虛擬仿真技在電路板制作實驗教學中的應用與實踐

許才頊，賀杰（通訊作者），郭慧，黃河，呂美妮

（1.梧州學院電子與信息工程學院，廣西梧州，543002；2.梧州學院大數(shù)據(jù)與軟件工程學院，廣西梧州，543002；3.梧州學院商學院，廣西梧州，543002）

當前，應用型本科院校人才培養(yǎng)方案重理論輕實踐的現(xiàn)象依然嚴重，多數(shù)學生存在動手能力差、難以滿足企業(yè)發(fā)展的需求的問題[1]。將虛擬仿真技術與教育教學深度融合應用示范，是踐行高等院校教學科技化有效途徑，為普通高校轉型提供有效助力，已成為當下實驗教學熱門研究話題[2]。教育部在醫(yī)學、軍事、航天、化工、采礦等領域遴選了近百個國家級虛擬仿真實驗教學中心[3]。此舉為高校的科技化、信息化、虛擬化建設提供政策依據(jù)和實踐基礎，為虛擬仿真技術應用提供便利[4]。

虛擬仿真教學主要構建逼真的虛擬實驗儀器、實驗環(huán)境、實驗材料與實驗流程等，讓學生從虛擬實驗環(huán)境中模擬實驗，以獲得直觀視覺、感知、聽覺、觸覺等多方面的人機交互體驗。將虛擬仿真技術應用在電路板制作實驗，能夠彌補傳統(tǒng)實驗中安全隱患大、耗材成本高、實操互動差、教學資源不足、考核管理難等問題，為學生能在虛擬環(huán)境中反復操作、探索學習提供幫助。

本文根據(jù)我校自身辦學特色和教學條件，為緩解實驗教學成本大、質量差、效率低、風險高等問題，提出虛擬化實驗實踐教學新模式，形成“虛實結合”的實驗教學的新格局。實踐表明，虛擬仿真軟件一定程度上鞏固了教學效果，消除了實驗潛在風險，節(jié)約了耗材支出，達到提高教學效率的目的。

1 電路板制作實驗教學面臨的困境

■1.1 實驗的高成本、耗材大難以控制

印制電路板實驗是電子信息工程專業(yè)的基礎實驗之一[5]，實驗過程需準備覆銅板、砂紙、三氯化鐵、酒精、小刀、鑷子、量筒、助焊劑、打印機、鉆孔機、電烙鐵、熱轉印機和焊錫等原材料。雖上述材料成本低廉，但實驗課程幾乎面向全院學生，使得教學實驗耗材成本一直開支巨大，嚴重影響著學校教學實驗管理與發(fā)展，因此，發(fā)揮虛擬仿真技術的虛擬化特點，盡量減少實驗耗材和經(jīng)濟對開展本課程實驗教學的相關負面影響，能讓任意時間、地點、環(huán)境下的學生，僅需依托電腦和互聯(lián)網(wǎng)等工具，便可相對真實的進行電路板制作的模擬實驗，大大降低了實踐教學所需的成本。

■1.2 安全隱患、環(huán)境污染難以消除

傳統(tǒng)實驗過程因相關工序和工藝的需求，往往涉及到多類設備和強腐蝕化學物質的相互作用，在轉印、腐蝕、鉆孔等環(huán)節(jié)存在不可忽視的潛在的危險[6]。例如：高濃度強酸性腐蝕液意外飛濺而傷害皮膚，化學廢液的排放污染環(huán)境，高轉速的鉆孔機摩擦產(chǎn)生火星飛濺等問題時有發(fā)生。利用虛擬仿真技術設計鉆孔機、轉印機、試劑瓶、實驗室場景等三維模型，以滿足虛擬實驗仿真平臺的需求，讓學生感受“身臨其境”的虛擬仿真實驗教學效果，這樣不僅可避免實驗過程中潛在的有關危險，也一定程度上增強安全意識，彌補傳統(tǒng)實驗存在的不足。

