基于虛擬仿真實驗教學的應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式
——以硅太陽能電池制造技術(shù)為例

景德鎮(zhèn)陶瓷大學 材料科學與工程學院 江西 景德鎮(zhèn) 333403

在新工科背景下,應(yīng)用型人才的培養(yǎng)成為高等教育的一個重要培養(yǎng)目標。企業(yè)對人才能力的期望,不再僅僅局限于他們要具備來自書本的理論知識,更希望他們具備優(yōu)秀的理論運用能力和實踐操作能力,希望他們能夠快速地將理論知識轉(zhuǎn)化為實踐技術(shù)。在光伏領(lǐng)域,經(jīng)過近十年產(chǎn)業(yè)孕育期殘酷的優(yōu)勝劣汰,硅太陽能電池行業(yè)已形成穩(wěn)定的產(chǎn)業(yè)鏈,整體向好發(fā)展,成為典型的需求大量應(yīng)用型人才的新興行業(yè)。2009年,教育部設(shè)立了高校新能源材料與器件專業(yè),為太陽能電池及其它新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供人才支持。到目前為止,全國已有22所高校成立了新能源材料與器件(光伏)專業(yè),以期為企業(yè)注入專業(yè)的技術(shù)研發(fā)力量。這樣一個新興專業(yè),尤其要求學生不僅要具備新能源方面的知識,更重要的是掌握物理、化學、材料等知識在新能源材料領(lǐng)域的應(yīng)用[1]。因此,在新能源(光伏)專業(yè)的本科培養(yǎng)目標中,我們不僅要重視理論知識的傳授,還應(yīng)該重視學生知識運用能力和實踐能力的培養(yǎng),這對于提高其畢業(yè)后在企業(yè)中的適應(yīng)能力有直接的、顯著的作用。

傳統(tǒng)的實驗實踐教學模式常受時間和空間的制約,并普遍存在優(yōu)質(zhì)實驗教學資源不足和各高校實驗教學資源發(fā)展不平衡的問題[2]。在進行硅太陽能電池生產(chǎn)制造技術(shù)的實踐教學中,這類問題表現(xiàn)得尤為突出。而虛擬仿真實驗教學作為傳統(tǒng)實驗實踐教學模式的一個有力補充,將成為高校培養(yǎng)該領(lǐng)域應(yīng)用型人才和實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)實踐教學資源共享的一個重要途徑[3]。本文以硅太陽能電池制造技術(shù)為例,對虛擬仿真教學模式進行了思考和探討。

1 硅太陽能電池制造技術(shù)虛擬仿真實驗教學的優(yōu)勢

單晶硅和多晶硅太陽能電池的生產(chǎn)具有工藝環(huán)節(jié)多、設(shè)備要求高、部分環(huán)節(jié)耗時長等特點。大部分設(shè)備昂貴,如多晶鑄錠爐和單晶生長爐等。而且,實驗室所用小型設(shè)備與企業(yè)生產(chǎn)所采用的大型設(shè)備在實踐操作上差別較大,比如在配料裝料方面,又比如在生產(chǎn)管理層面,都有不同的技術(shù)要求。因此,針對硅太陽能電池生產(chǎn)設(shè)計和制造技術(shù)的傳統(tǒng)實驗教學手段存在各種困難,如:常規(guī)課時內(nèi)無法完成全部工藝環(huán)節(jié)的教學;實驗室只能采用小型設(shè)備,與產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)所使用的大型設(shè)備在工藝和操作方面有很大差別;實驗教學難以考慮到生產(chǎn)管理層面的因素。

另一方面,通過企業(yè)實習來進行硅太陽能電池生產(chǎn)設(shè)計和制造技術(shù)的實踐教學,也普遍存在一些問題,如很多高校常常無法具備良好的企業(yè)實習條件;通常需要耗費大量的時間和經(jīng)費對多個企業(yè)進行參觀學習,才有可能讓學生全面了解整個生產(chǎn)流程;學生無親身實踐體驗,不利于理論運用于實際的經(jīng)驗積累。

