虛擬仿真技術(shù)在電路板制作實驗教學(xué)中的應(yīng)用與實踐

雷艷秋　梁朝益

虛擬仿真技術(shù)在電路板制作實驗教學(xué)中的應(yīng)用與實踐

雷艷秋梁朝益

（河池市職業(yè)教育中心學(xué)校，廣西 河池 547000）

虛擬仿真技術(shù)是目前較為熱門的技術(shù)之一，技術(shù)已經(jīng)相對成熟，廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，在教育領(lǐng)域也不例外。當(dāng)前，在一些工科、電子類專業(yè)的課程教學(xué)中，虛擬仿真技術(shù)發(fā)揮出了較大的作用。文章以虛擬仿真技術(shù)為研究視角，探討其在電路板制作實驗教學(xué)中的應(yīng)用，并進行教學(xué)實踐研究，具有較強的現(xiàn)實意義。

虛擬仿真技術(shù)；電路板制作；實驗教學(xué)

引言

電路板制作是電子類專業(yè)的重要實驗教學(xué)內(nèi)容，也是電子信息工程專業(yè)培養(yǎng)優(yōu)秀電子工藝制作人才重要實踐教學(xué)環(huán)節(jié)。在該專業(yè)課程教學(xué)過程中，教學(xué)內(nèi)容涉及較為深入，而且也受到各方面的影響，導(dǎo)致存在著較多的問題，比如安全隱患大、耗材成本高、管理難度大等，針對這些問題，使用傳統(tǒng)教學(xué)模式很難解決，而虛擬仿真技術(shù)的出現(xiàn)為解決這些問題提供更了新的路徑。

當(dāng)前，我國大多數(shù)中職學(xué)校仍舊存在著重理論輕實踐的問題，多數(shù)學(xué)生的實踐能力不凸顯，難以滿足企業(yè)的實際發(fā)展需求。因此，尋求一種新的教學(xué)方法，來解決傳統(tǒng)電子信息工程類專業(yè)實驗課程教學(xué)的難題，已經(jīng)成為了當(dāng)前各位學(xué)者研究的熱點問題之一[1]。虛擬仿真技術(shù)具有突出的優(yōu)勢，比如模擬實驗耗材、模擬實驗流程等，均可以為學(xué)生呈現(xiàn)出最為真實的實驗環(huán)境和實驗條件。因此，本文基于以上考慮，在充分挖掘虛擬仿真技術(shù)的優(yōu)勢基礎(chǔ)上，探討該技術(shù)與電路板制作實驗教學(xué)的結(jié)合路徑，對于改善當(dāng)前電子類專業(yè)教學(xué)現(xiàn)狀來說，具有較大的積極意義。

