基于虛擬仿真實驗教學的應用型人才培養模式
——以硅太陽能電池制造技術為例

景德鎮陶瓷大學 材料科學與工程學院 江西 景德鎮 333403

在新工科背景下,應用型人才的培養成為高等教育的一個重要培養目標。企業對人才能力的期望,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化為實踐技術。在光伏領域,經過近十年產業孕育期殘酷的優勝劣汰,硅太陽能電池行業已形成穩定的產業鏈,整體向好發展,成為典型的需求大量應用型人才的新興行業。2009年,教育部設立了高校新能源材料與器件專業,為太陽能電池及其它新能源產業的發展提供人才支持。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,以期為企業注入專業的技術研發力量。這樣一個新興專業,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域的應用[1]。因此,在新能源(光伏)專業的本科培養目標中,我們不僅要重視理論知識的傳授,還應該重視學生知識運用能力和實踐能力的培養,這對于提高其畢業后在企業中的適應能力有直接的、顯著的作用。

傳統的實驗實踐教學模式常受時間和空間的制約,并普遍存在優質實驗教學資源不足和各高校實驗教學資源發展不平衡的問題[2]。在進行硅太陽能電池生產制造技術的實踐教學中,這類問題表現得尤為突出。而虛擬仿真實驗教學作為傳統實驗實踐教學模式的一個有力補充,將成為高校培養該領域應用型人才和實現優質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虛擬仿真實驗教學的優勢

單晶硅和多晶硅太陽能電池的生產具有工藝環節多、設備要求高、部分環節耗時長等特點。大部分設備昂貴,如多晶鑄錠爐和單晶生長爐等。而且,實驗室所用小型設備與企業生產所采用的大型設備在實踐操作上差別較大,比如在配料裝料方面,又比如在生產管理層面,都有不同的技術要求。因此,針對硅太陽能電池生產設計和制造技術的傳統實驗教學手段存在各種困難,如:常規課時內無法完成全部工藝環節的教學;實驗室只能采用小型設備,與產業化生產所使用的大型設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管理層面的因素。

另一方面,通過企業實習來進行硅太陽能電池生產設計和制造技術的實踐教學,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實習條件;通常需要耗費大量的時間和經費對多個企業進行參觀學習,才有可能讓學生全面了解整個生產流程;學生無親身實踐體驗,不利于理論運用于實際的經驗積累。

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備以及企業實習對學生實踐操作的時間和空間限制等問題。而且,虛擬實驗室建設成本低,可以減小實驗室面積和降低設備購置、耗材購買、儀器設備維護等方面的開支。基于虛擬實驗教學模式,可以讓學生在復習鞏固基本理論的基礎上,對電池生產的工藝方法和參數設置進行獨立的思考和設計,并嘗試解決生產中可能出現的問題。通過有效的人機互動設計,可以充分利用信息技術開展啟發式、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計和創新,提高實踐教學效果,培養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虛擬仿真實驗設計

2.1 教學理念與教學方法 硅太陽能電池制造技術虛擬仿真實驗教學平臺建設的核心目標是,基于虛擬仿真實驗教學模式,彌補傳統實驗實踐教學的不足,為企業輸送能快速適應崗位要求的應用型技術人才。平臺的建設可以基于逼真的3D動畫仿真和第一角色扮演,激發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知識的更深刻理解。

虛擬實驗項目的建設過程中,應注意以下幾個方面:

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

(2)在進行資源建設與人機互動機制探索過程中,強調教師對學生實驗過程的監管,并設計相應的即時交流功能,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、情景變化和突發情況的機制,引入啟發式、探究式、討論式、參與式等多教學方法,形成以培養學生實踐能力和創新能力為目的的虛擬仿真教學模式。

2.2 資源建設 硅太陽能電池制造技術虛擬仿真實驗教學平臺的建設可以依據工藝流程進行模塊化設計。根據設計好的實驗模塊,建立實驗原理規范、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計和建設(如圖1)。虛擬實驗資源建設過程中,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目標達成情況。

圖1 硅太陽能電池制造技術虛擬仿真實驗教學平臺架構

(1)實驗模塊。根據硅太陽能電池的生產工藝流程設計實驗模塊,比如配料裝料實驗模塊、單晶生長實驗模塊、多晶鑄錠實驗模塊、開方切片實驗模塊、制絨實驗模塊、擴散實驗模塊、少子測試實驗模塊、電池封裝實驗模塊等。

(2)原理與操作規范。本部分內容為實驗準備資料,可以通過在線平臺供學生閱讀參考。這一部分內容應以規范性為前提,介紹每個實驗涉及的基本原理、實驗設備、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、規范,但不能具有限制性。

這其中還包括設備的介紹,如相應設備的型號、參數、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解,讓學生對多晶硅太陽能電池生產設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,所涉及的設備和素材要盡量與企業生產情況相符,能夠形象地展示實驗的全過程或者關鍵環節。

(4)仿真實驗。在仿真軟件設計時,充分引入人機互動機制。軟件要能夠對不同參數下得出的實驗數據進行自動處理,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設備的操作。

(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,對學生的相關知識掌握情況和相關能力培養情況進行評估,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計 虛擬實驗項目的建設中,充分的人機互動設計是調動學生學習積極性、培養學生實踐的基礎。

人機互動設計應以規范化設計為前提,這是學生能夠正確、順利地將原理規范運用于指導虛擬實驗操作的保證。因此,首先要基于相關理論基礎與技術的生產應用現狀確定虛擬實驗對應的規范化前提,在此基礎上合理地進行人機互動設計。在虛擬仿真教學過程中,系統利用控件對不同的實驗步驟和實驗參數進行處理,反饋相應的實驗結果,包括操作錯誤提示以及錯誤的、失敗的、甚至破壞性的結果等。同時,基于規范化前提,可以在虛擬仿真實驗過程中預設一定的情景變化和突發情況,允許指導教師臨時設計引入問題、情景變化和突發情況。學生根據相關知識與技能應對和處理情景變化與突發情況,這可以作為教學評價體系中知識運用能力和創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立交互點和引入問題、情景變化、突發情況等進行,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平臺,通過平臺的使用指導(服務答疑)、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最終的評價管理。

3 結語

應用型人才培養是高校教育的一個重要發展方向,其目標是為企業輸送能快速適應崗位要求的技術人才,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,適于進行應用型人才培養。本文提出的虛擬仿真實驗教學模式,建設的核心在于加強指課堂管理功能、豐富交互點設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提出的虛擬實驗教學模式,對于其它領域和專業的應用型人才培養也有重要的借鑒意義。