虛擬實驗教學可以有效彌補硅太陽能電池制造技術(shù)實驗實踐教學方面的上述不足,尤其可以解決實驗教學難以配置大型設(shè)備以及企業(yè)實習對學生實踐操作的時間和空間限制等問題。而且,虛擬實驗室建設(shè)成本低,可以減小實驗室面積和降低設(shè)備購置、耗材購買、儀器設(shè)備維護等方面的開支?；谔摂M實驗教學模式,可以讓學生在復(fù)習鞏固基本理論的基礎(chǔ)上,對電池生產(chǎn)的工藝方法和參數(shù)設(shè)置進行獨立的思考和設(shè)計,并嘗試解決生產(chǎn)中可能出現(xiàn)的問題。通過有效的人機互動設(shè)計,可以充分利用信息技術(shù)開展啟發(fā)式、探究式、討論式、參與式等以學習者為中心的教學新模式,有利于引導學生進行主動的設(shè)計和創(chuàng)新,提高實踐教學效果,培養(yǎng)其知識運用能力和解決實際問題的能力。

2 硅太陽能電池制造技術(shù)虛擬仿真實驗設(shè)計

2.1 教學理念與教學方法 硅太陽能電池制造技術(shù)虛擬仿真實驗教學平臺建設(shè)的核心目標是,基于虛擬仿真實驗教學模式,彌補傳統(tǒng)實驗實踐教學的不足,為企業(yè)輸送能快速適應(yīng)崗位要求的應(yīng)用型技術(shù)人才。平臺的建設(shè)可以基于逼真的3D動畫仿真和第一角色扮演,激發(fā)學生的學習興趣并給予他們切身體驗,促使他們進行獨立思考從而獲得對相關(guān)知識的更深刻理解。

虛擬實驗項目的建設(shè)過程中,應(yīng)注意以下幾個方面:

(1)建立豐富、細致的人機互動機制,從基礎(chǔ)知識掌握、知識應(yīng)用、創(chuàng)新能力等不同層面對學生進行能力訓練和考核。

(2)在進行資源建設(shè)與人機互動機制探索過程中,強調(diào)教師對學生實驗過程的監(jiān)管,并設(shè)計相應(yīng)的即時交流功能,以便指導老師能夠及時地進行引導、答疑和進行教學評價。

(3)建立指導老師引入問題、情景變化和突發(fā)情況的機制,引入啟發(fā)式、探究式、討論式、參與式等多教學方法,形成以培養(yǎng)學生實踐能力和創(chuàng)新能力為目的的虛擬仿真教學模式。

2.2 資源建設(shè) 硅太陽能電池制造技術(shù)虛擬仿真實驗教學平臺的建設(shè)可以依據(jù)工藝流程進行模塊化設(shè)計。根據(jù)設(shè)計好的實驗?zāi)K,建立實驗原理規(guī)范、實驗步驟指導資料,搜集、錄制教學視頻,并進行仿真實驗軟件的設(shè)計和建設(shè)(如圖1)。虛擬實驗資源建設(shè)過程中,必須合理地引入有效的虛擬實驗評價體系,以評價教學效果和培養(yǎng)目標達成情況。

圖1 硅太陽能電池制造技術(shù)虛擬仿真實驗教學平臺架構(gòu)

(1)實驗?zāi)K。根據(jù)硅太陽能電池的生產(chǎn)工藝流程設(shè)計實驗?zāi)K,比如配料裝料實驗?zāi)K、單晶生長實驗?zāi)K、多晶鑄錠實驗?zāi)K、開方切片實驗?zāi)K、制絨實驗?zāi)K、擴散實驗?zāi)K、少子測試實驗?zāi)K、電池封裝實驗?zāi)K等。

(2)原理與操作規(guī)范。本部分內(nèi)容為實驗準備資料,可以通過在線平臺供學生閱讀參考。這一部分內(nèi)容應(yīng)以規(guī)范性為前提,介紹每個實驗涉及的基本原理、實驗設(shè)備、操作程序以及詳細的操作步驟,以幫助學生熟悉實驗的操作過程。各步驟必須標準、規(guī)范,但不能具有限制性。

