材料類專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)與應(yīng)用

朱歸勝，陳彩明，趙昀云，蔣坤朋，張秀云，徐華蕊，許積文，熊 健，張 堅(jiān)，陳國華

（1.桂林電子科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，廣西 桂林 541004；2.桂林電子科技大學(xué) 信息與通信學(xué)院，廣西 桂林 541004）

為貫徹落實(shí)習(xí)近平總書記全國高校思想政治工作會(huì)議精神，根據(jù)《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011—2020年）》等相關(guān)要求[1]，深入推進(jìn)信息技術(shù)與高等教育實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深度融合，不斷加強(qiáng)高等教育實(shí)驗(yàn)教學(xué)優(yōu)質(zhì)資源建設(shè)與應(yīng)用，著力提高高等教育實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和實(shí)踐育人水平，國家教育部從2017 年開始了示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的建設(shè)工作，并于2018 年認(rèn)定了105 個(gè)首批國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，2020—2021 年是材料類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的申報(bào)年[2]。因此材料類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的建設(shè)十分緊迫，特別是近年來，高校材料類實(shí)驗(yàn)室安全事故頻發(fā)，建設(shè)材料類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目顯得更為迫切[2-5]。

中國知網(wǎng)以“虛擬仿真”+“實(shí)驗(yàn)教學(xué)”進(jìn)行了精準(zhǔn)檢索，發(fā)現(xiàn)國內(nèi)自2005 年以來有少數(shù)研究者開始進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)領(lǐng)域的研究與探索，并發(fā)表少數(shù)相關(guān)論文，2005—2013 年發(fā)表論文數(shù)為160 篇，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)一直處于起步探索階段。自2013 年教育部印發(fā)《關(guān)于開展國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作的通知》后，國內(nèi)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目教學(xué)在全國展開，2014—2016年，有關(guān)虛擬仿真的論文數(shù)分別達(dá)到127、230 和371篇，2017 年達(dá)到小高峰428 篇，2018 年回落為303 篇，2019 年增加到876 篇。再進(jìn)一步分析，被高被引的前10 篇論文基本是在2013—2015 年，說明虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)領(lǐng)域的研究與探索得到了廣泛的關(guān)注和認(rèn)可。在國際上，2012—2016 年，我國作者在國內(nèi)外發(fā)表的有關(guān)虛擬現(xiàn)實(shí)教育應(yīng)用、虛擬實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)絡(luò)化管理的高水平論文，SCI/EI 檢索的數(shù)量均領(lǐng)先于世界其他國家。因此，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)及教學(xué)改革研究是當(dāng)前教育教學(xué)改革的熱點(diǎn)[6-8]。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)，不僅是桂林電子科技大學(xué)（以下簡(jiǎn)稱“我?！保┎牧峡茖W(xué)與工程專業(yè)自身發(fā)展的內(nèi)在需求，也是工程認(rèn)證以學(xué)生為中心及持續(xù)改進(jìn)的現(xiàn)實(shí)需求，更是材料類專業(yè)綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)的迫切需要。材料科學(xué)與工程學(xué)院科研特色突出，大型儀器設(shè)備平臺(tái)先進(jìn)，如何充分利用現(xiàn)有優(yōu)勢(shì)，推進(jìn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)，實(shí)現(xiàn)材料類專業(yè)從無到有的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，對(duì)帶動(dòng)材料類專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革具有十分積極的意義，同時(shí)對(duì)推動(dòng)材料類專業(yè)在工程認(rèn)證背景下的創(chuàng)新型人才培養(yǎng)具有重要作用和意義。

