徐玲玲 崔斌 劉哲

西北大學“儲能材料的制備及表征綜合虛擬仿真實驗”通過軟件模擬化學實驗的操作過程，其中包含高溫實驗過程、高電壓的測試和危險試劑使用等危險實驗步驟，制備具有儲能特征的功能陶瓷材料。

西北大學化學學科始設于1923年，其材料化學專業(yè)設立于1991年，2019年西北大學的材料化學專業(yè)被評為國家級“一流本科專業(yè)”。西北大學化學與材料科學學院較早就開始了虛擬仿真實驗的建設，“儲能材料的制備及表征綜合虛擬仿真實驗”是其典型。

仿真實驗對校外同學開放，校外同學只需通過西北大學官網搜索相關實驗項目，進行注冊后，便可進行仿真實驗。

進入仿真實驗后，學生需要先了解與實驗相關的知識。

然后，在三維場景中熟悉實驗所涉及的儀器和裝置及其重要部件。

了解儀器使用注意事項后，便可進入實驗操作。

通過設置不同的實驗參數(shù)，會得到不同的實驗結果。制備納米材料需要考慮很多因素，原料的配比、反應溫度與反應時間等，都能影響結果。在實體實驗中由于整個合成過程復雜、耗時長，學生很難進行不同實驗參數(shù)的多組實驗。學生們通過虛擬仿真實驗，可以根據(jù)需要修改實驗參數(shù)，得到不同實驗參數(shù)下的實驗結果。

實驗加載中

掃描電子顯微鏡

熱重分析儀

制備實驗操作臺

介電性能測試儀

虛擬實驗可以實現(xiàn)傳統(tǒng)基礎化學實驗室無法實現(xiàn)的教學

電容器儲能具有儲能密度高、能量釋放速度快、可靠性高、安全性高、價格低廉以及較易實現(xiàn)輕量化和小型化等優(yōu)點，是一種具有革命性的綠色能源技術，在電動汽車和混合電動汽車、內燃機機車啟動、電力系統(tǒng)、微型計算機以及軍工方面等都有著廣泛的應用。

在制備儲能這類陶瓷材料時，每一步需要進行3個小時以上的合成反應，反應完成后需要進行12～24小時的高溫熱處理步驟，還需要掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡等大型儀器或者專用設備。但大型儀器或者專用設備的資源限制，本科教學中往往不能保證學生單人單臺單次直接操作儀器進行樣品的測試。

虛擬仿真實驗可以更加有效地幫助學生學習相關大型儀器的原理以及數(shù)據(jù)處理過程，特別是化學專業(yè)學生在平時接觸較少的電性能測試部分。

“虛擬仿真實驗非常節(jié)省時間，我們平常做實驗有的步驟耗時非常長，比如馬弗爐中的藥品涼卻到室溫使用往往需要很長時間，自然冷卻可能要十幾個小時，各種合成過程等等，不過在虛擬平臺上面操作時，電腦會幫你省過這些時間，就大大提高了實驗效率。”化學與材料科學學院大三學生張歐陽興奮地說。

功能陶瓷材料的制備（可選擇進行不同參數(shù)的實驗）設置煅燒溫度

調整溶液pH

功能陶瓷材料的制備（可選擇進行不同參數(shù)的實驗）設置反應物的加入量

烘干樣品

實體實驗高溫煅燒實驗涉及的馬福爐（實際溫度高于1200℃）

功能陶瓷材料的電性能測試結果（介溫譜測試）

功能陶瓷材料的電性能測試結果（鐵電測試）

均為產物的表征（不同實驗參數(shù)對應不同的實驗結果）

均為產物的表征（不同實驗參數(shù)對應不同的實驗結果）

第一次實驗也不危險了

“儲能材料的制備及表征實體實驗會涉及一些高溫、高電壓的實驗操作，具有很高的危險性。我們可以在虛擬實驗中先熟悉這些實驗的具體操作步驟及注意事項?！被瘜W與材料科學學院大三學生張宇森說。

由于材料化學實驗具有更強的綜合性，使得材料化學實驗具有實驗周期長、實驗涉及高溫、高電壓和危險化學試劑等特點，這就限制了本科生實驗內容的選擇。

傳統(tǒng)化學實驗大多都是學生按照實驗課本上的內容一步步操作，步驟較為固定，注重的是實驗技能的培養(yǎng)。學生為了達到預期實驗結果束手束腳，因害怕失敗而不敢嘗試自己的方法。

虛擬仿真實驗可以修改實驗參數(shù)，而且可以快速地得到實驗結果，將產物的結構、性能與實驗參數(shù)聯(lián)系起來，從而實現(xiàn)雙向交互式實驗方法，改變以往一個模式的實驗，促進學生自主設計實驗，完成實驗。

學生們借助計算機模擬實驗，學習規(guī)范步驟，當真正站上實驗臺后能減少卡殼、遺漏等錯誤，即使出現(xiàn)了錯誤，也可以通過和模擬中的各步驟實驗現(xiàn)象作對比，快速找到錯誤，從而改正。