這其中還包括設(shè)備的介紹,如相應(yīng)設(shè)備的型號、參數(shù)、性能特征、場地和水電使用要求、操作注意事項等,以圖文混合方式呈現(xiàn)解,讓學生對多晶硅太陽能電池生產(chǎn)設(shè)備的情況有基本的了解。

(3)視頻演示。主要是動畫演示和錄像資料,所涉及的設(shè)備和素材要盡量與企業(yè)生產(chǎn)情況相符,能夠形象地展示實驗的全過程或者關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

(4)仿真實驗。在仿真軟件設(shè)計時,充分引入人機互動機制。軟件要能夠?qū)Σ煌瑓?shù)下得出的實驗數(shù)據(jù)進行自動處理,具體有對錯誤的實驗步驟進行提示和修正的功能。仿真實驗教學不僅要使學生掌握實驗的原理和過程,還要使他們熟悉相關(guān)設(shè)備的操作。

(5)交流平臺。提供同學之間、師生之間的交流平臺,具有使用指導(服務(wù)答疑)、軟件管理、學生和班級管理、課堂管理、成績管理等功能。

(6)評價體系。建立合理、有效的虛擬實驗評價體系,對學生的相關(guān)知識掌握情況和相關(guān)能力培養(yǎng)情況進行評估,評價虛擬仿真實驗平臺的教學效果。

2.3 人機互動機制的探索與設(shè)計 虛擬實驗項目的建設(shè)中,充分的人機互動設(shè)計是調(diào)動學生學習積極性、培養(yǎng)學生實踐的基礎(chǔ)。

人機互動設(shè)計應(yīng)以規(guī)范化設(shè)計為前提,這是學生能夠正確、順利地將原理規(guī)范運用于指導虛擬實驗操作的保證。因此,首先要基于相關(guān)理論基礎(chǔ)與技術(shù)的生產(chǎn)應(yīng)用現(xiàn)狀確定虛擬實驗對應(yīng)的規(guī)范化前提,在此基礎(chǔ)上合理地進行人機互動設(shè)計。在虛擬仿真教學過程中,系統(tǒng)利用控件對不同的實驗步驟和實驗參數(shù)進行處理,反饋相應(yīng)的實驗結(jié)果,包括操作錯誤提示以及錯誤的、失敗的、甚至破壞性的結(jié)果等。同時,基于規(guī)范化前提,可以在虛擬仿真實驗過程中預(yù)設(shè)一定的情景變化和突發(fā)情況,允許指導教師臨時設(shè)計引入問題、情景變化和突發(fā)情況。學生根據(jù)相關(guān)知識與技能應(yīng)對和處理情景變化與突發(fā)情況,這可以作為教學評價體系中知識運用能力和創(chuàng)新能力考察的重要方面。

2.4 教學效果評價與評估 合理的評價體系應(yīng)當能夠從不同能力層次對學生的實驗完成情況進行考查。評價方式主要通過在虛擬實驗中設(shè)立交互點和引入問題、情景變化、突發(fā)情況等進行,并輔以習題測試,考查學生對不同層次考察點的達成情況。評價體系要有機地融入開放服務(wù)平臺,通過平臺的使用指導(服務(wù)答疑)、實驗軟件運行管理、學生和班級管理、課堂管理、成績管理等功能實現(xiàn)最終的評價管理。

3 結(jié)語

應(yīng)用型人才培養(yǎng)是高校教育的一個重要發(fā)展方向,其目標是為企業(yè)輸送能快速適應(yīng)崗位要求的技術(shù)人才,其核心是有效的實踐教學模式。虛擬仿真實驗教學在資源、時間和空間方面都不存在實施障礙,適于進行應(yīng)用型人才培養(yǎng)。本文提出的虛擬仿真實驗教學模式,建設(shè)的核心在于加強指課堂管理功能、豐富交互點設(shè)計和加強人機互動機制以及豐富能力訓練、考查和評價的層次。本文針對硅太陽能電池制造技術(shù)提出的虛擬實驗教學模式,對于其它領(lǐng)域和專業(yè)的應(yīng)用型人才培養(yǎng)也有重要的借鑒意義。