■1.3 “因材施教”的實驗教學難以開展

理論教學和綜合實操是實驗教學的基礎。PPT輔助教學方式是我校實驗理論教學常用手段，由于教學缺乏實踐性、互動性、重點性，學生對于實驗要義的掌握往往十分困難。同時課程學時的限制，容易形成教學兩極化的局面。利用虛擬仿真技術的教學軟件可以內置提示、視頻、教程、統(tǒng)計、考核等功能[7-8]，能信息化標定學生實驗課程過程的掌握情況，能為學生評測、資源共享、學習的量化評估提供支持，能為教師優(yōu)化教學內容、手段及方法，能為實驗教學的“因材施教”提供針對性、靈活性、普適性依據(jù)。

2 虛擬仿真的電路板制板平臺建設思路及內容

■2.1 電路板制作虛擬仿真平臺的建設思路

我校的電路板制作虛擬仿真平臺的建設采取“資源共享、教研并重、特點鮮明、服務地方”的設計理念，以“虛實結合、以虛補實”的設計原則，發(fā)揮群體協(xié)同的綜合教學能力培養(yǎng)和行業(yè)實訓的優(yōu)勢，充分踐行應用型本科人才培養(yǎng)和發(fā)展的主體思想，采取領導牽頭，教師與學生自主設計、研發(fā)、拓展與維護的建設方式，將虛擬仿真、數(shù)據(jù)庫技術、人機交互、網(wǎng)絡通信服務、三維建模等技術與實驗教學、人才培養(yǎng)、教學拓展、科技創(chuàng)新、學科特點等深度融合，開發(fā)出具有跨平臺部署、可拓展、可移植的虛擬仿真實驗教學平臺資源，解決實驗教學中環(huán)節(jié)痛難點問題，強化普通應用型本科院校以實踐、應用、工程技能等為主線的人才培養(yǎng)的模式。

■2.2 電路板制作虛擬仿真平臺的建設內容

三維虛擬仿真教學軟件是本虛擬仿真平臺建設的核心內容。采取任務驅動模式豐富和指導教學，使用信息化、共享化的理念引導學習和實踐，有效培養(yǎng)學生分析問題、完成問題、總結問題的能力，建設形成具有可操作性強、性能穩(wěn)定的集教學管理、虛擬教學、課程考核等于一體的信息化、虛擬化、共享化綜合實驗教研平臺。

首先，組織教師團隊和學生深度整理、分析、探討與總結制板實驗中的相關流程，如：設計與打印PCB圖、打磨覆銅板、轉印覆銅板、配置腐蝕液、腐蝕覆銅板、修板去墨、打孔和涂助焊劑等，完成實驗各環(huán)節(jié)所需的視頻、動畫、三維場景等模型的合理化重構，導入相關場景資源、模型數(shù)據(jù)，定義系統(tǒng)功能所需角色、場景和相關展示的界面風格的設計，充分考慮人機交互中的的場景和諧性與震撼感，讓各類用戶均能體驗科技感十足的舒適交互體驗。

其次，系統(tǒng)性分析虛擬仿真教學平臺的前端交互功能的需求，定義和劃分教師、學生和管理員角色的差異與交互流程，實現(xiàn)實驗所涉及的過程環(huán)節(jié)設計其碰撞、高亮、吸附、拉伸、旋轉等功能，完成學習部分涉及的線上、線下教學視頻與教學動畫的對接和交互展示，完善實驗成果檢查、綜合數(shù)據(jù)分析，各類柱狀圖、餅狀圖、數(shù)據(jù)報表等方面的內容的顯示。虛擬仿真軟件流程圖如圖1所示。

圖1 虛擬仿真教學軟件交互流程圖

最后，選取MySQL數(shù)據(jù)庫創(chuàng)建數(shù)據(jù)表，建設實驗所需的規(guī)范測評、管理、考核體系，設計構建服務器管理系統(tǒng)，完善前后臺軟件的網(wǎng)絡傳輸與數(shù)據(jù)對接，并在學校網(wǎng)絡與信息化中心完成服務器部署，安排學生進行系統(tǒng)化測試。實現(xiàn)虛擬仿真實驗模擬和課程考核動態(tài)結合與合理的區(qū)分，最終形成一套合理、閉環(huán)式仿真教學軟件平臺方案。