桂林電子科技大學(xué)以建設(shè)成為電子信息特色鮮明的國內(nèi)高水平大學(xué)為目標(biāo)，圍繞電子信息特色建設(shè)和發(fā)展材料類專業(yè)也是材料科學(xué)與工程學(xué)院（以下簡(jiǎn)稱“我院”）的發(fā)展目標(biāo)。薄膜技術(shù)與薄膜材料課程是我院材料科學(xué)與工程專業(yè)電子信息類課程的典型代表課程，其中涉及的磁控濺射鍍膜技術(shù)是現(xiàn)代微電子、半導(dǎo)體等信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要技術(shù)。磁控濺射鍍膜設(shè)備昂貴，實(shí)驗(yàn)操作流程長(zhǎng)，且鍍膜過程涉及強(qiáng)酸強(qiáng)堿的使用，存在一定的安全隱患，因此我院首先開展了磁控濺射鍍膜虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)。

一 項(xiàng)目建設(shè)的基本思路

參照國家級(jí)虛擬仿真示范項(xiàng)目的規(guī)范，包括虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的系統(tǒng)架構(gòu)、實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)裝置、實(shí)驗(yàn)參數(shù)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法、實(shí)驗(yàn)步驟與步驟要求、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與結(jié)論要求、考核要求及面向?qū)W生要求等要素，結(jié)合我校材料學(xué)院材料類專業(yè)的特色，突出科教協(xié)同，按照虛實(shí)結(jié)合、能實(shí)不虛的原則，從實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、教學(xué)方法和能力培養(yǎng)三個(gè)維度上打造具有電子信息特色的材料類專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)示范項(xiàng)目，并按照工程認(rèn)證的理念，開展項(xiàng)目實(shí)踐與持續(xù)改進(jìn)，在教學(xué)與改革內(nèi)容上力求突出。

（一）科研成果與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目教學(xué)內(nèi)容的緊密結(jié)合

堅(jiān)持問題導(dǎo)向和需求導(dǎo)向，堅(jiān)持一切從學(xué)生的需求出發(fā)，再注重知識(shí)傳授、能力培養(yǎng)、素質(zhì)提高的協(xié)同實(shí)施，通過問卷調(diào)研、往屆學(xué)生訪談收集擬建設(shè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的意見和建議，總結(jié)歸納學(xué)生關(guān)切，并結(jié)合國內(nèi)其他相關(guān)高校的調(diào)研走訪，研究材料類專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)總體方案及細(xì)節(jié)。在材料類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目上，通過建設(shè)基礎(chǔ)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目以及與科研結(jié)合的創(chuàng)新虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目形成材料類專業(yè)的虛擬仿真項(xiàng)目集群，進(jìn)一步打造材料類專業(yè)虛擬仿真項(xiàng)目平臺(tái)。項(xiàng)目建設(shè)充分適應(yīng)學(xué)生學(xué)習(xí)需要，積極調(diào)動(dòng)學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的積極性和主動(dòng)性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和潛能。因此，建設(shè)定位于綜合性專業(yè)實(shí)驗(yàn)和與科研結(jié)合的創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，項(xiàng)目建設(shè)特別突出科研成果、產(chǎn)業(yè)技術(shù)與項(xiàng)目的緊密結(jié)合，并著力將基于廣西特色資源優(yōu)勢(shì)的氧化銦錫（ITO）薄膜材料制備的相關(guān)科研成果直接應(yīng)用于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。引入具體的工藝參數(shù)及科學(xué)研究最新成果，并準(zhǔn)確區(qū)分把握項(xiàng)目?jī)?nèi)容的難度、深度、廣度，以及工業(yè)化技術(shù)應(yīng)用新動(dòng)態(tài)等，同時(shí)強(qiáng)化對(duì)學(xué)生實(shí)踐能力的考核與評(píng)價(jià)。

