面向個性化智能化的SeeLight光學虛擬仿真教學研究

寧禹 程湘愛 呂品

［摘 要］ 虛擬仿真技術在教學領域應用不斷深化，高等學校基礎教學對虛擬仿真軟件的需求主要有三個方面：一是專業性強；二是具有教學輔助功能；三是模塊可以量身定制，滿足特定人才培養需求。以SeeLight光學虛擬仿真平臺教學版的研發和應用為例，闡述該綜合性教學輔助平臺的研發背景及意義，結合其在“應用光學”課程中的教學應用，研究如何將虛擬仿真技術與教學輔助功能深度融合，創新專業課程教學方法，提升教學的個性化、智能化和精準度，明晰教學實施要點，最后進行教學反思。

［關鍵詞］ 虛擬仿真教學；教學智能化；SeeLight教學版；應用光學

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

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

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

隨著虛擬仿真技術在教學領域的應用深化，各種門類的虛擬仿真教學軟件層出不窮，但是真正能夠滿足高等學校基礎教學需求的卻很難找到，究其原因主要有三個方面［2-3］：一是專業性不夠強。傳統的以Flash和三維動畫為主導，側重于情景展示的實訓類虛擬仿真軟件，因其缺乏理論模型與計算支撐，僅限于既有案例演示操作而不能靈活擴展，不能滿足專業性較強的課程教學需求。部分專業性較強的光學類虛擬仿真軟件（如ZEMAX、VirtualLab等）主要面向企業用戶或科研院所開發，側重產品設計和參數優化，基本原理和物理模型涉及較少，不適于輔助教學。二是教學輔助功能不夠強。信息化教學的基本特征是開放、共享、交互與協作，許多通用教學輔助軟件（如雨課堂等）基本實現了交互共享功能，而目前虛擬仿真軟件大多采用單機版運行，沒有網絡版，仿真結果難以在線交互共享。仿真過程也缺乏跟蹤和記錄，教師難以根據學生的仿真學習行為發現其知識短板并給予個性化的學習建議。三是人才培養需求不同。如北京理工大學工程光學虛擬仿真教學系統是根據自身人才培養需求研發的，側重多學科交叉融合，其多元化的學生培養思路并不一定適用于其它高校的光學專業課程授課。

在虛擬仿真教學軟件功能不斷面臨新需求的同時，開展虛擬仿真教學對教師自身的教學水平也有著較高要求［4-5］。如何既保留傳統教學方法的精髓、又適應教學信息化的發展趨勢；如何立足于本學科的學科特點、系統地研究教學實踐中存在的問題，并合理地運用虛擬仿真技術解決問題；在提升學生的學習效果和教學質量方面，有哪些虛擬仿真教學技術值得關注和深入研究。

基于作者所在教學團隊長時間的本科教學實踐積累以及對上述問題的思考，本文從“應用光學”課程教學實際需求出發，闡釋自主研發SeeLight光學虛擬仿真平臺的初衷與意義，并以該平臺在“應用光學”教學中的應用為例，開展虛擬仿真教學技術研究與教學效果分析，最后進行教學反思。

一、“應用光學”教學遇到的困難

“應用光學”（也稱“工程光學”，或作為“工程光學”的一部分）課程是高等院校光學工程專業本科核心課程，內容主要涉及幾何光學基本理論、經典光學系統和現代光學系統的原理、結構設計以及應用。這門課程的特點是理論難度不大，但知識點較多、應用性強，學生普遍反映聽課時可以聽懂大部分知識點，但是遇到實際工程問題不知如何下手。

前期教學實踐中，我們采用理論講授與課程實驗相結合的方式提升學生理論聯系實際的能力，但是實驗教學面臨三個方面的問題：一是與理論教學不能緊密銜接。光學實驗對調整精度、環境潔凈度都有要求，需要到專用的光學實驗室才能開展。這就導致學生在課堂上學到知識后不能夠隨學隨練、趁熱打鐵，待到開展實驗時相關知識已經生冷，使理論授課效果大打折扣。二是限制較多。光學元件易損壞、價格貴，學生開展實驗的器件損壞風險高。而且有大部分光學實驗由于儀器設備的限制不能在實驗平臺上開展，學生也無法按照自己的想法搭建光學系統，好奇心難以得到滿足，創造性思維不能得到驗證。三是個性化教學困難。教師難以跟蹤和記錄每一名學生做實驗的具體過程，如果實驗現象和結論有誤，不知道問題出在哪里。難以兼顧不同層次的學生，對他們分別進行指導。

二、自主研發SeeLight光學虛擬仿真實驗平臺

為了解決應用光學教學中遇到的實際困難，我們將虛擬仿真技術引入教學過程，充分發揮虛擬仿真教學的技術優勢，構建虛實結合、以虛補實的課程綜合實踐平融合，并嘗試將虛擬仿真功能與教學輔助功能深度融合，助力“應用光學”課程教學。2011年，國防科技大學高能激光技術研究所聯合中國科學院軟件研究所開始研發Seelight光學虛擬仿真平臺（以下簡稱SeeLight）。2017年，SeeLight教學版正式上線運行（網址：www.seelight.net），目前已經在國防科技大學、復旦大學、武漢大學等200多所高校開展了教學實踐，累計受益學生人數超過1萬人。相比其他虛擬仿真教學軟件，SeeLight教學版具有以下鮮明特點。

（一）以專業化理論建模計算作支撐，兼顧基礎教學與創新實踐需求

SeeLight教學版已建成4大類40多個功能模塊。模塊中的每一個基礎元件均采取物理建模、仿真建模、軟件實現和結果校驗四個步驟依次進行和不斷迭代的研發思路，確保仿真模型的專業性、仿真過程的合理性和結果的準確率。