3 電路板制作虛擬仿真平臺的開發(fā)、實踐與反思

虛擬仿真教學平臺以三維虛擬仿真技術為基礎，實際開發(fā)過程從“科研性”和“應用性”兩個維度對實驗內容進行設計、實現(xiàn)與優(yōu)化。“科研性”，即通過組織師生結合學習內容與迫切需求，選取Unity 3D開發(fā)引擎[9]，設計完善的實驗教學場景、特效與交互功能，開發(fā)出流程規(guī)范、結構合理、開放創(chuàng)新的綜合性教學管理系統(tǒng)。展示學?？蒲泄ぷ鞯闹黧w擔當。“應用性”，即廣大師生本身是平臺應用的直接使用者，也是平臺的直接研發(fā)者，針對傳統(tǒng)電路板制版實驗教學中的痛點問題，師生研發(fā)團隊可根據(jù)虛擬仿真技術對虛擬實驗的完整性、綜合性、層次性進行宏觀考慮，讓整個虛擬仿真實驗教學內容逐步豐富，整個實驗測評訓練體系逐步完善，整個虛擬仿真平臺逐步智能高效，經(jīng)過反復的“研討-研發(fā)-改進”的循環(huán)迭代，可在能預見的未來，形成實驗結構完整、場景功能合理、綜合測評準確的信息化應用平臺。

■3.1 虛擬仿真教學實驗的開發(fā)

虛擬仿真實驗教學平臺旨在輔助制作電路板工藝的實踐教學，必須確定科學線性的實驗步驟及客觀的實驗結果。線性的實驗步驟需對各步驟的多個工藝流程或操作進行嚴格規(guī)劃。客觀實驗結果則需根據(jù)流程不同或操作差異，預先設計和定義可能出現(xiàn)的場景反饋和實驗結果。形成完備的功能流程圖并開發(fā)成腳本代碼，借助Unity 3D引擎開發(fā)實驗項目的前端實驗操作平臺軟件，供學生在任意環(huán)境反復使用。該實驗平臺需要開發(fā)的核心內容主要有以下三點：

（1）虛擬仿真實驗室中所涉及的各類物件的模型、材質、效果等原始虛擬仿真材料的設計與制作。研發(fā)人員采取簡單建模與復合建模等方式，實現(xiàn)虛擬仿真實驗室內的相關物品三維模型，設計過程嚴格控制模型面數(shù)的數(shù)量，以確保平臺性能的流暢，采取統(tǒng)一的標準對模型的材質、燈光等進行渲染，最終形成模型簡潔、規(guī)范、舒適的一套整體方案。如圖2所示。

圖2 實驗室模型設計圖

（2）設計平臺嵌入相關教學資源的數(shù)據(jù)接口，實現(xiàn)教學過程中音、視頻的集中展示與個性化實驗指導。教師會將電路板制作規(guī)范流程與操作步驟錄制成視頻，集成于虛擬仿真教學軟件中，作為虛擬實驗教學的理論學習資料，也會將慕課、嗶哩嗶哩、優(yōu)酷、百度文庫等相關資源的鏈接進行關聯(lián)，方便學生在軟件中便捷的學習。

（3）電路板制作工藝實踐所涉及的九個核心步驟的虛擬仿真交互方式、操作過程、數(shù)據(jù)呈現(xiàn)等功能的實現(xiàn)。學生開始在虛擬的環(huán)境中對于實驗的九個環(huán)節(jié)依次進行操作，部分操作步驟如圖3所示，操作結果嚴格依賴操作步驟，對于操作過程的所有危險、錯誤操作，平臺會給出詳細的警告并允許學生重復此次操作，從而系統(tǒng)性的提示、規(guī)避掉工程實踐中的風險，操作過程、時間、結果會動態(tài)記錄與計算并將相關結果分享給教師，由老師提供反饋和給出改進的方向。

