成败的关键问题。

3 二组分金属相图虚拟仿真实验设计建议

目前，虚拟仿真实验在实验教学中的应用越来越受到重视[10-11]。它在教学中起到的两个最重要作用是预习/复习和拓展[11]。对于那些易于在实验室开展的、安全性和环保性都较好的实验，可以通过程序化程度较高的、具有演示功能的虚拟仿真实验帮助学生进行学习或者熟悉实验的目的、原理、步骤等，既可以为进入实验室后开展实际实验做好准备，也可以帮助学生在实验结束后或考核前复习整个实验流程。对于二组分金属相图这种具有一定安全性和环保问题的实验，实际开设具有一定的困难和隐患，可以开发成拓展型虚拟仿真实验。为了达到实验的教学目标，该实验中应设计更多人机互动，让学生有更多的“尝试”和“选择”；利用虚拟仿真实验快速高效的特点，实时将不同的实验条件或操作的实验结果反馈给学生，让学生通过自己的探索总结规律、发现问题，在相同的时间内获得比实际实验更多、更全面的体验和锻炼。为达到以上目的，我们在分析了目前使用的二组分金属相图虚拟仿真实验中的问题后，进行了认真的思考，提出以下仿真实验的设计和修改建议。

3.1 实验前

在学生对实验目的和原理完成自主学习后，可在线布置查阅Sn、Bi金属熔点、实验注意事项、实际实验操作视频等相关资料的任务。完成自学和查阅资料的任务后，可通过实验前的在线测试考察学生对实验内容的掌握情况。通过了测试的学生可以正式开始实验，测试结果可以作为学生预习报告分数的参考。

3.2 实验中

1)在设置不同Sn/Bi配比样品的加热温度时，只限定输入温度上限并给出警示提醒。在降温阶段，根据学生设定的加热温度给出全部或者部分(加热温度设定过低)的步冷曲线数据，让学生通过实验结果认识到加热温度设置对于相图绘制的影响。

2)在样品的降温阶段，提供至少2个降温速率供学生选择，根据降温速率给出相应步冷曲线。步冷曲线的拐点和平台是否能清晰出现与降温速率有很强的相关性[5]。降温速率较快时，步冷曲线上表示降温速率差异的折点将变得不明显，而平台也会变短甚至变成下滑的曲线而难以分辨(参见图1a)；降温速度较慢时，系统和环境温差小，步冷曲线的拐点和平台将变得明确而清晰，易于判断(参见图1b)。学生通过尝试不同实验条件，可以获得实时反馈的不同形态的步冷曲线，很容易通过比较发现其中的差异和优劣，并思考该差异产生原因，收获在理论课上很难涉及到的实践知识。

图1 Sn-Bi二组分系统步冷曲线示意图

3)在纯组分和混合样品的步冷曲线绘制部分，当曲线上出现拐点或平台时，可在线适时提出计算共存相数和条件自由度等问题，考察学生对于单组分和二组分系统自由度计算等理论课内容的掌握情况。学生对于在线问题的解答将作为实验操作分数的参考。

4)建议在虚拟实验中设置互动交流区。学生在做实验的过程中进行的思考和发现的问题可以在线与老师和同学们交流，增加师生间的互动，便于实验老师掌握学生学习效果和实验中的问题。

3.3 实验后

在虚拟仿真实验进行时，实验结果以步冷曲线的形式直观呈现；但实验结束后建议结果以数据形式输出。学生根据数据处理要求，自行选择相关软件(例如Excel或Origin)进行步冷曲线和相图的绘制。虚拟仿真实验可以在线提供绘制该类曲线的指导文件供学生参考，并督促学生在规定时间内完成在线实验报告的撰写和提交。此外，还可以在网页上提供有关相图绘制技术的拓展阅读，以及不同二元金属的实际相图，使学有余力和有兴趣的同学能进行深入的学习。

4 结语

随着计算机技术和网络技术的发展，虚拟仿真实验在近十年来发展迅速，成为物理化学实验教学的重要组成部分。它不仅可以在正常教学环境中实现辅助实验教学的目的，还可以在特殊时期突破地域限制，通过网络帮助学生完成实验课的学习。对于二组分金属相图这种实际开设有一定安全隐患的实验来说，如何使虚拟实验的操作更贴近实际实验，在同样的时间内利用“虚拟”优势提高实验效率，使学生通过在“云端”的实验收获比实际实验更多的经验和知识，是我们所有老师和设计人员下一步的努力目标。