本实验适应我国新能源、新材料发展需求，以培养具有坚实专业能力和社会能力的创新型卓越工程人才为目标，坚持“学生中心、问题导向、创新实践”的实验教学理念，以“材料组成-制备-结构-性能”专业核心知识体系为嵌入点，选取锂离子动力电池电极材料研发实验场景，基于科学研究成果的100余组真实实验数据，按照“虚实结合、以虚补实”的原则，采用三维仿真等技术自主研发了动力电池用硅碳电极材料制备、表征与性能虚拟仿真实验，以解决现实中专业人才培养瓶颈问题。

（1）实验的必要性及实用性

1）实验的必要性

① 材料组成与结构表征需高精密仪器，操作专业性强，用于本科实验教学的实操仪器少，成本过高，消耗过大。

材料科学与工程本科专业核心知识体系中，材料的组成与结构直接决定材料的性质和使用性能，表征测试是确定材料组成与结构的关键。然而，实验过程中，材料的组成、微观结构的表征，必须要用到价值几百万、上千万单价的X射线衍射仪、扫描电镜、透射电镜等高精密仪器设备；这些仪器不仅存在一定高危辐射、造价大、使用和维护成本高，而且操作专业性极强，在经济欠发达的西北地区已经是科学研究的稀缺资源，无法承受本科实验课程学生批量实践使用。此外，电池器件组装需要无水、无氧、惰性气氛的手套箱，性能测试需要恒温、恒湿、洁净环境，这对于本科实验课程教学使用也存在成本过高、消耗过大的限制。基于此，在以往实验教学中，本科生通常只能集中听任课教师讲解这些表征测试仪器的工作原理、功能和注意事项，尽管能通过视频、动画等方式增强实验教学效果，但无法实现实验者亲自动手操作仪器进行表征测试，致使学生对相关内容的理解和掌握不够，学习积极性欠佳，实践能力培养无法达成，很难达到高质量教学效果。

在本虚拟仿真实验中，虚拟构建了包含X射线衍射仪、扫描电子显微镜和透射电子显微镜的高精密表征仪器实验室、电池器件组装实验室和性能测试实验室场景，实验者不仅可以对这些高精密仪器部件进行虚拟拆分-组装认知，还可以进行仪器进样和表征仿真操作，完成制样、进样、使用高精密仪器进行表征操作的全过程；同时，还可以在虚拟电池器件组装实验室和性能测试实验室场景中进行器件的仿真组装和性能测试，既提高了学生对知识学习和实验实践操作的积极性、主动性和趣味性，有助于对知识点的理解和掌握，通过仪器仿真操作还能培养学生的动手能力和实践能力，获得优秀的实验教学效果。

② 实验过程工艺复杂、耗时过长,无法实现过程参数系统性调节和实验全过程完成，只有虚拟仿真实验的形式可以消除限制。

材料组成和微观结构可以通过材料制备工艺及参数的选取来调控。在实验过程中，通常需要考察原材料种类及配比、制备工艺及其参数（包括先包碳后还原、先还原后包碳、碳化和还原温度等）等诸多因素对材料组成及微观结构的影响规律。从原料准备及混合、碳包覆高温煅烧处理（升温-保温-冷却）、中间产物处理，到镁热还原热处理（升温-保温-冷却）、酸洗、干燥，样品制备单个实验周期通常在72小时以上，尤其是热处理过程需不间断实验守护，严重限制了实验教学的有效实施。同时，动力电池材料的关键性能指标测试需超长时间进行，如通常在0.1C循环200次或1C循环2000次，均需约4000小时（160天以上），耗时过长且过程乏味。

在以往实际教学过程中，通常由授课教师讲授材料制备相关原理与各个工艺参数对目标材料组成、微观结构以及最终性能的影响规律，并结合已有的图表进行解析说明；而实验操作通常仅仅是以象征性地进行单一因素考察的材料半成品的制备实验，根本没有足够的时间完成工艺参数优化、器件组装和性能测试的实验全过程，更无法跳过已学会或单调乏味的部分实验过程，致使学生被动参与实验教学，学习积极性不足，动手能力培养不够；同时，对相应“材料组成-合成-结构”知识体系通常停留在认识层面，理解不够深入，更难说创新思维和能力的培养。

非常荣幸的是，在该虚拟仿真实验中，实验者能够在虚拟环境下，筛选并优化原材料组成、配比、制备工艺流程及参数，在有限时间（＜4小时）内即可自主完成材料制备、组成与结构表征、电池器件组装、性能测试的全过程仿真操作并获得实验数据；实验者还可自主设置并优化材料制备工艺流程或参数，越过已经学会、重复或单调乏味的部分实验过程，直接仿真操作关键步骤，实现多因素实验实践考察，集中认知、理解和应用“材料组成-合成-结构”知识体系，不仅能够提升实验教学的趣味性、主动性和积极性，还能够有效促进学生学习、掌握动力电池硅碳负极材料制备的基本方法和研究思路，掌握材料制备方法、电化学性能测试基本操作技能及各种相关仪器设备的使用方法，拓展学生工程实践能力，培养学生创新思维和动手能力，实现高质量的教学效果。

