① 学生交互性操作步骤，共13步

步骤序号	步骤目标要求	步骤合理用时	目标达成度赋分模型	步骤满分	成绩类型
1	了解实验背景、内容和主要操作过程，掌握实验目的，了解我国相关政策及代表性人物经历	15min	学习“实验简介”、“实验目的”、“思政内容”、“模拟操作视频”各1分	4	√操作成绩 √实验报告 √预习成绩 教师评价报告
2	熟悉X射线衍射仪的工作原理、部件组成及测试操作基本流程和注意事项	15分钟	学习“X射线衍射仪（XRD）认知”下内容，每一项得0.2分，小计1.4分；完成XRD设备操作得1.6分3	3	√操作成绩 √实验报告 预习成绩 √教师评价报告
3	熟悉扫描电子显微镜的工作原理、部件组成及测试操作基本流程和注意事项	15分钟	学习“扫描电子显微镜（SEM）认知”下内容，每一项得0.3分，小计1.5分；完成SEM设备操作得1.5分	3	√操作成绩 √实验报告 预习成绩 √教师评价报告
4	熟悉透射电子显微镜的工作原理、部件组成及测试操作基本流程和注意事项	15分钟	学习“透射电子显微镜（TEM）认知”下内容，每一项得0.2分，小计1.6分；完成TEM设备操作得1.4分	3	√操作成绩 √实验报告 预习成绩 √教师评价报告
5	了解两种制备工艺的区别，有助于认识和理解材料制备工艺对材料成分、结构的影响规律	5分钟	阅读两种制备工艺介绍各得0.5分，选择制备工艺1再得1分，选择制备工艺2再得0.5分	2	√操作成绩 √实验报告 预习成绩 √教师评价报告
6	理解材料制备过程中碳包覆工艺流程及参数设置，熟悉材料制备过程仪器设备的操作	15分钟	逐步完成碳包覆工艺流程全过程计3分，碳包覆工艺参数选择800°C×4h计再2分，选择900°C×4h再计1.5分	5	√操作成绩 √实验报告 预习成绩 √教师评价报告
7	理解材料制备过程中镁热还原工艺流程及参数设置，熟悉材料制备过程仪器设备的操作	15分钟	逐步完成镁热还原工艺流程全过程计3分，镁热还原参数选择750°C×4h计再2分，选择650°C×4h再计1.5分，选择850°C×4h再计1.0分	5	√操作成绩 √实验报告 预习成绩 √教师评价报告
8	更深入地认识和了解了材料组成表征方法，并获得所选取制备工艺相应的物相组成、形貌和结构特征，理解制备工艺流程及参数对材料组成、形貌和结构的影响规律	15分钟	依次完成XRD、SEM和TEM表征，每一步得1.5分，小计4.5分；每一步下查看分析“结果解析”再各得0.5分，小计1.5分	6	√操作成绩 √实验报告 预习成绩 √教师评价报告
9	认知动力电池高标准环境，熟悉惰性气氛手套箱规范操作、电极片制作、手套箱操作、扣式电池器件组装方法，掌握电池的基本构造以及组装条件和操作过程，强化学生工程实践意识。	15分钟	依次完成两小步扣式电池组装，每完成1小步得2分，小计4分；第一小步组装错误1次扣0.2分	4	√操作成绩 √实验报告 预习成绩 √教师评价报告
10	认知电化学工作站、电池测试系统等设备，理解电化学测试原理，掌握循环伏安和恒电充放电的电化学性能评价方法，认识和理解动力电池电化学性能测试条件与性能要求标准。	15分钟	依次完成性能测试全部环节得5分，其中，学习循环伏安曲线、充放电曲线、循环曲线各得0.5分，小计1.5分；查看容量-电压&电流、时间-电压&电流、循环-效率&比容量曲线各得0.5分，小计1.5分；查看分析其下“结果分析参考”、“性能解析”各得1分	5	√操作成绩 √实验报告 预习成绩 √教师评价报告
11	理解和掌握不同尺寸颗粒在不同结构条件下的嵌锂膨胀、脱锂收缩规律，理解材料微观结构对使用性能的影响规律	10分钟	完成“粒-尺寸≤150nm”、“粒-尺寸≤150nm-蛋黄结构”、“粒-尺寸≤150nm-核桃结构”的嵌锂膨胀、脱锂收缩操作，各得0.4分，小计2.4分；完成“粒-尺寸>150nm”、“粒-尺寸>150nm-蛋黄结构”、“粒-尺寸>150nm-核桃结构”的嵌锂膨胀、脱锂收缩操作，各得0.4分，小计2.4分；全部完成再加0.1分	5	√操作成绩 √实验报告 预习成绩 √教师评价报告
12	理解和掌握不同尺寸线状硅嵌锂膨胀、脱锂收缩规律，理解材料微观结构对使用性能的影响规律	10分钟	完成“线-尺寸≤150nm”的嵌锂膨胀、脱锂收缩操作，各得1分，小计2分；完成“线-尺寸>150nm”的嵌锂膨胀、脱锂收缩操作，各得1分，小计2分；选择填报“微观结构记录”1项计0.1分，小计0.6分；查看解析再得0.4分	5	√操作成绩 √实验报告 √预习成绩 教师评价报告
13	掌握材料制备-结构-性能之间的相互影响规律，理解高性能硅碳电极材料结构设计思路	20分钟	实验报告在线填写并提交；在线答题，并根据答题结果给分	50	操作成绩 √实验报告 预习成绩 √教师评价报告