圖3 虛擬仿真實驗操作相關步驟

■3.2 虛擬仿真教學實踐效果及推廣

虛擬仿真教學對于豐富“電路板制作”實驗教學內容，提高學生的學習積極性和主動性起到了積極作用。虛擬仿真教學堅持貫徹自主學習思想，相比傳統(tǒng)課堂更輕松愉悅，更具親和力。其實踐及推廣概括如下。

在實踐方面，部署虛擬仿真實軟件驗擺脫了時、空、物的局限性，采取虛實結合的混合教學模式，強化了學生對實驗過程和步驟的感性認知，增強了學生學習積極性、趣味性和安全性，減輕了教師負擔，教學效果也明顯提升。學生不僅在學校虛擬仿真實驗室的行為更加規(guī)范，氛圍更加嚴謹與和諧，同時，課后也促使學生逐步形成了反復演練好習慣。

在應用推廣方面，本教學軟件能為我?？萍紝W生社團中鼓勵學生自主創(chuàng)新，服務學生科技創(chuàng)新和發(fā)展提供便利。同時，學院正著力整合資源，豐富相關虛擬實驗內容，以期打造多功能、多任務、復合型的虛擬仿真平臺，因此，在同類本科兄弟院校的相似課程具有極強的推廣應用前景，并為學校建設成為地方教育和實踐創(chuàng)新的中心提供了理論依據(jù)。

■3.3 虛擬仿真教學反思

本虛擬仿真教學平臺并非只是基于虛擬仿真技術的簡單功能復刻，而是“虛實結合，以實補虛”新教學模式的探索。雖受到廣大師生的一致認可，但本團隊依然發(fā)現(xiàn)存在如下問題：（1）虛擬仿真實驗雖完善了實驗內容，但對師生的綜合素質需求很高。虛擬教學的準備、運維和推進過程復雜。（2）虛擬實驗通過軟件模擬實現(xiàn)，能有效的規(guī)避掉實驗潛在危險，同時，虛擬實驗的推進必然會使得學生喪失風險判斷的敏感性。（3）課程的實施對硬件和網(wǎng)絡環(huán)境的要求較高，對于無法滿足自主實驗的學生需要教師、學生和教學管理部門努力協(xié)調共同解決。（4）虛擬仿真實驗充分的發(fā)揮了學生的主觀能動性和自主學習能力，但指導教師如何安排好虛擬教學課程內容，把握教學重難點也是需要深入探討的話題。

4 結語

本虛仿真教學平臺以信息化、網(wǎng)絡化、共享化作為建設指標，圍繞服務地方經(jīng)濟和發(fā)展高層次應用型人才的戰(zhàn)略需求，創(chuàng)建了“易部署、易推廣、易實施、易應用”的虛擬仿真教學新體系。雖虛擬仿真實驗應用于我校基礎實驗依然存在很多問題，但針對實驗的高風險、高成本、不可逆等特性，全自主研發(fā)虛擬仿真教學平臺，讓學生參與平臺的開發(fā)、維護與使用，激發(fā)了學生的科研創(chuàng)造能力，提高了學習興趣，保證了人生安全，節(jié)約了學校的成本和空間，彌補了傳統(tǒng)實驗課程教學的空白，豐富了實驗教學內容，完備了應有的實驗技能訓練體系。目前我校電路板制作虛擬仿真平臺處于試運營階段，調查結果顯示，幾乎得到全體師生的一致好評。上述舉措對于培養(yǎng)應用型電子類本科人才、緩解實驗教學壓力、完善教學環(huán)境等方面起到了一定的促進作用，如何進一步發(fā)揮學科的特色，推動實驗教學改革，創(chuàng)新性服務地方經(jīng)濟發(fā)展，完善虛擬仿真教學資源，努力做到推陳出新，仍然是長期值得探索踐行的課題。