脈沖激光沉積過程虛擬仿真實驗設計及教學模式探索

雷 姍，孫立忠，王鑫銘，郭進偉

（湘潭大學材料科學與工程國家級實驗教學示范中心（湘潭大學），湖南湘潭 411105）

0 引 言

虛擬仿真實驗可使學生接觸科研前沿設備與技術，具有性價比高、可塑性強、開放共享程度高等特點，也為學生提供了自主學習的平臺［1］。虛擬仿真實驗還可彌補傳統實驗用房短缺、儀器設備臺套數少以及師資不足等方面的問題［2］。因此，自2013 年以來，我國各高校積極響應國家關于建設國家級虛擬仿真實驗教學中心的號召，推動此類項目的建設，之后虛擬仿真逐漸被廣泛應用于各學科實驗教學，成為我國高校主要推進的有關實驗教學的改革項目［3-4］。

物理氣相沉積技術中的脈沖激光沉積（Pulsed Laser Deposition，PLD）薄膜制備術是一種先進的薄膜制備工藝和手段［5］，隨著材料科學和薄膜制備技術的發展，其在功能薄膜制備工藝及技術中有著不可替代的地位［6-8］。材料制備工藝及技術是無機非金屬材料類本科生專業基礎的核心課程之一，也是材料類專業的學生培養目標中的重要內容，對于多功能薄膜材料制備相關專業的研究生也是必不可少的學習內容之一。這類實驗往往是在極端條件（如高真空條件）、高消耗下進行的，為達到超高真空條件，實驗流程都將涉及較長的制備周期，另外高消耗主要是因為在PLD的實驗過程中要使用高價值靶材及激光氣體，每個人時數的實驗經費消耗都在千元左右，開設PLD專業實驗課程所需的極端條件和高消耗嚴重制約了該實驗課程教學的有效開展。因此，要在材料類本科培養環節完成該實驗工藝的實驗教學，會限制整個實驗教學的可持續發展，但若材料類本科生培養過程中不涉及該類實驗教學內容，會有遠離科學研究前沿、難以展現教學內容與時俱進的趨勢。

本文以本院國家級實驗教學示范中心、低維材料及其應用技術教育部重點實驗室、特種功能薄膜材料國家地方聯合工程實驗室為平臺，自主開發設計了PLD過程模擬虛擬仿真實驗項目。

1 PLD薄膜制備實驗

PLD是以激光作為輻射介質，對物體表面進行轟擊作用，然后將轟擊出來的靶材沉積到不同的基底上，從而獲得薄膜或沉淀的一種技術手段。基本工作原理［9-11］可以分為以下5 個階段：①激光與靶材相互作用產生等離子體，并形成等離子體羽輝（見圖1），靶材法線方向軸向約束性使等離子體向基片輸運。②隨著入射粒子不斷增多，沉積粒子被吸附逐步形成二維小島。③分離的二維小島吸附以各種方式靠近的新粒子而逐步擴大。④島間合并，大島彼此融合并完全覆蓋整個襯底表面。⑤第二層薄膜開始形核，長大，島合并，至鋪滿整個下一層。⑥隨著薄膜層狀生長不斷繼續，異質外延膜的厚度逐步增加（見圖2）。

圖1 等離子體羽輝形成過程示意圖

圖2 外延薄膜生長示意圖

2 虛擬仿真實驗課程的設計與開發

2.1 虛擬仿真實驗課程的設計思路

自主開發設計的脈沖激光沉積過程模擬虛擬仿真實驗項目是以PLD-5000 系統為模型（見圖3），在以材料科學與工程學院的PLD 實驗室為參照的虛擬場景中，與實驗室參觀演示相結合，完整虛擬了PLD 薄膜制備的工藝流程及實驗環節中的關鍵控制條件，保持虛擬特征的基礎上做到虛實結合，學生的直觀性明顯加強，對該實驗中緊密結合的“薄膜材料和技術”“材料制備技術”等相關課程知識點的理解進一步加深，可解決多功能薄膜材料制備人才培養的瓶頸，實現材料類本科教學過程中材料制備技術的與時俱進。

圖3 PLD-5000薄膜沉積系統結構示意圖

PLD過程模擬虛擬仿真實驗綜合運用材料科學基礎、材料制備技術、薄膜材料與技術、信息技術科學、物理學等多學科的研究成果，在實驗內容的設計上采用本項目組近期的相關科研成果，以制備多功能納米薄膜材料為切入點，實驗內容選取氧化物薄膜材料外延生長，有針對性地對靶材準備、襯底（基片）處理、激光單脈沖能量及能量密度設置、激光光斑尺寸調控、靶材的運動與切換、薄膜材料結構設計與沉積、薄膜樣品后處理、基片溫度調控、腔內壓強設定等進行實驗環節設計，以異質結、多層疊層、超晶格等薄膜制備技術為核心，研發了用于極端環境下非易失性信息存儲用的鈣鈦礦結構氧化物鐵電薄膜制備［12-13］的虛擬仿真實驗，實驗步驟如圖4 所示。該實驗既保留了實驗內容的科學屬性，也體現了實驗教學內容上的先進性特征。