 

②交互性步骤详细说明

      该实验教学项目属于《材料科学综合实验》课程，课程总课时54学时，本虚拟仿真实验占4个学时。本实验通过三维仿真技术，虚拟动力电池硅碳电极材料制备、表征与性能操作场景与实验情境，学生可以在整个场景和情境中进行交互性操作13步。具体实验流程如图4所示。

图4

步骤1：实验认知（15min）

  本交互性操作步骤的目的是，了解实验背景、内容和主要操作过程，掌握实验目的，了解我国相关政策及领域名人故事等。

  在实验操作正式开始前，学生先认真阅读实验相关资料，查阅并了解锂离子电池工作原理、电极材料关键指标、我国相关政策及动力电池研究代表性人物经历等。本虚拟仿真实验项目提供实验指导书、思政内容和模拟操作视频。实验指导书包含实验目的、实验内容、基本原理、实验方法、实验过程、注意事项等；思政内容提供了我国碳达峰、新能源汽车（动力汽车）、诺贝尔奖获得者等相关文件和故事；模拟操作视频演示虚拟仿真实验的整个操作流程。

  学生通过点击查看上述内容对实验进行认知，了解并根据实验目的和内容，设计实验方案，绘制出思维导图，撰写并提交预习报告和相关疑问或问题。

  本交互操作过程，只有点击学习“实验简介”、“实验目的”、“思政内容”、“模拟操作视频”全部内容，才能记为该步骤全部完成；如缺任意一项，扣1分。

图5 实验认知：查看实验简介（上）和思政内容（下）

步骤2：XRD认知和操作（15min）

  本交互性操作步骤目的在于熟悉X射线衍射仪的工作原理、部件组成及测试操作基本流程和注意事项。通过认知X射线衍射仪的构造、工作原理、注意事项等内容，并仿真操作XRD对材料组成的表征全过程，使学生熟悉材料组成表征方法以及仪器构造、工作原理和具体操作流程，这是实际实验中很难实现的。

  学生点击模块一，进入高精密仪器实验室，查看“X射线衍射仪（XRD）认知物相分析原理、基本结构、防护、注意事项、样品要求、主要参数、测试等相关内容；对于基本结构部分，学生通过ASWD键操作移动进入虚拟XRD仪器室场景，利用鼠标点击仪器上想要认知的部件或仪器部件名称，该部件跳出并高亮显示、同时给出其详细工作原理或组成的对话框，认知完成后可将其放回原来位置。点击“XRD设备操作”，学生在虚拟场景中仿真样品准备、进样、设定表征参数、XRD表征操作全过程，并得出表征结果。

  本交互操作过程，点击学习“X射线衍射仪（XRD）认知”下全部内容，计1.4分，如缺任意一项，扣0.2分；正确完成XRD设备操作，再得1.6分，如某一操作步骤错误，则无法进行下一步操作。

图6 XRD认知（上）和仿真操作（下）

步骤3：SEM认知和操作（15min）

  本交互性操作步骤目的在于熟悉扫描电子显微镜的工作原理、部件组成及测试操作基本流程和注意事项。

  通过认知扫描电子显微镜（SEM）的构造、工作原理、注意事项等内容，并仿真操作SEM对材料形貌的表征全过程，使学生熟悉材料形貌表征方法以及仪器构造、工作原理和具体操作流程，这也是实际实验中很难实现的。