（二）基于“虛實(shí)結(jié)合”的創(chuàng)新教學(xué)方式

基于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目與課堂理論教學(xué)之間的作用關(guān)系，改變傳統(tǒng)理論教學(xué)與實(shí)際實(shí)驗(yàn)教學(xué)之間在時(shí)間和空間中的脫節(jié)與不足，有利于促進(jìn)課程理論教學(xué)的改革[9-10]。通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的建設(shè)，將課堂“實(shí)”的基礎(chǔ)理論知識(shí)與“虛”的仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目相結(jié)合，通過“虛實(shí)結(jié)合”可有效促進(jìn)教學(xué)模式、教學(xué)內(nèi)容的改革與創(chuàng)新。如通過科研成果引入材料類專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，可以在理論授課前、中、后結(jié)合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?jī)?nèi)容進(jìn)行課堂教學(xué)改革，也可以虛實(shí)結(jié)合利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開展全方位、不受空間和時(shí)間約束的教學(xué)模式改革。同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)上，也將基于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)以適應(yīng)于不同學(xué)生個(gè)體差異、能力需求及創(chuàng)新培養(yǎng)需求的教學(xué)方式進(jìn)行探索。

（三）“以學(xué)生為中心”解決復(fù)雜工程問題能力的培養(yǎng)

以學(xué)生為中心是工程認(rèn)證培養(yǎng)學(xué)生的核心理念和具體要求，而虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)及改革的目的在于培養(yǎng)學(xué)生的能力，特別是培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。因此，利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)如何培養(yǎng)本科生解決復(fù)雜工程以及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)是項(xiàng)目需要解決的關(guān)鍵問題。學(xué)生能力的培養(yǎng)依托于科學(xué)、合理、啟發(fā)式的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。因此本項(xiàng)目在準(zhǔn)確適宜、科教協(xié)同的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容基礎(chǔ)上，研究實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)對(duì)培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力的作用和效果，并建立科學(xué)合理的學(xué)生能力和培養(yǎng)結(jié)果評(píng)價(jià)機(jī)制，堅(jiān)持持續(xù)改進(jìn)，以達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力、激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)造能力的目的。

二 項(xiàng)目建設(shè)與實(shí)施效果

磁控濺射鍍膜虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開放運(yùn)行依托于開放式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理平臺(tái)的支撐，二者通過數(shù)據(jù)接口無縫對(duì)接，保證用戶能夠隨時(shí)隨地地通過瀏覽器訪問該項(xiàng)目，并通過平臺(tái)提供的面向用戶的智能指導(dǎo)、自動(dòng)批改服務(wù)功能，盡可能幫助用戶實(shí)現(xiàn)自主的實(shí)驗(yàn)，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開放服務(wù)能力，提升開放服務(wù)效果。本實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)總體架構(gòu)圖和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目總體內(nèi)容如圖1所示，系統(tǒng)總體架構(gòu)包括數(shù)據(jù)層、支撐層、通用服務(wù)層、仿真層以及應(yīng)用層五大方面，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括基片清洗、靶材及基片安裝、抽真空過程、濺射過程、關(guān)機(jī)及破真空以及性能測(cè)試與分析六大過程，在操作過程強(qiáng)化各重要知識(shí)點(diǎn)、考核點(diǎn)及易錯(cuò)點(diǎn)，以形成系統(tǒng)的知識(shí)體系，有利于學(xué)生的學(xué)習(xí)和理解。

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目基于教學(xué)團(tuán)隊(duì)十余年在氧化銦錫（ITO）靶材及薄膜材料科研成果的基礎(chǔ)上，以具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的專利技術(shù)（朱歸勝，徐華蕊，一種400 主峰晶面高度擇優(yōu)取向ITO 薄膜的制備方法，中國發(fā)明專利，ZL201611166365.7）引入實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了科教融合。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目突出基礎(chǔ)理論知識(shí)與實(shí)際操作能力訓(xùn)練并重，建成后的磁控濺射虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目操作界面如圖2 所示，具有學(xué)習(xí)模式和考核模式功能。學(xué)習(xí)模式有知識(shí)卡片可進(jìn)行知識(shí)強(qiáng)化學(xué)習(xí)，在學(xué)習(xí)模式下，可以進(jìn)行相關(guān)的原理知識(shí)學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)操作練習(xí)。考核模式可以進(jìn)行知識(shí)的考核回答，提交后會(huì)顯示正確的實(shí)驗(yàn)答案，實(shí)驗(yàn)完成后可查看得分情況。同時(shí)系統(tǒng)還將全過程記錄學(xué)生操作過程，從而便于細(xì)化考核評(píng)分細(xì)則，更科學(xué)地對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

