面向個性化智能化的SeeLight光學(xué)虛擬仿真教學(xué)研究

寧禹 程湘愛 呂品

［摘 要］ 虛擬仿真技術(shù)在教學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用不斷深化，高等學(xué)?；A(chǔ)教學(xué)對虛擬仿真軟件的需求主要有三個方面：一是專業(yè)性強(qiáng)；二是具有教學(xué)輔助功能；三是模塊可以量身定制，滿足特定人才培養(yǎng)需求。以SeeLight光學(xué)虛擬仿真平臺教學(xué)版的研發(fā)和應(yīng)用為例，闡述該綜合性教學(xué)輔助平臺的研發(fā)背景及意義，結(jié)合其在“應(yīng)用光學(xué)”課程中的教學(xué)應(yīng)用，研究如何將虛擬仿真技術(shù)與教學(xué)輔助功能深度融合，創(chuàng)新專業(yè)課程教學(xué)方法，提升教學(xué)的個性化、智能化和精準(zhǔn)度，明晰教學(xué)實(shí)施要點(diǎn)，最后進(jìn)行教學(xué)反思。

［關(guān)鍵詞］ 虛擬仿真教學(xué)；教學(xué)智能化；SeeLight教學(xué)版；應(yīng)用光學(xué)

［基金項(xiàng)目］ 2020年度教育部光電教指分委“一流課程與一流專業(yè)建設(shè)”教育教學(xué)研究項(xiàng)目（2020SYL26）

［作者簡介］ 寧 禹（1979—），女，山東章丘人，博士，國防科技大學(xué)前沿交叉學(xué)科學(xué)院高能激光技術(shù)研究所副研究員，主要從事激光光束控制研究；程湘愛（1966—），女，安徽桐城人，博士，國防科技大學(xué)前沿交叉學(xué)科學(xué)院高能激光技術(shù)研究所教授，主要從事光學(xué)工程研究；呂 品（1982—），男，河南南陽人，博士，中國科學(xué)院自動化研究所研究員，主要從事信息系統(tǒng)建模與仿真、智能信息處理研究。

［中圖分類號］G642.0［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］ A［文章編號］ 1674-9324（2023）13-0000-04［收稿日期］ 2022-07-21

隨著虛擬仿真技術(shù)在教學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用深化，各種門類的虛擬仿真教學(xué)軟件層出不窮，但是真正能夠滿足高等學(xué)?；A(chǔ)教學(xué)需求的卻很難找到，究其原因主要有三個方面［2-3］：一是專業(yè)性不夠強(qiáng)。傳統(tǒng)的以Flash和三維動畫為主導(dǎo)，側(cè)重于情景展示的實(shí)訓(xùn)類虛擬仿真軟件，因其缺乏理論模型與計(jì)算支撐，僅限于既有案例演示操作而不能靈活擴(kuò)展，不能滿足專業(yè)性較強(qiáng)的課程教學(xué)需求。部分專業(yè)性較強(qiáng)的光學(xué)類虛擬仿真軟件（如ZEMAX、VirtualLab等）主要面向企業(yè)用戶或科研院所開發(fā)，側(cè)重產(chǎn)品設(shè)計(jì)和參數(shù)優(yōu)化，基本原理和物理模型涉及較少，不適于輔助教學(xué)。二是教學(xué)輔助功能不夠強(qiáng)。信息化教學(xué)的基本特征是開放、共享、交互與協(xié)作，許多通用教學(xué)輔助軟件（如雨課堂等）基本實(shí)現(xiàn)了交互共享功能，而目前虛擬仿真軟件大多采用單機(jī)版運(yùn)行，沒有網(wǎng)絡(luò)版，仿真結(jié)果難以在線交互共享。仿真過程也缺乏跟蹤和記錄，教師難以根據(jù)學(xué)生的仿真學(xué)習(xí)行為發(fā)現(xiàn)其知識短板并給予個性化的學(xué)習(xí)建議。三是人才培養(yǎng)需求不同。如北京理工大學(xué)工程光學(xué)虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)是根據(jù)自身人才培養(yǎng)需求研發(fā)的，側(cè)重多學(xué)科交叉融合，其多元化的學(xué)生培養(yǎng)思路并不一定適用于其它高校的光學(xué)專業(yè)課程授課。

在虛擬仿真教學(xué)軟件功能不斷面臨新需求的同時，開展虛擬仿真教學(xué)對教師自身的教學(xué)水平也有著較高要求［4-5］。如何既保留傳統(tǒng)教學(xué)方法的精髓、又適應(yīng)教學(xué)信息化的發(fā)展趨勢；如何立足于本學(xué)科的學(xué)科特點(diǎn)、系統(tǒng)地研究教學(xué)實(shí)踐中存在的問題，并合理地運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)解決問題；在提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效果和教學(xué)質(zhì)量方面，有哪些虛擬仿真教學(xué)技術(shù)值得關(guān)注和深入研究。