  学生查看“扫描电子显微镜（SEM）认知工作原理、仪器结构、样品要求和制备、应用等相关内容；对于基本结构部分，学生通过ASWD键操作移动进入虚拟SEM仪器室场景，利用鼠标点击仪器上想要认知的部件或仪器部件名称，该部件拆卸出并高亮显示、同时给出其详细工作原理或组成的对话框，认知完成后可将其放回原来位置。点击“SEM设备操作”，学生在虚拟场景中仿真样品准备、进样、SEM表征操作全过程，并得出表征结果。

  本交互操作过程，点击学习“扫描电子显微镜（SEM）认知”下全部内容，计1.5分，如缺任意一项，扣0.3分；正确完成SEM设备操作，再得1.5分，如某一操作步骤错误，则无法进行下一步操作。

图7 SEM认知（上）和仿真操作（下）

步骤4：TEM认知和操作（15min）

  本交互性操作步骤目的在于熟悉透射电子显微镜的工作原理、部件组成及测试操作基本流程和注意事项。

  通过认知透射电子显微镜（TEM）的构造、工作原理、注意事项等内容，并仿真操作TEM对材料形貌的表征全过程，使学生熟悉材料结构表征方法以及仪器构造、工作原理和具体操作流程，这是实际实验中本科生基本不可能实现的。

  学生查看“透射电子显微镜（TEM）认知工作原理、仪器结构、工作模式、相差、衬度、样品制备、基本操作步骤、实验注意事项、光路等相关内容；对于基本结构部分，学生通过ASWD键操作移动进入虚拟TEM仪器室场景，利用鼠标点击仪器上想要认知的部件或仪器部件名称，该部件高亮显示、同时给出其详细工作原理或组成的对话框。点击“SEM设备操作”，学生在虚拟场景中仿真样品准备、进样、TEM表征操作全过程，并得出表征结果。

  本交互操作过程，点击学习“透射电子显微镜（TEM）认知”下全部内容，计1.6分，如缺任意一项，扣0.2分；正确完成TEM设备操作，再得1.4分，如某一操作步骤错误，则无法进行下一步操作。

图8 TEM认知（上）和仿真操作（下）

步骤5：材料制备工艺制定（5min）

  本交互性操作步骤目的在于了解两种制备工艺的区别，有助于认识和理解材料制备工艺对材料成分、结构的影响规律。主要针对硅碳纳米复合材料的制备工艺设计，包括两种工艺选择，先镁热还原制取硅再碳包覆，和先碳包覆后镁热还原制硅。两种工艺的选取，直接影响到后续具体工艺的差别，便于让学生认识和理解材料制备工艺对材料成分、结构的影响，有助于培养学生的工程实践能力。

  学生点击模块二，进入虚拟材料制备实验室，出现两个制备工艺对话框，将光标放置于对话框之上，则突出显示该工艺的具体描述和示意图；查阅后自主设计自己的制备工艺流程，并点击选择相应按钮开始进入材料制备操作步骤。

  本交互操作过程，点击阅读两种制备工艺介绍，各得0.5分，选择“制备工艺1”再得1分（性能最优），如选择“制备工艺2”再得0.5分，两者只能选其一；记录所选材料制备工艺流程。

图9 材料制备工艺选择

步骤6：碳包覆制备（15min）

  本交互性操作步骤目的在于理解材料制备过程中碳包覆工艺流程及参数设置，熟悉材料制备过程仪器设备的操作。依据所设计和选取的材料制备工艺，在虚拟材料制备实验室，学生仿真碳包覆实验操作，依次进行原料领取、称量、研磨混合，自主选取碳包覆工艺参数后，在管式炉中煅烧碳化处理获得碳包覆复合材料；通过“微观视角”、“管式炉内部”和工艺曲线图窗口原位观察碳化过程中材料结构、炉内状态与工艺进程的演变全过程，有助于学生认识和理解碳化过程及其影响因素。

  本交互操作过程，逐步完成碳包覆工艺流程全过程，计3分，如某一操作步骤错误，则无法进行下一步操作；碳包覆工艺参数选择800℃×4h再计2分，选择900℃×4h再计1.5分，两者只能选其一。记录所选碳包覆工艺参数。

