創(chuàng)新型人才培養(yǎng)為導向的虛擬實驗教學改革——以《微機械設計與制造》課程為例

董　健,張　利，孫　笠,龍芝劍

(浙江工業(yè)大學 機械制造及自動化教育部重點實驗室, 浙江 杭州 310014)

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創(chuàng)新型人才培養(yǎng)為導向的虛擬實驗教學改革
——以《微機械設計與制造》課程為例

董健,張利，孫笠,龍芝劍

(浙江工業(yè)大學 機械制造及自動化教育部重點實驗室, 浙江 杭州 310014)

摘要：以創(chuàng)新型人才培養(yǎng)為導向,闡述虛擬實驗教學改革的目標指向、總體思路和教學改革內(nèi)容。以《微機械設計與制造》課程為例,基于LabVIEW軟件平臺,開發(fā)了5個虛擬實驗用于實驗教學。教學實踐證明,能夠促進學生智能結(jié)構(gòu)完善,推動學生參與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)和科研活動,提升課程教學質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：創(chuàng)新型人才；微機械設計與制造；虛擬實驗教學；LabVIEW

一、虛擬實驗教學改革的目標指向

(一)虛擬實驗教學的基本概念

實驗教學是理論知識和實踐活動相結(jié)合的過程,實驗教學旨在培養(yǎng)學生細致的觀察能力,持之以恒的頑強毅力與勇于創(chuàng)新的科學精神。虛擬實驗教學是基于計算機技術(shù)和網(wǎng)絡技術(shù)而建立起來的一種實驗教學手段,集文字、圖形和聲音于一體,利用人工智能技術(shù)提供使用者一個人機交互的、界面友好的、學習開放式的虛擬環(huán)境,具有最大化的數(shù)據(jù)共享和知識分享的特點,學生可以像在真實環(huán)境中完成預定目標的實驗和研究項目,能夠最為輕松地進行基礎學習、實驗和研究[1-2]。目前,虛擬實驗教學已經(jīng)擁有穩(wěn)固、便捷的實現(xiàn)技術(shù),例如Java+VRML、ActiveX、FLASH、LabVIEW等[3]。在此基礎上,國外在虛擬實驗教學方面的發(fā)展十分迅速,其著名的虛擬教學實驗室有愛丁堡大學的虛擬控制實驗室,美國北卡羅來大學LAAPhysics物理實驗室,Gentral Florida大學教育訓練研究院的VSL虛擬傳統(tǒng)實驗室等；雖然相比國外,國內(nèi)在此開展的工作還不多,但目前北京大學、清華大學、上海交大、華中科技等國內(nèi)著名高校都陸續(xù)在網(wǎng)上建立了自己的電子教室,國家的資金投入也逐漸開始,教育部也通過專門的基金項目來開發(fā)各類學科的網(wǎng)絡虛擬教學實驗室,并取得了不錯的階段性成果。

(二)虛擬實驗教學改革的目標指向

虛擬實驗教學在引導學生建立基礎實驗和研究能力、開發(fā)創(chuàng)新性實驗和研究理念方面具有不可替代的地位。相比于傳統(tǒng)實驗教學,其優(yōu)越性在于：(1)資源利用最大化：企業(yè)和科研院所的產(chǎn)業(yè)化與科研成果通過網(wǎng)絡跨越了空間距離的限制,使學生的學習可以超出校園向更廣泛的地區(qū)輻射,獲取學校外更多的學習資源；(2)學習行為自主化：通過網(wǎng)絡教育平臺,學生可以在任何時間、任何地點、從任何章節(jié)開始學習課程,可以最大自由程度地自行學習并設計各種實驗,實現(xiàn)各種實驗方案和目的,對于培養(yǎng)學生獨立實踐能力和創(chuàng)新能力有極大幫助,在學習模式上最直接體現(xiàn)了主動學習的特點；(3)學習形式交互化：教師與學生、研究人員與學生之間,通過網(wǎng)絡進行全方位的交流,拉近了施教人員與學生的心理距離,增加了交流機會和范圍。除此以外,虛擬實驗教學還有著不可替代性,它有著較之傳統(tǒng)實驗教學更加良好的開發(fā)性、安全性和經(jīng)濟性,將實驗部分或全部功能虛擬化,以此克服現(xiàn)場實驗教學設備有限性、時間局限性等特點,使虛擬實驗教學在教育、科研領域中具備廣闊的應用前景。