1 虛擬仿真技術(shù)在電子類專業(yè)實驗教學(xué)的作用

虛擬仿真技術(shù)在中職學(xué)校電子類專業(yè)實驗教學(xué)中的作用，主要體現(xiàn)在以下兩個方面：一是可以促進學(xué)生實踐技能的提升。在虛擬仿真技術(shù)沒有出現(xiàn)之前，學(xué)生只能在教師的帶領(lǐng)下，前往一線生產(chǎn)實踐基地進行觀摩學(xué)習(xí)，或者在一線工人的指導(dǎo)下進行簡單的實踐操作，但是這些行為均具有一定的危險性，學(xué)生在實踐期間出現(xiàn)安全問題者不在少數(shù)。那么，尋找一種相對安全的實驗學(xué)習(xí)方式，至為關(guān)鍵[2]。虛擬仿真技術(shù)就正好能夠解決這個問題，電子類專業(yè)課程教師可以利用該項技術(shù)模擬完整的電路板實驗流程，這對于部分學(xué)生來說，是一種極為有效地提升實踐經(jīng)驗的方式，學(xué)生可以在很短的時間內(nèi)，了解到電路板制作的具體情況，此外，這種技術(shù)還可以實現(xiàn)邊學(xué)習(xí)邊實踐的方式，讓學(xué)生充分地將理論知識轉(zhuǎn)化成實踐技能，這是傳統(tǒng)實訓(xùn)教學(xué)所不能達到的效果[3]?？傊?，中職學(xué)校實驗教學(xué)的目的就是為了提升學(xué)生的實踐技能，培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力，虛擬仿真技術(shù)可以在保證學(xué)生安全的情況下，發(fā)揮出實踐教學(xué)的最大效能，是當(dāng)前學(xué)生適應(yīng)未來生產(chǎn)方式的重要教學(xué)工具。二是可為學(xué)生未來就業(yè)奠定堅實的基礎(chǔ)，當(dāng)前社會對于人才的能力要求越來越高，特別是電子信息工程行業(yè)，作為我國的支柱產(chǎn)業(yè)之一，要求相關(guān)人才具有較強的創(chuàng)新能力和實踐能力。虛擬仿真技術(shù)可以幫助學(xué)生在虛擬場景中，進行大量的實踐練習(xí)，并通過大數(shù)據(jù)技術(shù)，將每個學(xué)生在未來工作過程中會遇到的電路板制作實際問題呈現(xiàn)給學(xué)生進行解決，從而幫助學(xué)生積累了大量的生產(chǎn)經(jīng)驗。

此外，虛擬仿真技術(shù)不受客觀現(xiàn)實的影響，學(xué)生在操作失誤之后，并不會帶來實際的社會經(jīng)濟損失，因此學(xué)生可以按照自身的想法來進行問題解決，并從多個角度來提出一些創(chuàng)新性的想法，從而在一定程度上培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力。同時，虛擬仿真技術(shù)可以將電路板制作過程進行細節(jié)化和具體化，讓學(xué)生能夠近距離觀察其制作的全過程，從而對于制作原理有更深的認識，有利于避免因為操作設(shè)備失誤而導(dǎo)致的安全問題。

2 虛擬仿真技術(shù)在電路板制作實驗教學(xué)中存在的問題

當(dāng)前，電路板制作實驗教學(xué)因為虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用，在教學(xué)效率以及理論與實踐轉(zhuǎn)化方面，獲得了一定的成效。但是，由于虛擬仿真技術(shù)出現(xiàn)時間較晚，相關(guān)的理論研究不深入，特別是在教學(xué)應(yīng)用方面，還缺乏系統(tǒng)性，因此，在具體的應(yīng)用過程中，還存在著較多的問題。

2.1　實驗硬件設(shè)施設(shè)備搭建難

虛擬仿真技術(shù)是一項全新的科學(xué)技術(shù)，其沉浸性、交互性、逼真性等特性讓其一經(jīng)出現(xiàn)便得到了廣泛的應(yīng)用，但是虛擬仿真技術(shù)需要有較為先進的硬件設(shè)施設(shè)備支撐，才能完全發(fā)揮出其內(nèi)在功效，否則模擬效果將會大打折扣。具體在中職學(xué)校電路板制作實驗教學(xué)來說，同樣受到硬件設(shè)備的限制。

一是硬件設(shè)備的構(gòu)建十分艱難，需要有高新技術(shù)以及大量資金的支撐，當(dāng)前部分中職學(xué)校對這種技術(shù)還停留在概念階段，認為其距離投入使用還有較長的一段時間，因此對其也不大關(guān)注，更不會劃撥大量資金來進行專業(yè)設(shè)備建設(shè)，這導(dǎo)致了虛擬仿真技術(shù)在電路板制作教學(xué)中的滯后性。二是虛擬仿真技術(shù)本身的發(fā)展還有很多不完善的地方，該技術(shù)的成熟對于相關(guān)硬件零件以及精密儀器的依賴性較大，目前我國對于虛擬仿真技術(shù)的研發(fā)已經(jīng)到了瓶頸階段，如果想要發(fā)揮出更多的模擬效果，還需要基礎(chǔ)理論的突破[4]。虛擬仿真技術(shù)在中職學(xué)校電路板制作教學(xué)中的應(yīng)用受限于技術(shù)本身的限制，無法達到理想的教學(xué)效果，比如因為VR眼鏡分辨率的問題，很多設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)細節(jié)觀察不清楚，而要想提升VR眼鏡的分辨率，就必須提升硬件投資成本，而且目前的技術(shù)發(fā)展也無法達到實驗教學(xué)的真實要求，因此，虛擬仿真技術(shù)的實際應(yīng)用效果差強人意。