图10 碳包覆工艺参数选取（上）和碳化过程界面（下）

步骤7：镁热还原制取硅（15min）

  本交互性操作步骤目的在于理解材料制备过程中镁热还原工艺流程及参数设置，熟悉材料制备过程仪器设备的操作。依据所设计和选取的材料制备工艺，在虚拟材料制备实验室，学生仿真镁热还原制取硅的实验操作，依次进行原料领取、称量、研磨混合，自主选取镁热还原工艺参数后，在管式炉中煅烧还原，经后续酸洗、干燥后得到产品；在煅烧还原过程中，学生可通过“微观视角”、“管式炉内部”和工艺曲线图窗口原位观察还原过程中材料结构、炉内状态与工艺进程的演变全过程，有助于学生认识和理解镁热还原过程及其影响因素。

  本交互操作过程，逐步完成镁热还原工艺流程全过程，计3分，如某一操作步骤错误，则无法进行下一步操作；镁热还原工艺参数选择750℃×4h再计2分，选择650℃×4h再计1.5分，选择650℃×4h再计1.0分，三者只能选其一。记录所选镁热还原工艺参数。

图11 镁热还原工艺参数选取（上）和碳化过程界面（下）

步骤8：材料组成、形貌及结构表征（15min）

  本交互性操作步骤目的在于更深入地认识和了解了材料组成表征方法，并获得所选取制备工艺相应的物相组成、形貌和结构特征，理解制备工艺流程及参数对材料组成、形貌和结构的影响规律。

  在前述高精密仪器认知和仿真操作的基础上，采用XRD、SEM和TEM对前述所制备得到的硅碳复合材料分别进行组成、形貌和结构表征，获得与学生自主设计和选取制备工艺参数对应硅碳复合材料的表征结果。

  同时，学生还可在“制备工艺参数选择台”自主设计并选择其它制备工艺流程和参数，跳过材料制备流程直接获得相应材料的表征结果，这是实操实验中无法实现的。学生对这些表征结果进行分析和解析，就可以对比材料制备工艺及参数对材料组成、形貌和结构的影响规律。

  本交互操作过程，依次完成XRD、SEM和TEM表征，每一步计1.5分，小计4.5分；每一步查看分析“结果解析”，再各计0.5分，小计1.5分。如某一操作步骤错误，则无法进行下一步操作。记录所选工艺流程及过程参数所对应的表征结果。

图12 XRD（上）、SEM（中）和TEM表征界面（下）

步骤9：组装电池（15min）

  本交互性操作步骤目的在于认知动力电池高标准环境，熟悉惰性气氛手套箱规范操作、电极片制作、手套箱操作、扣式电池器件组装方法，掌握电池的基本构造以及组装条件和操作过程，强化学生工程实践意识。

  在虚拟电池组装实验室及惰性气体手套箱情景中，学生先在组装台上自主、可重复组装扣式电池，如组装顺序有误则无法进入下一步，需重新组装，直至组装顺序正确后才能进入惰性气体手套箱仿真电池组装模拟操作完成电池部件的组装顺序；在虚拟惰性气体手套箱情景中，学生自主完成仿真扣式电池组装操作，并移出手套箱。

  本交互操作过程，依次完成两小步扣式电池组装，每完成1小步计2分，小计4分；第一小步组装错误1次扣0.2分。如某一操作步骤错误，则无法进行下一步操作。

图13 扣式电池模拟组装（上）和仿真组装界面（下）

步骤10：性能测试（15min）

  本交互性操作步骤目的在于认知电化学工作站、电池测试系统等设备，理解电化学测试原理，掌握循环伏安和恒电充放电的电化学性能评价方法，认识和理解动力电池电化学性能测试条件与性能要求标准。

  在虚拟电化学性能测试实验室，学生自主设置测试程序并进行测试操作，获得性能测试数据；通过循环伏安曲线可以分析电极材料的电化学反应机理，通过充放电曲线可知电极材料充放电平台和质量比容量，通过循环曲线测试结果可以获得电极材料在循环过程中的循环稳定性；还可在“制备工艺参数选择台”自主设计并选择其它制备工艺流程和参数，跳过材料制备、器件组装流程，直接获得相应材料的电化学性能测试结果，这是实操实验中无法实现的。对比不同制备工艺和参数所得硅碳复合电极材料的电化学性能数据，分析获得材料组成-合成-结构-性能关系和相互影响规律。

  本交互操作过程，依次完成性能测试全部环节，计5分。其中，点击学习“循环伏安曲线”、“充放电曲线”、“循环曲线”各计0.5分；查看“容量-电压&电流”、“时间-电压&电流”、“循环-效率&比容量曲线”各计0.5分；查看分析其下“结果分析参考”、“性能解析”各计1分，未查看步骤不计分。测试过程操作中，如某一操作步骤错误，则无法进行下一步操作。记录所选工艺流程及过程参数所对应的电化学性能测试结果。