當前理工科高校課程體系按專業(yè)編排,理論性過強而實踐性內(nèi)容偏少,部分知識偏難且陳舊,使用的教材大多是統(tǒng)一的規(guī)劃教材。這樣的課程體系設置與創(chuàng)新型人才培養(yǎng)為導向的教學改革預期目的不符,與社會及科研機構(gòu)的需求還存在較大差距,“學不能用”、“學不會用”的現(xiàn)象較為突出。虛擬實驗教學改革立足于傳統(tǒng)實驗教學,通過新型教學模式強化學生知識學習與能力訓練的結(jié)合程度,將傳統(tǒng)的單一性、演示型、驗證性實驗教學模式改革為綜合性、獨立創(chuàng)新性、設計性的實驗教學模式,利用現(xiàn)有資源為學生創(chuàng)造出能發(fā)揮他們潛能和個性的空間。虛擬實驗教學改革的目標就是要使虛擬實驗教學成為培養(yǎng)學生綜合素質(zhì)能力、創(chuàng)新能力和工程實踐能力的行之有效的重要途徑。

二、創(chuàng)新型人才為目標導向的虛擬實驗教學改革

(一)虛擬實驗教學改革總體思路

按照理論與實踐并行的教學理念,遵循學生的認知規(guī)律,注重學生的基本專業(yè)能力、專業(yè)實踐能力和科研創(chuàng)新能力的培養(yǎng),建立起集科研分析能力培養(yǎng)、工程實踐能力培養(yǎng)、綜合設計能力培養(yǎng)和創(chuàng)新能力培養(yǎng)為一體的虛擬實驗教學平臺,補充和完善傳統(tǒng)教學的不足,虛實結(jié)合,引導學生將虛擬實驗中的所學到的知識應用到實際操作中,促進實驗教學的改革發(fā)展。虛擬實驗教學改革的總體思路是立足于培養(yǎng)獨立性、研究型、創(chuàng)新型人才,應用計算機虛擬現(xiàn)實、仿真等技術(shù)構(gòu)造虛擬實驗環(huán)境進行實驗教學,強化理論與實踐的聯(lián)系,使學生能夠直觀地理解并驗證理論知識,做到理論與實踐相結(jié)合。利用網(wǎng)絡資源搭建虛擬實驗教學平臺,學生可以在學習理論知識的同時,通過虛擬實驗教學平臺進行虛擬實驗,提高動手實踐能力,為將來做專業(yè)型研究和工作做好充分準備。

傳統(tǒng)教學模式下學生缺乏足夠的實踐能力和創(chuàng)新能力,大多通過課堂教學進行知識的學習,僅有的實驗課程又往往受制于場地、資源,實驗課程時間短,內(nèi)容陳舊和簡單,不足以支撐學生培養(yǎng)實踐和創(chuàng)新能力,虛擬實驗教學突破了傳統(tǒng)教學模式空間和資源的限制,學生在虛擬實驗教學平臺上可以自由學習理論知識,構(gòu)思設計并實現(xiàn)各種實驗方案來印證所學理論知識,這是傳統(tǒng)教學不能做到和欠缺的[4]。例如,《微機械設計與制造》課程是一門主要介紹微電子機械系統(tǒng)基本工作原理和微電子機械系統(tǒng)產(chǎn)品的設計、仿真、制造和封裝方法的課程。它要求學生具有較強的設計能力和獨立分析能力,對實驗、實踐教學提出了更高的要求。該課程實踐部分往往需要老師組織學生前往特定的研究機構(gòu)進行實驗,受到場地、實踐以及人力物力等因素制約,在很大程度上影響了教學工作。通過虛擬實驗教學改革,建立虛擬實驗平臺,進行虛擬實驗教學,以期解決各種不便和巨大代價的困擾,對于《微機械設計與制造》課程教學而言具有普遍意義。

(二)基于創(chuàng)新型人才培養(yǎng)智能結(jié)構(gòu)變化調(diào)整教學內(nèi)容

所謂“智能結(jié)構(gòu)”是指為實現(xiàn)或達到既定目標,行為主體具備的知識和能力的數(shù)量構(gòu)成和內(nèi)部結(jié)構(gòu)[5]。實質(zhì)包括兩層含義,一是知識能力的總量,二是各部分的搭配和排列。

