浏览数:225

基于虚拟仿真技术的热分析/X射线衍射仪自主实验教学系统

参赛方向: 面向教育教学的3D/VR/AR创新应用

参赛赛区: 四川赛区

参赛组别: 教师组

参赛院校: 西南石油大学

参赛院系: 材料科学与工程学院

参赛教师: 申文竹,曾鸣

项目简介
基于大型仪器设备的实验教学,由于现实原因无法实现学生充分上机实训,因而无法达到预期教学效果。本项目以热分析仪和X射线衍射仪实验操作流程为例,设计和开发了基于虚拟仿真技术的热分析/X射线衍射仪自主实训系统,提出了一种新的基于虚拟仿真技术的仪器分析测试类实验课教学模式,并应用于实际的实验教学中。通过对随堂实验教学质量进行了调查与反馈,结果表明此种实验教学模式很大程度提升了自主学习的兴趣,提高了学生的综合实践能力。
项目详情
1. 项目背景
      大型分析仪器实验教学在高校实验教学中的地位较为突出,不仅具有传承知识、能力培养的作用,而且在学生知识运用和综合素质提高中都扮演着不可替代的角色。大型仪器分析测试贯穿本科教学和训练、本科毕业设计、研究生(硕士和博士)课题、学生课外开放实验和教师科研项目等相关实验,对学生科学素养的养成和创新能力的提高意义重大。
      但大型仪器价格昂贵,大多台套数只有一两台,因此在测试学习过程中,学生的上机机会极为有限,加之大型分析仪器实验涉及的理论大多抽象难懂,实验技术复杂繁多,教师通过文字和图片讲授实验过程时不能把仪器的操作方法及技术要点直观、生动地展现给学生,同时在教师进行动作示范时,仪器操作过程通常不可逆,一次操作示范难以让学生很好地掌握全部规范操作和动作要领,从而导致学生对所学知识点无法掌握,学习兴趣不强。
      因此,为提升大精设备利用率,充分发挥大精设备在人才培养、科学研究中的作用,考虑将虚拟仿真技术应用于大型仪器实验教学,不仅可以最大程度的发挥大型仪器设备的使用效益,同时满足学生们在非工作时间或者仪器空闲时间开展自主实验和创新实验的需求,提高学生的创新实践能力。为此,本项目提出首先开展基于虚拟仿真平台的“热分析仪”和“X射线衍射仪”自主实验教学系统,待该系统开发应用于实验教学项目后经过不断修改和完善以后,再将开发经验应用于“大型仪器群”虚拟仿真自主实验教学体系的研究和开发中去。
2. 项目开发过程
2.1 热分析虚拟仿真实训系统的设计和开发
      高校科研和教学中,热分析技术在金属、无机非金属、高分子以及新能源专业都有应用,如水泥水化产物的检测、聚合物的热性能测定或热失重分析、金属和合金相变点的测试等,都要应用到热分析仪器。热分析仪应用范围广,适用性强,操作相对容易且仪器不宜损坏,因此首先选取大型仪器——热分析仪为虚拟实验目标,基于热分析仪分析测试类实验教学课程的特点和教学需求,进行虚拟仿真教学设计,包括:虚拟仿真实训系统设计和开发、实验课教学模式的设计,从而实现对实验的具体内容、重难点以及实验过程与原理的详细剖析。
2.1.1热分析仪虚拟仿真实训系统的设计
      虚拟仿真实训系统的设计过程,要体现出教学性演示功能和交互性操作两大功能,以达到在纯粹的虚拟实验环境中学生能独立完成热分析仪两台不同功能仪器的所有实验操作流程,且需满足不同专业学生测试要求的特点。本文涉及的热分析仪虚拟仿真实训系统应包括热分析仪的操作规程、注意事项、视频操作观看和虚拟操作训练等功能,为学生提供一个能够自我操练、人人操练的虚拟实验平台。
      图1是依据大型分析仪器实验教学特点和目标对象的需求分析设计的“热分析仪”虚拟仿真实训系统实验教学结构图。其中,“视频教程”可供学生反复观看学习,熟悉仪器操作的主要流程及操作中的注意事项;核心功能的“虚拟操作”则可以满足学生模拟操作,自我操练的满足感。
 