基于作者所在教學(xué)團(tuán)隊(duì)長時間的本科教學(xué)實(shí)踐積累以及對上述問題的思考，本文從“應(yīng)用光學(xué)”課程教學(xué)實(shí)際需求出發(fā)，闡釋自主研發(fā)SeeLight光學(xué)虛擬仿真平臺的初衷與意義，并以該平臺在“應(yīng)用光學(xué)”教學(xué)中的應(yīng)用為例，開展虛擬仿真教學(xué)技術(shù)研究與教學(xué)效果分析，最后進(jìn)行教學(xué)反思。

一、“應(yīng)用光學(xué)”教學(xué)遇到的困難

“應(yīng)用光學(xué)”（也稱“工程光學(xué)”，或作為“工程光學(xué)”的一部分）課程是高等院校光學(xué)工程專業(yè)本科核心課程，內(nèi)容主要涉及幾何光學(xué)基本理論、經(jīng)典光學(xué)系統(tǒng)和現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)的原理、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及應(yīng)用。這門課程的特點(diǎn)是理論難度不大，但知識點(diǎn)較多、應(yīng)用性強(qiáng)，學(xué)生普遍反映聽課時可以聽懂大部分知識點(diǎn)，但是遇到實(shí)際工程問題不知如何下手。

前期教學(xué)實(shí)踐中，我們采用理論講授與課程實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式提升學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力，但是實(shí)驗(yàn)教學(xué)面臨三個方面的問題：一是與理論教學(xué)不能緊密銜接。光學(xué)實(shí)驗(yàn)對調(diào)整精度、環(huán)境潔凈度都有要求，需要到專用的光學(xué)實(shí)驗(yàn)室才能開展。這就導(dǎo)致學(xué)生在課堂上學(xué)到知識后不能夠隨學(xué)隨練、趁熱打鐵，待到開展實(shí)驗(yàn)時相關(guān)知識已經(jīng)生冷，使理論授課效果大打折扣。二是限制較多。光學(xué)元件易損壞、價格貴，學(xué)生開展實(shí)驗(yàn)的器件損壞風(fēng)險(xiǎn)高。而且有大部分光學(xué)實(shí)驗(yàn)由于儀器設(shè)備的限制不能在實(shí)驗(yàn)平臺上開展，學(xué)生也無法按照自己的想法搭建光學(xué)系統(tǒng)，好奇心難以得到滿足，創(chuàng)造性思維不能得到驗(yàn)證。三是個性化教學(xué)困難。教師難以跟蹤和記錄每一名學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的具體過程，如果實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)論有誤，不知道問題出在哪里。難以兼顧不同層次的學(xué)生，對他們分別進(jìn)行指導(dǎo)。

二、自主研發(fā)SeeLight光學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺

為了解決應(yīng)用光學(xué)教學(xué)中遇到的實(shí)際困難，我們將虛擬仿真技術(shù)引入教學(xué)過程，充分發(fā)揮虛擬仿真教學(xué)的技術(shù)優(yōu)勢，構(gòu)建虛實(shí)結(jié)合、以虛補(bǔ)實(shí)的課程綜合實(shí)踐平融合，并嘗試將虛擬仿真功能與教學(xué)輔助功能深度融合，助力“應(yīng)用光學(xué)”課程教學(xué)。2011年，國防科技大學(xué)高能激光技術(shù)研究所聯(lián)合中國科學(xué)院軟件研究所開始研發(fā)Seelight光學(xué)虛擬仿真平臺（以下簡稱SeeLight）。2017年，SeeLight教學(xué)版正式上線運(yùn)行（網(wǎng)址：www.seelight.net），目前已經(jīng)在國防科技大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、武漢大學(xué)等200多所高校開展了教學(xué)實(shí)踐，累計(jì)受益學(xué)生人數(shù)超過1萬人。相比其他虛擬仿真教學(xué)軟件，SeeLight教學(xué)版具有以下鮮明特點(diǎn)。

（一）以專業(yè)化理論建模計(jì)算作支撐，兼顧基礎(chǔ)教學(xué)與創(chuàng)新實(shí)踐需求

SeeLight教學(xué)版已建成4大類40多個功能模塊。模塊中的每一個基礎(chǔ)元件均采取物理建模、仿真建模、軟件實(shí)現(xiàn)和結(jié)果校驗(yàn)四個步驟依次進(jìn)行和不斷迭代的研發(fā)思路，確保仿真模型的專業(yè)性、仿真過程的合理性和結(jié)果的準(zhǔn)確率。