图14 电化学性能测试：程序设置（上）、CV曲线（中）和循环性能（下）

步骤11：结构演变模拟-颗粒状（10min）

  本交互性操作步骤目的在于理解和掌握不同尺寸颗粒在不同结构条件下的嵌锂膨胀、脱锂收缩规律，理解材料微观结构对使用性能的影响规律

  进入模块三，在虚拟空间中，设置材料形状为粒状，学生可自由设计硅材料尺寸（50~210 nm）和复合结构（无包覆、蛋黄结构、核桃结构），生成相应微观结构，并对其在工作状态下的嵌锂膨胀、脱锂收缩演变过程进行模拟操作，记录结构稳定性数据，解析材料结构对性能的影响规律及机制。

  本交互操作过程，将形状设置在“粒”端，当操作者将尺寸在50-150nm之间且复合结构不选择时，形成粒状材料在嵌锂膨胀、脱锂收缩过程中不开裂、不破损，反之则膨胀开裂、收缩破损；当操作者将复合结构选择蛋黄结构时，不管尺寸选择多少，形成蛋黄结构粒状材料在嵌锂膨胀、脱锂收缩过程中不开裂、不破损；当操作者将尺寸在50-150nm之间且复合结构选择核桃结构时，形成粒状材料在嵌锂膨胀、脱锂收缩过程中不开裂、不破损，反之则膨胀轻微开裂、收缩轻微破损；完成“粒-尺寸≤150nm”、“粒-尺寸≤150nm-蛋黄结构”、“粒-尺寸≤150nm-核桃结构”的嵌锂膨胀、脱锂收缩操作，各得0.4分，小计2.4分；完成“粒-尺寸>150nm”、“粒-尺寸>150nm-蛋黄结构”、“粒-尺寸>150nm-核桃结构”的嵌锂膨胀、脱锂收缩操作，各得0.4分，小计2.4分；全部完成再加0.1分，未完成步骤不计分。

图15 微观结构设计与模拟：蛋黄结构（上）和核桃结构界面（下）

步骤12：结构演变模拟-线状（10min）

  本交互性操作步骤目的在于理解和掌握不同尺寸线状硅的嵌锂膨胀、脱锂收缩规律，理解材料微观结构对使用性能的影响规律。在虚拟空间中，设置材料形状为线状，学生可自由设计硅材料尺寸（50~210 nm）和复合结构（无包覆、蛋黄结构、核桃结构），生成相应微观结构，并对其在工作状态下的嵌锂膨胀、脱锂收缩演变过程进行模拟操作，记录结构稳定性数据，在“微观结构记录”窗口中按照结构稳定性从高到底记录参数组合结果，并查看相应结构模型，解析材料结构对性能的影响规律及机制。

  本交互操作过程，将形状设置在“线”端，当操作者将尺寸在50-150nm之间时，形成线状材料在嵌锂膨胀、脱锂收缩过程中不开裂、不破损，反之则膨胀开裂、收缩破损；完成“线-尺寸≤150nm”的嵌锂膨胀、脱锂收缩操作，各得1分，小计2分；完成“线-尺寸>150nm”的嵌锂膨胀、脱锂收缩操作，各得1分，小计2分；选择填报“微观结构记录”1项计0.1分，小计0.6分；查看解析再得0.4分，未完成步骤不计分。

 

图16 微观结构设计与模拟：大尺寸线状结构膨胀（上），小尺寸线状结构及演变模拟结果记录（下）

步骤13：在线测试（考核）（20min）

  本交互性操作步骤目的在于通过对实验所获得的数据进行整理、分析，掌握材料组成-制备-结构-性能之间相互影响和作用的规律，认识和理解作用机理，并得出相关结论，撰写实验报告。有助于培养学生分析、归纳、总结的能力和提高表达水平。

  撰写实验报告时，系统提供word版实验报告模板，供学生在线填写，学生需将实验数据、实验结论和讨论等内容填入实验报告，再将填好的实验报告在线提交。考核测试试题由系统自动给出，学生完成实验考核测试后系统自动给出得分。此部分软件操作只能进行一次，也就是只能提交一次实验报告和考试测试一次。

  本交互操作过程，实验报告在线填写并提交；在线答题，并根据答题结果给分。

图17 在线填写实验报告（上）和测试界面（下）