图1 热分析仪虚拟实验训练系统设计结构图
2.1.2热分析仪虚拟仿真实训系统的开发
      构建虚拟仪器的模型是开发整个热分析虚拟仿真实训系统的基石。为了提高虚拟实验室的沉浸感与仿真度,首先要构建逼真的仪器模型。在构建分析仪器初期,要对仪器实物外形尺寸进行测量和实验室背景素材收集,使用Autodesk Maya进行1:1实物建模,包括TGA热重分析仪和DSC差示扫描量热仪,以及实验中需要用到的钢瓶,分析天平,试剂瓶,压片机等。进一步找出仪器各功能部分的主辅关系,对需要进行交互操作的部件则需单独建模,如仪器电源开关、功能按钮、镊子、坩埚等。同时,对部分活动部件制作动画,包括DSC式样压样杆的转动,电子天平玻璃门的开关,气瓶开关的旋钮等,以再现仪器的真实运转状况,操作方式,数据检查,存储与分析功能。构建的虚拟实验室还包括墙壁、装饰、试验台等场景,可以给使用者构造一个真实实验室环境的体验,增强学生对实验室的兴趣和好感,并通过修饰、渲染和烘培手法增强整个实验环境的色彩度和立体感(如图2)。所有制作的模型文件以.fbx格式保存,并和贴图文件打包导入Unity3D软件中使用。
      使用Unity3D原生的UGUI工具来设计整套人机交互界面,实现用户对整个实验流程的操作。在实验过程中,通过点击相应的实验仪器,触发UI界面,通过UI界面的选项按钮进行仪器操作(触发相应的仪器动画),同时测量数据的输入输出也是显示在UI界面上进行。使用C#语言编写脚本附加在仪器模型上,通过UI触发事件,就可以实现和真实场景相同的实验操作和数据处理。在热分析仪器对实验样本进行测量之后,点击试验台上的计算机显示器就可以进入实验的计算机数据处理部分(如图3)。同样使用UGUI完整复原了电脑界面windows操作系统上仪器配套软件的操作界面,在输入相关数据后,可以自动进行实验二维图表的绘制。 
      热分析虚拟实验室分为TGA热重分析仪和DSC差示扫描量热仪,提供了有机物(聚丙烯,乙烯-醋酸乙烯酯共聚物)和无机物(水泥水化物)两类样品测试功能,选取不同的样品,输入不同的测试参数后,可以绘制出不同的数据图表。
   
图2 热分析仪虚拟仿真实验室场景                   图3 计算机端操作界面
2.2 X射线衍射仪虚拟仿真实训系统的设计和开发
      X射线衍射仪是利用X射线衍射原理研究物质内部结构的一种大型分析仪器,被广泛应用于材料、化工、冶金、地矿、环境等多学科领域。X射线衍射仪包括循环水冷却装置、计算机控制系统和X射线衍射主机三部分,操作交互步骤较多,因此,基于X射线衍射仪的虚拟仿真操作,不仅可以让学生更熟悉操作流程,并且对于自学或者只学习过理论知识的其他专业学生也能起到辅助指导的作用。
      X射线衍射仪的操作包括循环水冷却装置的开启和关闭、计算机控制系统的操作、X射线衍射主机操作等,交互操作步骤较多,因此,使用EVRc引擎,结合资源包素材,编辑一个“X射线衍射仪虚拟仿真实训系统”教学案例并发布到zSPace平台,如图4所示。
 