圖2 磁控濺射鍍膜虛擬仿真實(shí)驗(yàn)學(xué)生操作界面

磁控濺射虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的建成，突破了傳統(tǒng)的動(dòng)畫及多媒體教學(xué)等虛擬教學(xué)范疇，將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與課程教學(xué)、實(shí)踐教學(xué)和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練進(jìn)行深度融合。以知識(shí)學(xué)習(xí)、能力培養(yǎng)為核心，充分發(fā)揮了我院科教協(xié)同育人和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)育人的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的創(chuàng)新意識(shí)培養(yǎng)、探究知識(shí)能力培養(yǎng)和創(chuàng)新能力訓(xùn)練的目的。項(xiàng)目建成后現(xiàn)已服務(wù)我院200 余本科生上線操作，通過對(duì)學(xué)生的訪談、問卷調(diào)查和學(xué)生評(píng)教等方式全面分析了學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，學(xué)生由第一次使用時(shí)充滿新鮮感和好奇心，逐步發(fā)展到激發(fā)學(xué)生的興趣，愛上實(shí)驗(yàn)，愛上課程，再到學(xué)生能力的全面提高均取得了顯著的成效，特別是對(duì)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力的提高十分顯著。如圖3所示，“我可以辯識(shí)薄膜技術(shù)與材料中的復(fù)雜工程問題，并提出自己的解決方案，并從多角度對(duì)解決方案的可行性、適用性進(jìn)行評(píng)價(jià)”問題的問卷調(diào)查結(jié)果，由項(xiàng)目實(shí)施前“符合和完全符合”選項(xiàng)的69.56%提高到項(xiàng)目實(shí)施后的95.65%。針對(duì)課程目標(biāo)能識(shí)別和判斷工程實(shí)踐中的復(fù)雜薄膜材料問題，綜合考慮制備方法、性能、成本之間的相互關(guān)系，運(yùn)用薄膜技術(shù)與材料中學(xué)到的各種制備方法，探索影響薄膜材料的關(guān)鍵因素，并根據(jù)這些因素對(duì)薄膜的制備工藝進(jìn)行調(diào)控，能合理設(shè)計(jì)出薄膜制備的優(yōu)化工藝參數(shù)，并體現(xiàn)創(chuàng)新意識(shí)的課程達(dá)成度由0.702 提高到0.896，有效提高了課程對(duì)畢業(yè)要求的支撐強(qiáng)度。

圖3 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目實(shí)施前后對(duì)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力提高的對(duì)比

三 結(jié)束語

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)已成為加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)、提高教學(xué)質(zhì)量的重要手段，成為傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一種有效補(bǔ)充，特別是在工程人才培養(yǎng)要求下，通過開展材料類專業(yè)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)，對(duì)促進(jìn)新工科人才培養(yǎng)、提高本科生解決復(fù)雜工程問題能力和創(chuàng)新意識(shí)具有十分重要的作用。通過磁控濺射虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的建設(shè)，推動(dòng)了薄膜技術(shù)與薄膜材料理論和實(shí)踐教學(xué)的改革，為適應(yīng)新時(shí)代本科教育提供了現(xiàn)代化的教育手段，對(duì)我校材料科學(xué)與工程專業(yè)在通過國際工程認(rèn)證后的持續(xù)改進(jìn)起到了十分積極的作用。后續(xù)我們將繼續(xù)秉持教育部“能實(shí)不虛，虛實(shí)結(jié)合”的虛擬仿真項(xiàng)目建設(shè)理念，結(jié)合工程認(rèn)證以學(xué)生為中心、OBE 和持續(xù)改進(jìn)理念，持續(xù)推進(jìn)材料類專業(yè)虛擬仿真項(xiàng)目群建設(shè)，打造“虛擬仿真實(shí)驗(yàn)金課”，不斷推進(jìn)互聯(lián)網(wǎng)+教育的發(fā)展。