平臺功能兼顧基礎(chǔ)教學(xué)與創(chuàng)新實(shí)踐需求，既可以驗(yàn)證基本光學(xué)原理、仿真經(jīng)典光學(xué)系統(tǒng)，又可以對新思路、新想法、新實(shí)驗(yàn)快速仿真可視化。對于課程的重點(diǎn)知識（例如高斯公式），利用仿真平臺將抽象的理論公式和光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)快速地轉(zhuǎn)化為虛擬光學(xué)系統(tǒng)，通過可視化的仿真結(jié)果加深學(xué)生對光學(xué)原理的理解。對于學(xué)有余力的同學(xué)進(jìn)行適當(dāng)?shù)闹R拓展，例如鼓勵他們自主創(chuàng)建模型、探索大氣像差對成像質(zhì)量的影響這一復(fù)雜問題，并結(jié)合仿真結(jié)果闡釋物理本質(zhì)，啟發(fā)他們進(jìn)行更深入的思考。

（二）實(shí)驗(yàn)空間個性化，仿真結(jié)果交互共享

SeeLight教學(xué)版采用基于瀏覽器/服務(wù)器的云計(jì)算體系架構(gòu)，無需軟件安裝，教師和學(xué)生均可以通過網(wǎng)絡(luò)瀏覽器便捷使用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺提供的各項(xiàng)功能。并支持根據(jù)個人實(shí)際需要選擇合適的基礎(chǔ)元件模型和教學(xué)案例，以賬戶的形式構(gòu)建個性化的學(xué)習(xí)和虛擬實(shí)驗(yàn)空間。每個用戶可以在個人空間構(gòu)建專屬實(shí)驗(yàn)案例，仿真結(jié)果還可以同其他用戶進(jìn)行共享使用。

（三）精確跟蹤學(xué)習(xí)行為、量化評價學(xué)習(xí)效果

SeeLight教學(xué)版通過采集學(xué)生在平臺上學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)過程中的瀏覽操作、鼠標(biāo)鍵盤輸入、實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)搭建過程、仿真計(jì)算結(jié)果等各類數(shù)據(jù)，通過大數(shù)據(jù)分析的方法對每個學(xué)生的學(xué)習(xí)行為進(jìn)行準(zhǔn)確跟蹤，定量化分析每個學(xué)生對教師講授的各個知識點(diǎn)、原理方法和實(shí)驗(yàn)操作的掌握程度，并以圖表和報(bào)告形式智能化推送給相關(guān)教師，輔助教師對每個學(xué)生進(jìn)行針對性教學(xué)，從而實(shí)現(xiàn)教學(xué)效果的迭代優(yōu)化。

（四）與教學(xué)過程深度融合，助力信息化教學(xué)

為了讓虛擬仿真軟件更好地融入信息化教學(xué)過程，SeeLight教學(xué)版在專業(yè)仿真功能的基礎(chǔ)上增加了與教學(xué)過程深度融合的教學(xué)輔助功能，使該平臺成為專業(yè)性強(qiáng)、為教學(xué)量身定制的線上綜合實(shí)踐平臺。該平臺可以實(shí)現(xiàn)常規(guī)的教學(xué)輔助功能，如課程資源共享、在線知識點(diǎn)評測、互動問答、答案統(tǒng)計(jì)分析等。此外，還能夠開展專業(yè)化的仿真訓(xùn)練，在線布置仿真任務(wù)、跟進(jìn)評測仿真結(jié)果。

三、基于SeeLight的虛擬仿真教學(xué)研究與效果分析

基于“應(yīng)用光學(xué)”課程多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)積累，以及SeeLight教學(xué)版的軟件研發(fā)基礎(chǔ)，從2017年開始，國防科技大學(xué)“應(yīng)用光學(xué)”教學(xué)團(tuán)隊(duì)開展了基于SeeLight教學(xué)版的課程改革實(shí)踐，重點(diǎn)研究了虛擬仿真教學(xué)技術(shù)的教學(xué)實(shí)施要點(diǎn)，及其在學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)和教學(xué)質(zhì)量提高方面的作用。