③ 工作状态下电极材料微观结构演变过程抽象，难以视觉呈现和理解，虚拟仿真教学中可自由实现。作为最有应用潜力的锂离子动力电池负极材料，硅碳电极材料在充、放电工作过程中发生电化学嵌、脱锂反应，同时产生成分和微观结构演变。即使是同一成分组成材料，初始微观结构不同，在工作过程中微观结构演变的过程与呈现出来的使用性能也会存在极大差异。这也是通过本实验实现学生深入理解和灵活应用“材料组成-制备与合成-结构-性能”专业知识体系教学目标的关键所在。然而，材料微观结构需要通过透射电子显微镜来进行观察，充放电工作状态下微观结构演变的观察更是必须在特殊改装的、装有原位表征附件的高价值透射电镜（价值在数千万元）中进行；而且，即使拥有这样的高价值的设备，要完整、恰当、高效地实现充放电工作过程中微观结构演变过程的观察，还需要具有经验丰富且高超技术的专门实验人员，连续花费十数小时甚至数十小时。虽国内拥有该条件的高校不在少数，但绝大多数为满足科学研究所需，而实际专门面向众多本科学生的教学实验是不现实的。在传统教学过程中，微观结构演变过程仅通过口头描述、动画、气球近似模仿来进行讲解，致使学生对知识点理解不透、认知不足，无法达到预期教学效果和目标。

④ 实验主要知识点是该专业核心知识体系的重要体现。材料的组成-制备-结构-性能及表征，是材料科学与工程本科专业核心知识体系。本实验通过材料制备工艺流程及参数的选取，调控硅碳复合结构，进而控制电极材料的电化学性能，采用X射线衍射、扫描/透射电子显微镜、电化学工作站等现代分析技术对材料组成、结构及性能进行表征验证，并分析材料结构-性能关系及相互作用机制；实验包含固态反应及其热力学和动力学、物相分析、结构表征、电化学反应机制及动力学、电化学性能、物理性能和机械性能等专业核心知识体系的主要知识点，以及实验设计与实施、仪器操作、数据获取与分析等技能，且实验过程与行业领域材料实际工程实践高度契合。因此，本实验既有助于本科生深入认识、理解和掌握材料专业核心知识体系，还能高效培养学生的工程实践能力和创新思维，助力新工科背景下新能源材料卓越工程师人才培养。

本虚拟仿真实验虚拟了微观结构自由设计与演变场景，实验者可以自由设计材料组成（有、无碳包覆）、形态（零维颗粒状、一维线状）、尺寸（50~210 nm，数值可连续调节）和复合结构（有内空隙的蛋黄-蛋壳结构、无内空隙的核桃结构），并形成材料微观结构，自主操作在不同工作状态（嵌锂、脱锂）下结构持续演变的仿真模拟，让结构演变过程仿真可视化，便于实验者直观感受和理解“材料组成-结构-性能”关系及制约规律，增强学生中心理念，提升教学效果。

2）实验的实用性

通过三维仿真技术，本实验系统虚拟构筑了锂离子动力电池电极材料控制制备、表征与性能调控真实实验场景，全方位实现了所涉及主要知识点的实验探究，包括材料高温制备、高精密仪器认知与仿真表征操作、器件组装与性能评价、微观结构自由设计及演变等实验环节，将抽象而难理解的微观结构演变过程及“材料组成-制备-结构-性能”相互关系和制约规律通过操作和场景直观呈现，极具可视性和吸引力。

依托该虚拟仿真实验，以学生为中心的实验教学理念得以高质量贯彻。实验者在虚拟情景中进行材料制备、表征和性能测试仿真操作，自主设计材料结构及其主要制备工艺流程和参数，亲手仿真操作器件组装与高精密仪器进行表征测试，自由调控材料微观结构并实现其在工作状态下的仿真动态演变观察，结合软件自动评分系统，让学生能够直观看到实验效果，并综合运用专业知识深入认知和理解“材料组成-制备-结构-性能”相互关系和制约规律并加以应用；这些仿真交互性操作，还可以通过关键参数的任意调节来调控材料结构及性能，并可跳过已学会步骤进行系统性实验操作，不仅突破了传统实验中耗时长、成本高、消耗高、设备少等限制，促进了对专业知识体系知识点的理解和应用，还增强了实验教学的趣味性、交互性、完整性和以学生为中心的理念，让学生在虚拟情境中开展自主探究式操作与研讨学习，激发学生学习兴趣和潜能，有助于实践能力和创新思维的培养，显著提高实验教学效果，凸显虚拟仿真实验的巨大优势。