图4 X射线衍射仪虚拟场景
2.2.1VR 资源导入到 EVRc 编辑器与模型空间布局
(1)打开 EVRc 引擎,新建一个场景,命名为“虚拟实验室1”,在资源管理器中分别添加资源包提供的模型文件到场景中。
(2)将虚拟实验室中需要用到的模型摆放在场景内合适的位置(项目中所涉及的模型都可以根据项目的美观程度适当修改尺寸,但要保证等比缩放),注意人物在(0,0,0)坐标,模型需对应摆放在人物附近。
(3)制作循环水冷却装置上的启动(红色)、停止(黑色)按钮、蓝色指针及其旋转方位,X射线衍射仪主机上的红色按钮、黑色按钮、按钮闪烁效果,电脑屏幕图片的出现及放大效果,样品飞入、飞出效果,X射线衍射主机门开启、关闭和工作状态下门的颜色变红效果等。
2.2.2对X射线衍射仪操作做动画编辑
(1)使用zSPace触笔触发循环水冷却装置上的红色按钮,蓝色指针旋转指向红色按钮,触发循环水冷却装置启动事件;
(2)使用zSPace触笔触发计算机键盘,计算机屏幕上的图片逐渐放大,触发计算机屏幕开启事件;
(3)使用zSPace触笔触发X射线衍射仪主机上的红色按钮,红色按钮闪烁变白后又变红,主机开启,门打开;
(4)使用zSPace触笔抓取桌面上的样品槽,查看样品槽;
(5)使用zSPace触笔触发样品,样品自动飞入主机内,门关闭;
(6)使用zSPace触笔触发软件,主机门变成红色,主机开始工作,延迟5秒,恢复原色;
(7)使用zSPace触笔触发软件退出系统,主机门打开,样品出来,放回桌面;
(8)使用zSPace触笔触发主机黑色按钮,黑色按钮闪烁变白后有变黑,主机关闭同时门关上;
(9)使用zSPace触笔触发触发循环水冷却装置的黑色按钮,蓝色指针从指向红色按钮处旋转指向黑色按钮,触发循环水冷却装置关闭事件。
 
图5 EVRc动画编辑界面
2.2.3发布测试及项目打包
将完成的项目发布到zSPace平台,取名为“虚拟实验室1.exe”。发布后使用zSPace设备演示及调试,根据运行结果,调整场景内资源,完成项目要求。
使用打包工具将发布好的项目打包成.rar 或.zip 格式的文件,并命名为“虚拟实验室.zip”。

难点创新
3.1技术难点
(1)需要设计一款简化的操作界面,易于用户操作;
(2)多种设备模型的建立和融合,功能模块需易于改进、混合或混合构建新的模块;
(3)脚本的撰写、修订、改进,最后实现虚拟设备运动、计算机界面参数设置与虚拟实验的交互操作;
(4)需根据实验特点,设置相关参数,考虑更多的专业应用;
(5)平台的搭建和系统的发布。
3.2创新点
本虚拟系统利用三维软件构建了虚拟的实验模型,使用Unity3D和EVRc软件引擎搭建整个虚拟交互平台,真实再现大型仪器——热分析仪和X射线衍射仪的操作流程。同时使用硬件zSPace桌面式VR交互设备为学生提供变革性的学习体验。
该系统界面整洁,逼真度高,待该系统开发应用于实验教学项目后经过不断修改和完善以后,再将开发经验应用于其他大型仪器设备中去,开发设计“大型仪器群”虚拟仿真自主实验教学体系。