（一）基于SeeLight教學(xué)版的混合式教學(xué)實(shí)踐。

混合式教學(xué)實(shí)踐包含自主學(xué)習(xí)、課堂導(dǎo)學(xué)和跟進(jìn)提升三個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在自主學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)，學(xué)生根據(jù)教師布置的任務(wù)目標(biāo)，利用平臺資源開展自主學(xué)習(xí)并完成在線知識評測；課堂上，教師根據(jù)平臺反饋的學(xué)習(xí)情況，有針對性地講授重點(diǎn)難點(diǎn)知識，并通過案例研討、仿真訓(xùn)練等方式加深學(xué)生對知識的理解；課后，基于在線平臺，學(xué)生完成仿真任務(wù)，教師提出改進(jìn)建議并跟進(jìn)輔導(dǎo)，最大程度掃除學(xué)生的知識死角。這一過程環(huán)環(huán)相扣、循序漸進(jìn)，促使學(xué)生真正將知識內(nèi)化吸收。

通過試點(diǎn)班級與前三年課程考試平均成績對比，“應(yīng)用光學(xué)”課程考試的優(yōu)秀率和平均分都實(shí)現(xiàn)了一定程度的提升。

（二）依托SeeLight教學(xué)版的創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)

基于SeeLight教學(xué)版為學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)提供實(shí)踐條件，指導(dǎo)學(xué)生參加創(chuàng)新設(shè)計(jì)活動，平臺的專業(yè)性、便捷性和自主性成為吸引學(xué)生勇于實(shí)踐的關(guān)鍵因素。

在第六屆全國大學(xué)生光電設(shè)計(jì)競賽中，學(xué)生應(yīng)用課程中學(xué)到的光場相機(jī)知識，基于SeeLight仿真平臺快速優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，在有限時間內(nèi)成功解決了透過毛玻璃成像問題，在全國108所高校392支參賽隊(duì)伍中勝出，獲得一等獎。

（三）虛擬仿真教學(xué)技術(shù)的校際交流與教學(xué)水平提升

SeeLight教學(xué)版上線運(yùn)行以來，通過復(fù)旦大學(xué)、武漢大學(xué)等200多所高校開展了教學(xué)實(shí)踐應(yīng)用，累計(jì)受益學(xué)生人數(shù)超過1萬人。更多年輕教師加入了虛擬仿真教學(xué)技術(shù)的研究行列，通過結(jié)合本校的實(shí)際情況及學(xué)生特點(diǎn)，交流先進(jìn)的教學(xué)方法、分享教學(xué)經(jīng)驗(yàn)甚至失敗教訓(xùn)，加深了教師對虛擬仿真教學(xué)特性的認(rèn)知，推動了SeeLight教學(xué)版功能的進(jìn)一步優(yōu)化，提升了“應(yīng)用光學(xué)”課程的教學(xué)質(zhì)量。

四、虛擬仿真教學(xué)反思

虛擬仿真教學(xué)作為一種新型教學(xué)方式已經(jīng)在部分高校獲得實(shí)踐和應(yīng)用，對學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)和教師教學(xué)水平提升發(fā)揮著越來越重要的作用。但是并不是所有的教學(xué)過程都適合采用虛擬仿真教學(xué)方式，必須結(jié)合自身的教學(xué)實(shí)際情況進(jìn)行理性分析，對虛擬仿真教學(xué)的優(yōu)勢和局限也要有客觀認(rèn)識，否則盲目投入大量時間精力只會適得其反。

結(jié)語

在大力倡導(dǎo)教育信息化的時代背景下，虛擬仿真技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用為教師提供了充滿創(chuàng)造性的實(shí)踐空間和具有挑戰(zhàn)性的發(fā)展機(jī)遇。深入研究虛擬仿真教學(xué)技術(shù)，未來的卓越教師必將是掌握現(xiàn)代信息技術(shù)、能夠把技術(shù)手段與教學(xué)內(nèi)容深度融合、能夠合理設(shè)計(jì)教學(xué)過程的多面手。依托虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建信息化學(xué)習(xí)環(huán)境，探索實(shí)施個性化、智能化、精準(zhǔn)教學(xué)，提升教學(xué)效果，才能培養(yǎng)學(xué)生在智能時代的核心競爭力。

參考文獻(xiàn)

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Abstract： The application of virtual simulation technology in the field of teaching continues to deepen. The demand for virtual simulation software in basic teaching in colleges and universities mainly includes three aspects： first， it is highly specialized， second， it has teaching auxiliary functions， and third， the modules can be customized to meet the training of specific talents. Taking the development and application of the teaching version of the SeeLight optical virtual simulation platform as an example， this paper expounds the research and development background and significance of this comprehensive teaching auxiliary platform. Combined with its teaching application in the “Applied Optics” course， it studies how to combine virtual simulation technology with teaching deep integration of auxiliary functions， innovative teaching methods of professional courses， improve the individualization， intelligence and accuracy of teaching， clarify the key points of teaching implementation， and finally carry out teaching reflection.

Key words： virtual simulation teaching; teaching intelligence; seeLight teaching edition; applied optics