2.2　實訓(xùn)教師專業(yè)素養(yǎng)不高

部分實訓(xùn)教師專業(yè)素養(yǎng)不高，主要體現(xiàn)在兩個方面。一是雙師型教師比例不足，目前部分中職學(xué)校教師，在理論與實踐兩方面銜接的不夠緊密，學(xué)校專職教師普遍呈現(xiàn)出缺乏一線工作經(jīng)驗的趨勢，而中職學(xué)校自身雖然緊鑼密鼓地構(gòu)建雙師型教師隊伍，將一些缺乏實踐經(jīng)驗的教師送往合作基地進行掛職鍛煉，但是鍛煉效果欠佳，沒有進行嚴(yán)格的監(jiān)督考核機制，導(dǎo)致掛職鍛煉逐漸趨于形式化。此外，大部分的中職學(xué)校電子類專業(yè)為了彌補這種缺陷，邀請了大量的一線企業(yè)優(yōu)秀員工兼職授課，但是這部分兼職教師群體嚴(yán)重缺乏基礎(chǔ)理論知識熏陶，實踐指導(dǎo)能力雖然較強，所授理論課程脫離學(xué)生實際，教學(xué)內(nèi)容不成體系，也很難發(fā)揮出其應(yīng)有的教學(xué)效果。二是實訓(xùn)教師信息素養(yǎng)不足，難以有效利用虛擬仿真技術(shù)來輔助教學(xué)[5]。中職學(xué)校電路板制作實驗教學(xué)普遍存在著一個矛盾，即新教師接受事物較快，能夠很快將虛擬仿真技術(shù)進行有效利用，但是受限于教學(xué)經(jīng)驗以及知識理解深度的影響，在啟發(fā)學(xué)生思考方面的能力偏弱，而老教師雖然教學(xué)經(jīng)驗豐富，但是對于虛擬仿真技術(shù)一竅不通，學(xué)習(xí)能力也逐漸偏弱，重新學(xué)習(xí)一門技術(shù)需要花費大量的時間成本，很多老教師并不愿意，寧愿急需采用傳統(tǒng)教學(xué)方式。因此，這種矛盾讓虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用受到了較大的阻礙，只有互相取長補短，才能有效地解決這個問題。

2.3　虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用效果較差

當(dāng)前，很多中職學(xué)校都意識到了虛擬仿真技術(shù)在電路板制作實驗教學(xué)中的巨大作用，不惜花費巨資來構(gòu)建相關(guān)硬件設(shè)施設(shè)備，但是受限于師資隊伍結(jié)構(gòu)不良的影響，虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用效果較差，這主要體現(xiàn)在以下兩個方面。一是教學(xué)模式的滯后性，很多中職學(xué)校電子類專業(yè)課程教師很久沒有對自身的知識體系進行更新，而電子信息工程專業(yè)同先進的生產(chǎn)技術(shù)研發(fā)息息相關(guān)，目前的科學(xué)技術(shù)日新月異，中職學(xué)校教師如果不及時了解前沿?zé)狳c技術(shù)，在實際的實驗教學(xué)過程中，仍舊用老一套的思想和內(nèi)容來幫助學(xué)生熟悉制作流程，學(xué)生的知識滯后性將會更加明顯[6]。學(xué)生即使利用虛擬仿真技術(shù)理解了10年前的生產(chǎn)工藝以及設(shè)備工作原理，對其畢業(yè)之后的生產(chǎn)實踐活動也沒有任何幫助。二是虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用深度還有所欠缺，很多中職學(xué)校教師只是將該技術(shù)應(yīng)用在知識理解程度上，利用虛擬仿真技術(shù)讓學(xué)生按照既定程序來進行機械操作，對于工作原理和機械結(jié)構(gòu)等方面沒有涉及，這就導(dǎo)致大部分學(xué)生出現(xiàn)“知其然而不知其所以然”的現(xiàn)象，在實習(xí)或者生產(chǎn)實踐的過程中，生產(chǎn)設(shè)備出現(xiàn)一些問題就不知所措，嚴(yán)重缺乏臨場應(yīng)變以及解決突發(fā)問題的能力。

