高溫高壓環境下金剛石單晶成核與生長虛擬仿真實驗是曲阜師範大學建設的虛擬仿真實驗課程。
基本介紹
- 中文名：高溫高壓環境下金剛石單晶成核與生長虛擬仿真實驗
- 建設院校： 曲阜師範大學
- 課程負責人： 王海龍
- 授課教師：劉曉兵、孟祥省、秦文華、李曉明
課程簡介,課程目標,
課程簡介
超高溫高壓極端條件下,物質原有的結構將被破壞,為尋找特殊用途的新材料提供了豐富的來源,被視為未來最有可能取得重大科學突破的研究領域。高溫高壓技術套用於材料領域最經典的例子為人造金剛石的合成。利用虛擬仿真技術,構建非擬人化、非漫畫形象,開展高溫高壓環境下金剛石合成虛擬仿真實驗，從而達到拓展實驗教學的深度和廣度，增加實驗的開放性與趣味性,便於學生自主學習,增強學生自主創新能力與科研能力。
課程目標
本項目要求學生利用虛擬仿真實驗，打破時間和空間的限制，突破對大型高壓實驗平台的依賴，使學生可以在不受實驗成本等限制下，多次操作實現，並可真實模擬高溫高壓合成過程中可能出現的各種實驗現象。通過本項目的開展可以讓學生在虛擬實驗室中，充分掌握高溫高壓環境下材料合成技術的關鍵環節，了解金剛石單晶在觸媒體系中的生長機制，並掌握金剛石合中的分析與調節工藝，最終實現全面培養學生綜合分析、探究創新能力的目標。具體實驗目的可以分為下面三個:
(1)打破時間和空間的限制，突破對大型高壓實驗平台的依賴，為實踐教學提供重要的輔助功能。
在預習教學模式下，通過模擬高溫高壓實驗的腔體製備、實驗操作、工藝設定、晶體合成等整個流程，讓參與培訓的學生可以通過導航欄的引導下，學習基本的實驗才做流程，清楚地了解高溫高壓腔體內部所有配件的製作方式，理解配件製備過程中對材料及製備工藝的選取原則，掌握合成工藝設定與調節的技術。使學生擺脫對大型實驗儀器的依賴，能夠在實驗前提前了解實驗原理、實驗內容，掌握和鞏固課堂上的理論知識。
(2)突破實踐壁壘，增加實驗的開放性與自主性，拓寬實驗的深度與廣度，促進科研，為理論教學提供虛擬
素材。
由於高壓高溫高壓實驗的特殊性，具有高成本、時間長、危險係數較高等特點，高壓實驗室難以滿足所有學生一-親歷完整的實驗流程，而且不同的實驗工藝下的金剛石晶體生長現象也無法在一次實驗中觀察到。對實際實驗中因為組裝失誤或者工藝設定偏差而導致的實驗意外，更難以在實際課堂上直接演示(諸如“放火炮”與“放氣炮”等)，因此對於學生來說，比較抽象，導致在實際實驗操作過程中，缺乏做出提前預判的經驗和做緊急處理的能力，造成嚴重的實驗事故。本項目的目的是通過虛擬仿真實驗，使學生可以在不增加實驗成本並降低安全防護難度的前提下，為高溫高壓教學提供了充足的仿真素材，使學生通過自主學習與多次實驗，積累足夠的經驗，更好的增強創新能力和科研能力。
(3)以虛補實，虛實結合,進而做到以虛促實的效果，激發學生的學習興趣，更有效鍛鍊學生的綜合分析與
邏輯推演能力。
金剛石的晶體生長過程是處於一個高溫高壓狀態的極端條件環境，學生無法直觀地觀察到腔體內部的變化情況、晶體的生長過程、後期的變化情況，因此難以僅僅通過合成的晶體或者照片來想像和判斷其中的動態變化過程。通過虛擬仿真項目的建立將工藝參數設定與腔體內部實際變化進行對應，將實際實驗中難以描述的概念和過程，變成可以在短時間和三維空間中實現的實驗，激發學生探索極端條件下材料合成的激情，加深對金剛石單晶在觸媒體系中成核與生長規律的了解，理論聯繫實際，鞏固、驗證和加深課堂教學上《固體物理》、《晶體生長》與《半導體物理》等基本概念、基礎理論和基本方法。