成果成效
4. 教学创新应用
      传统的分析仪器实验教学是以教师为主体、学生配合的模式,首先教师讲解实验目的、实验原理及仪器操作流程和操作注意事项,然后学生观摩或者选代表进行操作,这种方式导致大部分学生参与度不高,滥竽充数的心理严重,丧失学习主动性。如何以“学生为中心”,将虚拟仿真环节嵌入到有限课时的实验教学环节中去,不仅是对学生学习能力的考验,更是对教师专业能力和信息技术掌握程度的考验,尤其是虚拟现实技术和模拟仿真技术信息化知识的挑战。
      经过数次实验教学课程的探索,逐渐摸索了一条适用于分析测试仪器虚拟仿真实验教学的方法供同行探讨。首先教师讲解基本原理和数据处理分析方法;然后学生运用虚拟仿真实训系统的视频教程观看仪器操作流程,在这个过程中老师逐步讲解操作步骤并提醒操作过程中需要注意的事项;接着学生运用虚拟仿真实训系统的虚拟操作上机模拟“仪器”的操作流程(如图6),直到成功得出“仪器”绘出的曲线(如图7);最后,经过熟练掌握仪器操作流程的学生进行真实仪器的操作,得出测试结果并分析,完成实验报告。
      其中,在虚拟操作这一过程中,需要先让学生熟悉虚拟场景中的各个器件名称和位置,然后播放一个3分钟的虚拟操作视频,让没有虚拟操作经验的学生了解虚拟操作的交互方式,然后依据学生专业方向,给出学生特定样品的参数设置,开始虚拟操作。如果学生多次操作仍不能成功,则退出操作界面,重新自学操作流程,再进入系统进行操作直到成功得到曲线。这一教学环节是经过多次摸索才得出的,最终可以控制在15-20分钟甚至更短的时间内完成,成功率也由最初的只有一两个学生能绘出曲线,到最后人人都能成功操作得到曲线。
  图6 实验教学课中学生操作环节              图7 成功操作得到绘制曲线
5. 评价分析
      通过采用随堂调查问卷的方式,对热分析仪虚拟仿真实验教学效果进行追踪。发放了50份调查问卷,最终收回有效答卷35份。
      从这35份调查问卷的结果可以看出,有高达45.7%比例的学生根本不了解虚拟仿真实验室,25.8%的学生对虚拟仿真实验室只处在“听说过”的程度,了解虚拟仿真实验室的学生只有28.5%,没有学生认为自己“熟悉”虚拟仿真实验室。在使用热分析仪虚拟仿真实验室后对其评价中,没有学生觉得这种学习方式枯燥不想操作或者操作简单、觉得没意思,46%的学生觉得虚拟仿真操作任务流程清楚、易学习,54%的学生觉得这种学习模式可反复学习,很实用。在使用虚拟仿真实验室后对仪器的操作流程的理解程度来看,88.6%的学生表示“基本清楚”,11.4%的学生“部分清楚”,没有学生“不清楚”或者“一点不明白”。从学生对虚拟仿真实验使用后对自身学习的影响来看,37.5%的学生认为学习到很多的仪器操作以及注意事项,57.5%的学生认为很大程度上提高了自主学习的兴趣,只有5%的学生认为有提升但不明显,没有学生觉得没有任何提升。通过虚拟操作后,65.7%的学生对操作流程掌握程度可以达到50%-80%,34.3%的学生掌握程度可达90%以上。在谈到仪器虚拟仿真实验室的影响时,97%的学生表示其改变了教学模式,弥补了课堂的不足,只有3%的学生认为无多大影响。对热分析虚拟仿真实验室的不足之处时,35.9%的学生选择了“画面不够清晰,部分图标看不清楚”,17.9%的学生选择了“不能自己设定测量参数和样品的测量方法”,20.5%的学生选择了“做实验时动手不动脑,过后容易忘记实验要点”,25.7%的学生给出了需要改进之处,如:电脑配制低,容易卡顿;没有返回撤销功能;直接退出,易误操作;等。所有学生都认为虚拟仿真实验室对教学和学习有帮助,有必要进行推广,甚至有的同学在虚拟操作环节结束后仍对其回味无穷,并对调查问卷表现出很大的填写兴致,认为该系统“简单,安全,流程清楚,提升学习趣味性,对动手能力也很有很大提高”,“加强了实验内容的记忆,条理更清晰,可反复操作,降低实际操作的失败率”,给予该虚拟仿真操作系统很高的评价。

北京市海淀区学清路8号科技财富中心
公众号
移动端