從人才培養(yǎng)的角度出發(fā)[6-7],智能結(jié)構(gòu)的確立和調(diào)整過程,就是知識和能力以及兩者合理的總量的增加和結(jié)構(gòu)的邊際性調(diào)整過程。大學生智能結(jié)構(gòu)應由智力、能力和素質(zhì)組成。智力即基本專業(yè)能力和良好的基礎知識,能力即細致的觀察能力、獨立分析能力和創(chuàng)新實踐能力,素質(zhì)即個人專業(yè)素質(zhì)和道德素養(yǎng)。傳統(tǒng)的綜合性大學和理工科大學在設計教學計劃時,課程體系缺乏明確的目標導向性,一般都比較注重培養(yǎng)學生扎實的數(shù)理基礎和專業(yè)理論基礎,而實踐教學環(huán)節(jié)的課時和學分比例相對較低,學生專業(yè)素養(yǎng)與實踐能力與用人單位和科研機構(gòu)的期望往往有所差距。因此,在為學生打下良好的專業(yè)理論基礎的同時,提高學生動手實踐能力,培養(yǎng)學生獨立思考和創(chuàng)新能力就十分必要。以創(chuàng)新型人才培養(yǎng)為導向的虛擬實驗教學改革旨在基于人才培養(yǎng)的智能結(jié)構(gòu)變化對虛擬實驗教學內(nèi)容進行調(diào)整,增強學生的綜合能力培養(yǎng)[8]。在制定專業(yè)教學計劃時,適度縮減理論教學課時,增加實踐教學環(huán)節(jié)比重,使學生智力、能力和素質(zhì)結(jié)構(gòu)協(xié)同化。

微電子機械系統(tǒng)是建立在微米/納米技術(shù)基礎上近年來發(fā)展起來的一種新型多學科交叉的技術(shù)。它可將機械構(gòu)件、光學系統(tǒng)、驅(qū)動部件、電控系統(tǒng)、數(shù)字處理系統(tǒng)集成為一個整體單元的微型系統(tǒng)。微電子機械系統(tǒng)的設計與制造是建立在機械設計、微電子設計、微機械制造工藝和微納器件檢測基礎上的一種高端前沿技術(shù)。微電子機械系統(tǒng)的設計過程是一個在二維半空間的層設計過程,其制造過程強烈依賴于微制造工藝。鑒于當前學校實驗教學條件和資源,無法進行《微機械設計與制造》的實例教授,我們通過虛擬網(wǎng)絡技術(shù)[9-10]針對《微機械設計與制造》課程設計虛擬實驗教學系統(tǒng),對學生進行虛擬實驗教學[11-12]，包括以下基本內(nèi)容：(1)版圖設計；(2)三維建模；(3)機電耦合仿真；(4)硅各向異性原子級腐蝕仿真；(5)虛擬制造。本虛擬實驗教學對優(yōu)化教學資源,提高學生學習自主化和培養(yǎng)學生實踐創(chuàng)新能力具有重要意義。

虛擬實驗平臺建立在計算機技術(shù)和網(wǎng)絡技術(shù)基礎上,其結(jié)構(gòu)組成[13]如圖1所示,由微機械設計與制造虛擬實驗教學管理系統(tǒng)進行后臺管理,及時對該管理系統(tǒng)的教學資料庫,包括多媒體材料庫進行更新；建立自己的服務器,通過Internet與用戶平臺系統(tǒng)相連,供用戶使用。

圖1　虛擬實驗平臺結(jié)構(gòu)組成

針對《微機械設計與制造》這一課程,通過LabVIEW簡潔明了的G語言特色,建立界面友好的人機界面,方便使用者自由控制交互過程。平臺主界面由用戶登錄界面引入,進入實驗平臺。學生可以進行版圖設計、三維建模、機電耦合仿真、硅各向異性原子級腐蝕仿真和虛擬制造五個子實驗的虛擬實驗。圖2所示為虛擬實驗平臺主前面板。

圖2　虛擬實驗平臺主前面板

以虛擬制造設計實驗為例,學生在虛擬實驗平臺上使用IntelliFAB軟件做虛擬制造實驗。虛擬實驗以雙梁-島結(jié)構(gòu)微機械加速度傳感器的工藝過程為實例,模擬出雙梁—島結(jié)構(gòu)微機械加速度傳感器的整個制造過程,包括薄膜淀積、離子注入、干法刻蝕、濕法刻蝕、硅玻璃鍵合等,最后給出上述工藝過程后的器件的三維圖形,供用戶體驗器件工藝過程的正確性。圖3所示為以雙梁—島結(jié)構(gòu)微機械加速度傳感器為例的虛擬制造實驗界面。

圖3　虛擬制造實驗界面

通過建立《微機械設計與制造》虛擬實驗平臺,突破了當前學校實驗教學條件和資源不足的阻礙,在培養(yǎng)學生動手實踐能力和創(chuàng)新能力的實驗教學活動中取得了良好的效果。