3　基于虛擬仿真技術(shù)的電路板制作平臺建設(shè)

3.1　建設(shè)思路

筆者通過以上問題的思考，利用現(xiàn)有虛擬技術(shù)的相關(guān)設(shè)備，結(jié)合學(xué)校自身的一些教學(xué)條件，對電路板制作虛擬仿真平臺進行了一定的思考。需要明確的一點就是建設(shè)原則，將該平臺的建設(shè)原則定為“資源共享、教研并重、特點鮮明、服務(wù)地方”，構(gòu)建領(lǐng)導(dǎo)組織小組，將中職學(xué)校培養(yǎng)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)理念充分的踐行出來。此外，本平臺將虛擬仿真、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、人機交互、網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)、三維建模等技術(shù)與實驗教學(xué)緊密結(jié)合，并與學(xué)科教學(xué)特點進行深度融合，開發(fā)出了具有跨平臺部署、可拓展、可移植的虛擬仿真實驗教學(xué)平臺資源，充分發(fā)揮出了本土特色[7]。

3.2　建設(shè)內(nèi)容

虛擬仿真實驗教學(xué)平臺最重要的內(nèi)容是教學(xué)軟件，筆者結(jié)合多位專業(yè)計算機編程教師，構(gòu)建了一個綜合實驗教研平臺，采取任務(wù)驅(qū)動教學(xué)模式來增加學(xué)習(xí)的趣味性，具體內(nèi)容如下。

一是對電路板的制作流程進行深度整理，參與人員就是相關(guān)教師團隊和部分學(xué)生，比如設(shè)計與打印PCB圖、打磨覆銅板、轉(zhuǎn)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，將這些教學(xué)內(nèi)容轉(zhuǎn)換成視頻、圖片等教學(xué)材料，導(dǎo)入虛擬仿真實驗教學(xué)平臺，在充分考慮人機交互效果的情況下，來完成相關(guān)實驗學(xué)習(xí)任務(wù)。

二是要詳細分析虛擬仿真教學(xué)平臺前段交互功能的需求，定義和劃分教師和學(xué)生管理員角色的差異與角色交流，設(shè)計碰撞、拉伸、旋轉(zhuǎn)等功能，完成實驗教學(xué)與綜合數(shù)據(jù)分析等功能，并檢查各類柱狀圖、餅狀圖等內(nèi)容顯示功能。

三是選取MySQL數(shù)據(jù)庫創(chuàng)建數(shù)據(jù)表，建設(shè)實驗所需的規(guī)范測評、管理、考核體系，設(shè)計構(gòu)建服務(wù)器管理系統(tǒng)，完善前后臺軟件的網(wǎng)絡(luò)傳輸與數(shù)據(jù)對接，并在學(xué)校網(wǎng)絡(luò)與信息化中心完成服務(wù)器部署，安排學(xué)生進行系統(tǒng)化測試。實現(xiàn)虛擬仿真實驗?zāi)M和課程考核動態(tài)結(jié)合與合理的區(qū)分，最終形成一套合理、閉環(huán)式仿真教學(xué)軟件平臺方案[8]。