平臺功能兼顧基礎教學與創新實踐需求，既可以驗證基本光學原理、仿真經典光學系統，又可以對新思路、新想法、新實驗快速仿真可視化。對于課程的重點知識（例如高斯公式），利用仿真平臺將抽象的理論公式和光學系統結構快速地轉化為虛擬光學系統，通過可視化的仿真結果加深學生對光學原理的理解。對于學有余力的同學進行適當的知識拓展，例如鼓勵他們自主創建模型、探索大氣像差對成像質量的影響這一復雜問題，并結合仿真結果闡釋物理本質，啟發他們進行更深入的思考。

（二）實驗空間個性化，仿真結果交互共享

SeeLight教學版采用基于瀏覽器/服務器的云計算體系架構，無需軟件安裝，教師和學生均可以通過網絡瀏覽器便捷使用虛擬仿真實驗平臺提供的各項功能。并支持根據個人實際需要選擇合適的基礎元件模型和教學案例，以賬戶的形式構建個性化的學習和虛擬實驗空間。每個用戶可以在個人空間構建專屬實驗案例，仿真結果還可以同其他用戶進行共享使用。

（三）精確跟蹤學習行為、量化評價學習效果

SeeLight教學版通過采集學生在平臺上學習和實驗過程中的瀏覽操作、鼠標鍵盤輸入、實驗系統搭建過程、仿真計算結果等各類數據，通過大數據分析的方法對每個學生的學習行為進行準確跟蹤，定量化分析每個學生對教師講授的各個知識點、原理方法和實驗操作的掌握程度，并以圖表和報告形式智能化推送給相關教師，輔助教師對每個學生進行針對性教學，從而實現教學效果的迭代優化。

（四）與教學過程深度融合，助力信息化教學

為了讓虛擬仿真軟件更好地融入信息化教學過程，SeeLight教學版在專業仿真功能的基礎上增加了與教學過程深度融合的教學輔助功能，使該平臺成為專業性強、為教學量身定制的線上綜合實踐平臺。該平臺可以實現常規的教學輔助功能，如課程資源共享、在線知識點評測、互動問答、答案統計分析等。此外，還能夠開展專業化的仿真訓練，在線布置仿真任務、跟進評測仿真結果。

三、基于SeeLight的虛擬仿真教學研究與效果分析

基于“應用光學”課程多年的教學經驗積累，以及SeeLight教學版的軟件研發基礎，從2017年開始，國防科技大學“應用光學”教學團隊開展了基于SeeLight教學版的課程改革實踐，重點研究了虛擬仿真教學技術的教學實施要點，及其在學生創新能力培養和教學質量提高方面的作用。

（一）基于SeeLight教學版的混合式教學實踐。

混合式教學實踐包含自主學習、課堂導學和跟進提升三個關鍵環節。在自主學習環節，學生根據教師布置的任務目標，利用平臺資源開展自主學習并完成在線知識評測；課堂上，教師根據平臺反饋的學習情況，有針對性地講授重點難點知識，并通過案例研討、仿真訓練等方式加深學生對知識的理解；課后，基于在線平臺，學生完成仿真任務，教師提出改進建議并跟進輔導，最大程度掃除學生的知識死角。這一過程環環相扣、循序漸進，促使學生真正將知識內化吸收。

通過試點班級與前三年課程考試平均成績對比，“應用光學”課程考試的優秀率和平均分都實現了一定程度的提升。

（二）依托SeeLight教學版的創新實踐能力培養

基于SeeLight教學版為學生創新能力的培養提供實踐條件，指導學生參加創新設計活動，平臺的專業性、便捷性和自主性成為吸引學生勇于實踐的關鍵因素。

在第六屆全國大學生光電設計競賽中，學生應用課程中學到的光場相機知識，基于SeeLight仿真平臺快速優化系統設計方案，在有限時間內成功解決了透過毛玻璃成像問題，在全國108所高校392支參賽隊伍中勝出，獲得一等獎。

（三）虛擬仿真教學技術的校際交流與教學水平提升

SeeLight教學版上線運行以來，通過復旦大學、武漢大學等200多所高校開展了教學實踐應用，累計受益學生人數超過1萬人。更多年輕教師加入了虛擬仿真教學技術的研究行列，通過結合本校的實際情況及學生特點，交流先進的教學方法、分享教學經驗甚至失敗教訓，加深了教師對虛擬仿真教學特性的認知，推動了SeeLight教學版功能的進一步優化，提升了“應用光學”課程的教學質量。

四、虛擬仿真教學反思

虛擬仿真教學作為一種新型教學方式已經在部分高校獲得實踐和應用，對學生創新能力培養和教師教學水平提升發揮著越來越重要的作用。但是并不是所有的教學過程都適合采用虛擬仿真教學方式，必須結合自身的教學實際情況進行理性分析，對虛擬仿真教學的優勢和局限也要有客觀認識，否則盲目投入大量時間精力只會適得其反。

結語

在大力倡導教育信息化的時代背景下，虛擬仿真技術在教學中的應用為教師提供了充滿創造性的實踐空間和具有挑戰性的發展機遇。深入研究虛擬仿真教學技術，未來的卓越教師必將是掌握現代信息技術、能夠把技術手段與教學內容深度融合、能夠合理設計教學過程的多面手。依托虛擬仿真技術構建信息化學習環境，探索實施個性化、智能化、精準教學，提升教學效果，才能培養學生在智能時代的核心競爭力。

參考文獻

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［5］劉亞豐，余龍江，盧群偉，等.教育信息化背景下虛擬仿真教學資源建設［J］.實驗科學與技術，2018（2）：195-198.

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