同时，在引导学生完成基本实验的前提下，还可布置动力电池电极材料综合设计与应用的拓展实验任务，要求学生自主设计微观结构及其控制制备工艺参数，利用虚拟仿真实验系统，验证与完善材料结构设计及其性能调控各项指标，自主分析实验结果，可有效提升学生解决复杂问题的综合能力和高阶思维。

此外，本虚拟仿真实验以动力电池电极材料为实验对象。动力电池，是新能源汽车，尤其是纯电动汽车产业链的核心环节，在实现碳达峰碳中和目标中将起着中流砥柱作用；而电极材料的组成、结构和性能是动力电池性能的关键。因质量比容量大、工作电压恰当、安全性能好，硅碳电极材料已经成为动力电池提容增程的明日之星。因此，不仅可供材料类专业本科生进行实验教学，经过不断补充和完善，本虚拟仿真实验还可供新能源储能材料相关研究生的入门实验教学和从业人员的岗前培训使用，应用对象广，实用性极强。

 （2）教学设计的合理性

本虚拟仿真实验，以动力电池用硅碳电极材料的制备、表征与性能为实验教学内容，主要包括材料组成和结构表征相关的高精密仪器认知与仿真操作（XRD、SEM、TEM），材料制备、表征及性能测试全流程仿真操作与分析（高温碳化、镁热还原、结构表征、电池组装、性能测试评价），和结构-性能相关微观结构自由设计（组成、形态、尺寸、复合结构）与工作状态下的演变模拟等具体教学内容，融汇了材料科学与工程本科专业“材料组成-制备-结构-性能”核心知识体系的主要知识点；将传统炒菜式的结构与性能调控过程，转化为结构设计-控制制备科学理念，将抽象且分散的知识点转化为生动而直观的知识框架。实验主要采用线上虚拟情境中进行材料结构设计、制备、表征、性能测试全流程仿真实验操作，线下仪器实物和真实工作场景观摩，案例教学强调实验原理和方法，结合任务驱动式教学和探究式研讨，促进学生对知识体系和知识点的理解、掌握和应用，培养创新思维和团队合作精神。

该课程所涉实验材料技术属新能源材料领域，教学过程中将深入贯彻“碳达峰碳中和”、“清洁能源”等国家战略思维，融入我国新能源汽车及其动力电池发展历程、现状与未来需求，激发学生爱国热情和专业奉献动力。

通过这些以“学生中心、问题导向、创新实践”的实验教学理念，按照“虚实结合、以虚补实”的原则实施的虚拟仿真实验教学设计，有助于培养适应社会主义现代化建设和科学技术发展需要的、具有坚实专业知识、实践能力和创新精神的新工科背景下卓越工程人才。 

(3) 实验系统的先进性

本虚拟仿真实验数据库基于课程团队近年来以坡缕石矿物为硅源、海藻酸钠为碳源和辅助剂调控制备高性能硅碳负极材料方面的科学研究创新成果（授权国家发明专利，专利号ZL 2020 1 1426521.5）的100余组真实实验数据构建，虚拟与现实实验过程和结果高度契合；实验流程设计接轨动力电池相关国家或行业标准，如《电动汽车用动力蓄电池电性能要求及实验方法》（GB/T 31486-2015）、《电动汽车用动力蓄电池循环寿命要求及试验方法》（GB/T 31484-2015）等，使本实验体系更具先进性、合理性、可操作性、科学性和前瞻性。

本虚拟仿真实验场景，基于360度全实景拍摄，创建以真实动力电池材料生产、表征与性能测试场所为参照的虚拟场景，运用三维建模、动画等技术手段，高度仿真了材料制备工艺过程、高精密仪器表征操作过程、器件组装与性能测试的全过程，并建立了微观结构自主设计及在工作状态下演变虚拟仿真操作场景，使实验场景和实验内容更加直观形象；学生可在虚拟环境下进行自主设计材料制备工艺流程及对过程参数调整的仿真操作，自主选择步骤进行学习和实验操作，并可跳过已经学会或重复的步骤或单调乏味的部分实验过程，直接仿真操作关键步骤，实现多因素实验实践考察，并最终由软件系统自动给出实验结果，便于学生记录和分析，集中认知、理解和应用“材料组成-合成-结构”知识体系。

通过键盘和鼠标，使学生双手在虚拟场景中操作，如同亲临实境，结合现实实验室相关实验设备实物认知，更加感受互动效果。我校拥有该软件的自主知识产权，并获软件著作权（登记号：2022SR0872297）。