3.3　電路板制作虛擬仿真技術(shù)的教學(xué)實踐

筆者以自己所教的班級為教學(xué)對象，將上述制作而成的虛擬仿真教學(xué)平臺應(yīng)用其中，進行了應(yīng)用效果的探索。

電路板制作工藝實踐涉及了9個部分，這9個部分均可以在虛擬仿真教學(xué)平臺上進行操作完成。學(xué)生通過預(yù)設(shè)好的實驗環(huán)節(jié)，對照著實驗步驟依次進行，在虛擬的環(huán)境中，也不會存在較大的實驗危險，因此在一定程度上降低了安全風(fēng)險。此外，對于操作錯誤的學(xué)生，系統(tǒng)也會及時預(yù)警，提醒學(xué)生操作錯誤，并告知學(xué)生再次進行操作，直到掌握正確的操作方式之后再進行下一步驟的操作，從而最大程度地避免了實際操作過程中的工程風(fēng)險[9]。此外，虛擬仿真教學(xué)平臺系統(tǒng)還能自動操作過程，將操作時間和結(jié)果完整保存下來，并將相關(guān)實驗結(jié)果打包發(fā)送給教師，由教師給予實驗評價和反饋，進一步促進學(xué)生實驗的正確度。

通過本節(jié)課的探索，虛擬仿真教學(xué)對于“電路板制作”的實驗教學(xué)，可以極大地提升學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，而且充分發(fā)揮了學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力，讓課堂變得更加輕松和愉悅。此外，采用了虛實結(jié)合的教學(xué)模式，讓學(xué)生對于實驗步驟有了更加深入的認識，而且對于一些易錯的實驗環(huán)節(jié)更加印象深刻，不僅在一定程度上減輕了教師的教學(xué)壓力，也極大地提升了教學(xué)效果。

4　虛擬仿真教學(xué)的相關(guān)思考

當(dāng)然，在具體的教學(xué)過程中，仍舊存在著一些問題，筆者結(jié)合自身經(jīng)驗，對如何應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)來輔助實驗教學(xué)提出以下幾點建議。

首先，依托“交互性”，增強學(xué)生基礎(chǔ)知識理解度。電子類專業(yè)實驗教學(xué)需要有較多的基礎(chǔ)理論知識來支撐，而這些知識均具有較大的枯燥性，如果由實驗教師來進行逐一講解，一是講解不透徹，難以覆蓋全部知識點，二是學(xué)生理解起來也異常困難，學(xué)習(xí)興趣不高。因此，基于這種情況考慮，中職學(xué)校電子信息類實驗教師應(yīng)當(dāng)抓住虛擬仿真技術(shù)的“交互性”特點，讓學(xué)生全面掌握實訓(xùn)基礎(chǔ)知識。虛擬仿真技術(shù)的“交互性”具有多樣化的特點，當(dāng)學(xué)生將指令輸送給計算機后，計算機再將處理后的結(jié)果呈現(xiàn)給學(xué)生，從而幫助學(xué)生實現(xiàn)對虛擬工業(yè)設(shè)備、實驗流程以及實驗工藝環(huán)節(jié)細微操作的目的，讓學(xué)生全方位的理解這些基本知識和原理。

其次，利用“逼真性”，強化實驗教學(xué)過程的效果。虛擬仿真技術(shù)可以將實驗步驟完整的呈現(xiàn)在學(xué)生面前，其“逼真性”讓學(xué)生有身臨其境之感，當(dāng)然當(dāng)前受限于科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，很多細節(jié)方面還較不完善，但是只要實驗教師專業(yè)素養(yǎng)過硬，將現(xiàn)有的虛擬仿真技術(shù)優(yōu)勢完全發(fā)揮出來，幫助學(xué)生完成實驗任務(wù)，達到實驗效果。虛擬仿真實訓(xùn)具有實驗訓(xùn)練、交流互動、成果展示等眾多環(huán)節(jié)，而學(xué)生只需要在虛擬教學(xué)平臺上進行注冊，就可以開展后續(xù)實驗操作。在虛擬仿真實驗中，學(xué)生可以在模擬情景中開展工作，如同玩游戲一般。同時，實驗教師也需在這個階段給學(xué)生安排一個課題任務(wù)，需要學(xué)生在虛擬仿真系統(tǒng)中獨立的完成一個實驗項目，這樣學(xué)生在熟悉基本知識與技能之后，就可以利用該系統(tǒng)進行知識整合，并達到了實踐鍛煉的效果。此外，實訓(xùn)教師還需安排學(xué)生進行成果展示活動，讓學(xué)生在相互交流的過程中，進行思維碰撞，讓學(xué)生互相觀摩完成課題任務(wù)的過程，并進行組間評價，從不同的角度來提出不同的看法，這對于學(xué)生認清自身思維局限性、完善知識體系，具有極大的作用。