三、創(chuàng)新型人才培養(yǎng)為導向的虛擬實驗教學改革成效

(一)促進學生智能結(jié)構(gòu)完善

大學生智能結(jié)構(gòu)因性格差異、學科專業(yè)差別以及所處環(huán)境不同而各不相同,既有共性,也有個性。一般來講,大學生智能結(jié)構(gòu)應符合效能原則、適應原則以及個性原則。這就要求大學生具備科研創(chuàng)新意識和能力,能夠把握科學前沿,具備完整的知識體系,擁有從一個領域到另一個領域的意識能力。然而傳統(tǒng)教學重智力培養(yǎng)而輕能力培養(yǎng),學生智能結(jié)構(gòu)不平衡,學校培養(yǎng)的學生理論知識相對比較扎實,但是理論知識過于單一化,學生不具備完整的知識體系,不足以適應新時代科學迅猛發(fā)展的趨勢；學生創(chuàng)新能力較弱,動手實踐能力不足；人才培養(yǎng)模式與社會對人才的能力和知識結(jié)構(gòu)的期望差距較大；畢業(yè)生進入社會的綜合競爭力較弱,不能滿足社會發(fā)展要求等等。進一步提高對實踐教學重要性的認識,全面和系統(tǒng)地設計行之有效的實踐教學體系,促進學生智能結(jié)構(gòu)完善,成為當前高等院校的迫切需要。虛擬實驗教學平臺基于計算機仿真和網(wǎng)絡虛擬現(xiàn)實技術(shù),突破了傳統(tǒng)教學模式空間和資源的限制,學生在虛擬實驗教學平臺上可以自由學習理論知識,完善自身知識體系,并可以自由構(gòu)思設計并實現(xiàn)各種實驗方案來印證所學理論知識。能使學生在具備寬而實的基礎理論知識同時,極大程度地培養(yǎng)學生獨立思考、動手實踐和自主創(chuàng)新能力,有效促進學生智能結(jié)構(gòu)完善。

(二)推動學生參與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)和科研活動

創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)型人才培養(yǎng)的關(guān)鍵是要健全人格,強化知識創(chuàng)新與實踐創(chuàng)新能力,培養(yǎng)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)精神[14]。核心在于培養(yǎng)理論基礎扎實、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力突出的學生,在教學內(nèi)容上更強調(diào)知識專業(yè)性和理論前沿性,在能力上更加重視學習能力、動手實踐能力和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力等。以創(chuàng)新型人才培養(yǎng)為導向的虛擬實驗教學改革就是建立在信息多元化和交互化的基礎上,通過搭建虛擬實驗教學平臺,使教育資源最大化,學習形式交互化。企業(yè)和科研院所的產(chǎn)業(yè)化與科研成果通過網(wǎng)絡跨越了空間距離限制,使學生的學習可以超出校園向更廣泛的地區(qū)輻射,獲取學校外更多的學習資源,學生可以與教師、研究人員廣泛交流,這就使得學生發(fā)展更加均衡,知識面更加廣闊,并具備實踐能力和創(chuàng)新能力,更能適應當前社會對人才的高要求。虛擬實驗教學平臺連接了學校、研究院和企業(yè),加強了大學與社會的合作培養(yǎng),更加有助于培養(yǎng)學生社會責任感和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)動力,有助于學生畢業(yè)后更快地融入社會。與此同時,學生通過虛擬實驗教學平臺,能夠深入接觸相關(guān)行業(yè),了解當下相關(guān)行業(yè)對人才的最新需求,主動適應社會發(fā)展對人才的要求變化,學生熟悉了行業(yè)現(xiàn)狀、問題和發(fā)展前景,初步具備了進入該行業(yè)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的可能性和技術(shù)基礎。因此,創(chuàng)新性人才培養(yǎng)為導向的虛擬實驗教學改革能夠推動學生參與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的和科研活動的開展。

(三)提升課程教學質(zhì)量

教學評價是評價者判定活動課程教學的好壞、優(yōu)劣及其實際效果的過程,也是一個搜集、交流信息和成果,以及判斷和描述教學活動過程價值的過程。我們從系統(tǒng)架構(gòu)、評估目的、評估原則以及指標體系的完整概貌等角度,系統(tǒng)全面地分析虛擬實驗教學的自身特色,進行科學客觀的教學評價[15]。學生通過《微機械設計與制造》虛擬實驗平臺,學習、模仿、改進虛擬實驗,在虛擬實驗中獨立設計版本設計、三維建模、機電耦合仿真、硅各向異性原子級腐蝕仿真和虛擬制造,并嘗試進行技術(shù)上的創(chuàng)新,深入了解《微機械設計與制造》這門課程的重要性和實際意義。虛擬實驗平臺培養(yǎng)了學生學習實驗的積極性、獨立性和創(chuàng)新性,取得了預期的教學效果。