最后，結(jié)合“沉浸性”，提升學(xué)生創(chuàng)新能力。虛擬仿真系統(tǒng)的“沉浸性”，可以幫助學(xué)生集中注意力，利于學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題和解決問題。由于虛擬仿真實訓(xùn)具有連續(xù)性，已經(jīng)形成了較為系統(tǒng)的實驗?zāi)Ｊ剑兄R和技能掌握培訓(xùn)一環(huán)緊扣一環(huán)，由易到難的幫助學(xué)生理解知識。而學(xué)生在虛擬仿真系統(tǒng)中，完全隔絕了外界因素的干擾，全身心地投入在實驗中，有助于激發(fā)學(xué)生的靈感，從而創(chuàng)新性的提出一些生產(chǎn)想法。教師在此環(huán)節(jié)中，應(yīng)當(dāng)合理安排實驗內(nèi)容，結(jié)合有效的、多元的評價方式，增強學(xué)生的實訓(xùn)自信心，并在虛擬仿真系統(tǒng)中設(shè)置一些熱點前沿問題，讓學(xué)生進行深度思考，結(jié)合實踐訓(xùn)練，不斷試錯，來找到解決問題的方式。因此，只有這樣，才能將虛擬仿真技術(shù)的“沉浸性”功能完全發(fā)揮出來，學(xué)生的各項能力也能得到有效發(fā)展。

5　結(jié)束語

綜上所述，當(dāng)前虛擬仿真技術(shù)的教學(xué)優(yōu)勢已經(jīng)得到了一定程度的挖掘，特別是在工程工業(yè)的實踐教學(xué)方面，具有較強的應(yīng)用優(yōu)勢。由于工業(yè)實驗受限于條件的限制，很難在現(xiàn)實中找到相應(yīng)的實驗場所，因此虛擬仿真教學(xué)平臺地出現(xiàn)彌補了這一缺陷。但是，在應(yīng)用的過程中，不可避免地出現(xiàn)了一些教學(xué)方面的問題，比如教師對于虛擬仿真技術(shù)的不熟悉，導(dǎo)致實驗教學(xué)的功能無法完全發(fā)揮出來。因此，只有不斷地完善相關(guān)問題，才能有效地利用虛擬仿真技術(shù)，從而全面促進學(xué)生的成長。

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Application and Practice of Virtual Simulation Technology in Circuit Board Making Experimental Teaching

Virtual simulation technology is one of the popular technologies at present, and the technology has been relatively mature. It has been widely applied in all walks of life, and it is no exception in the field of education. At present, in the course teaching of some engineering and electronic majors, virtual simulation technology has played a great role. From the perspective of virtual simulation technology, this paper discusses its application in the experimental teaching of circuit board manufacturing, and carries out the research of teaching practice, which has strong practical significance.

virtual simulation technology; circuit board making; experimental teaching

G712

A

1008-1151(2022)04-0160-04

2021-12-29

廣西教育科學(xué)規(guī)劃2021年度立項課題“基于超星教學(xué)平臺中職電子專業(yè)‘三教’改革研究與實踐”（2021B332）。

雷艷秋（1977－），女，河池市職業(yè)教育中心學(xué)校高級講師，研究方向為電子專業(yè)教育教學(xué)、德育工作管理。