以《微機械設計與制造》課程為例,建立了基本教學評價體系,包括教師評價與學生自我評價兩部分。教師評價包括教師對學生版圖設計、三維建模、機電耦合仿真、硅各向異性原子級腐蝕仿真和虛擬制造的基礎理論知識理解程度的評分評價,對學生在虛擬實驗平臺上進行五種虛擬實驗的操作獨立性的評分評價和操作創(chuàng)新性的評分評價；學生自我評價是指學生通過在虛擬實驗平臺的學習后對《微機械設計與制造》課程的興趣程度的學生自我評分評價。四項評價分值標準均采用百分制。

以機電專業(yè)選修《微機械設計與制造》課程的2011級98名學生為A樣本,統(tǒng)計了傳統(tǒng)實驗教學模式下《微機械設計與制造》課程教學評價的評價結(jié)果,對四項教學評價的分值分別做平均值處理；而后以選修該課程的2012級92名機電專業(yè)學生為B樣本,在傳統(tǒng)實驗教學基礎上增加了虛擬實驗教學方法,統(tǒng)計教學評價結(jié)果,最后同樣對四項教學評價的分值分別做平均值處理。圖4為傳統(tǒng)實驗教學和增加虛擬實驗教學后的教學評價對比。

圖4　教學評價對比

數(shù)據(jù)顯示,在傳統(tǒng)實驗教學基礎上增加虛擬實驗教學方法后,學生對該課程的興趣程度提升了11個百分點,實驗操作創(chuàng)新性提升了22個百分點,操作獨立性提升了15個百分點,知識理解程度提升了13個百分點。由此可見,虛擬實驗教學確實有其獨到之處,作為傳統(tǒng)實驗教學的輔助與補充手段,能夠提升學生對課程的興趣,加強理論知識的理解程度,更能增強學生的獨立實踐性和創(chuàng)新性。傳統(tǒng)實驗教學和虛擬實驗教學相輔相成,是提升教學質(zhì)量行之有效的方法。

虛擬實驗教學極大地促進了實驗教學改革,突破了虛擬網(wǎng)絡教學中實驗教學瓶頸,基本可以解決傳統(tǒng)實驗教學設備和資金不足,缺乏創(chuàng)新等問題,在教育研究和科學研究領域中具有廣闊的應用前景?！段C械設計與制造》虛擬教學實驗平臺利用了虛擬實驗教學的虛擬性、實踐性、交互性,運用了多媒體技術(shù)和網(wǎng)絡技術(shù)創(chuàng)造良好的學習環(huán)境,吸引了學習者的注意力,激發(fā)了求知欲和解決問題能力,幫助學習者加深了對課程的理解。未來,將深化以創(chuàng)新型人才培養(yǎng)為導向的虛擬實驗教學改革,進一步完善虛擬實驗平臺建設,提高課程教學質(zhì)量。

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(責任編輯：薛蓉)

Innovative talents training oriented virtual experimental teaching reform——Take “Design and manufacture of MEMS” as an example

DONG Jian, ZHANG Li, SUN Li, LONG Zhijian

(The MOE Key Laboratory of Mechanical Manufacture and Automation, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014,China)

Abstract:This paper puts forward the innovative talents training oriented virtual experimental teaching reform, describing the overall target, general idea and teaching content of the reform. Take the course of “Design and manufacture of MEMS” as an example, it is based on LabVIEW software design platform, and five virtual experiments are developed for experimental teaching. The practice proves that the virtual experimental teaching system in “Design and manufacture of MEMS” promote students’ intellectual structure, and encourage students to participate in innovation and entrepreneurship, as well as academic research. It also plays a positive role in improving the teaching quality of “Design and manufacture of MEMS”.

Keywords:innovative talents; Design and manufacture of MEMS; virtual experimental teaching; LabVIEW

中圖分類號：G642.0

文獻標志碼：A

文章編號：1006-4303(2016)01-0100-05

作者簡介：董健(1968—),男,江蘇江陰人,副教授,博士,從事微電子機械系統(tǒng)研究；張利(1971—)，女，遼寧丹東人，副教授，博士，從事機械制造及自動化研究；孫笠(1991—),男,浙江湖州人,碩士研究生,從事微電子機械系統(tǒng)研究；龍芝劍(1993—),男,湖南衡陽人,碩士研究生,從事微電子機械系統(tǒng)研究。

基金項目：浙江工業(yè)大學教改項目(JG1213)

收稿日期：2015-11-04