圖4 實驗流程設計

2.2 虛擬仿真實驗課程開發的技術架構及研發技術

本項目是以計算機仿真技術為基礎，多媒體和網絡技術為輔助，以服務為目標的軟件框架進行開發，集真實場景模擬、自主選擇設計、系統智能提示、實驗過程管理和實驗報告批閱于一體，是具有良主動性、相互性和創新性的虛擬實驗教學平臺［14］。為保障和實現平臺及項目運行，本項目設計為5 層架構，具體如圖5所示，由下而上提供服務，直至建立完整的教學實驗虛擬環境。

圖5 系統總體架構圖

項目選擇運用HTML5 和Unity3D、3D Studio Max、Maya等開發技術與工具。單場景模型面數：900 000個；貼圖分辨率：1 024 px ×1 024 px；每幀渲染次數1 100 calls；動作反饋時間1 s；顯示刷新率＞30 FPS；分辨率1 920 ppi×1 080 ppi。運行時服務器操作系統為Windows Sever，數據庫為Mysql。網絡帶寬不低于20 MB，建議網絡帶寬50 MB及以上，可點擊實驗項目首頁面下方網速測試按鈕進行測試。能夠支持的同時在線人數100 人，并提供在線排隊提示服務。

3 虛擬仿真實驗的教學模式

3.1 實驗教學過程

該實驗項目的教學是通過線上、線下結合的模式開展的，首先由任課老師在課堂上講授相關理論知識，比如脈沖激光真空沉積鍍膜的過程與原理、PLD-5000儀器基本構造等。在學生有了一定的理論基礎知識后，通過錄制的操作視頻，更直觀地讓學生了解實驗原理、儀器操作，最后由學生自主上機，完成實驗，實驗操作部分界面如圖6 所示。

圖6 實驗操作界面

學生登錄項目網站進入虛擬的實驗室，可體驗沉浸式環境漫游，直觀形象、立體生動地體驗、感知與領略實驗室物理環境的空間、布局和結構。掌握設備設施的配備規范，了解實驗室規范及其安全要求后，方可開始交互式練習操作。學生通過思考可及時與在線教學任課教師提問，老師亦可及時回復、答疑和詢問學習情況與進度。與此同時，學生也可通過鼠標與鍵盤的操作，完成與屏幕內設備、實驗工具、實驗耗材等虛擬物件的實時互動，根據實驗講義操作，完成練習任務。項目操作過程中允許學生試錯、犯錯，因為開發時設計有提示功能，包括正確操作步驟提示，錯誤操作提醒以及根據學生操作完成度打分的功能。學生通過HCI（人機交互）模式，可達到結合理論與原理了解設備構造、熟練操作的實驗目的，期間學生也可通過犯錯暴露自身學習的短板、不足并及時彌補，從而及時得到改正和補充。在練習環節中，學生也可根據興趣自主選擇練習或自主設計實驗，通過練習模式，熟悉整個實驗過程操作及參數設置，也能有針對性地對薄弱環節進行實驗練習；通過自主設計模式，可培養學生自主思考能力，將專業理論與實驗技術實踐相融合，提高學生專業認知，增強學生創新意識和創造性能力。

學生可根據自身需求選擇“演練模式”和“考核模式”中的其中一個，項目系統平臺亦可記錄實驗進行過程中的每一步操作，做到可回顧，可追溯，以便學生清晰認識自我學習進程，進行自我修正，及時調整。通過系統后臺，任課老師可實時跟進在線學生的實驗過程，與學生進行互動提問與答疑，引導學生的實驗操作。老師也可因材施教，選取合適的考題對學生進行考核，實現差異化教學，個性化教學，將教學效果最大化。

學生在完成實驗步驟后，須根據界面中表格要求，填寫整個實驗過程中選取的參數和取得的數據、結論，以便任教老師掌握其學習效果并作出客觀的評價。同時，學生本人在此過程也可復習實驗內容，反思實驗操作，及時對未掌握的知識點進行查漏補缺，通過多次反復的練習和考核實現教學目標，達到最大化提升學習效果的目的。系統平臺不僅可允許任課老師對學生進行評價，同時學生也可對老師進行點評，學生與學生之間也可相互點評，拉近師生之間，同學之間的關系，增加了課堂的趣味性。

3.2 實驗教學目標

通過該虛擬仿真實驗項目的教學，預期實現的教學目標有幾個方面［15-16］：激發學生學習興趣。通過虛擬平臺界面呈現的實驗室與不同沉積參數的PLD-5000 沉積系統互動，學生能夠深入細致地了解薄膜材料的制備及其相關工藝。這種直觀、實時和互動的特點不僅激發了學生了解和制備薄膜材料的興趣，也有助于學生進行學習遷移；提升學生學習能力。虛擬仿真實驗解決了激光脈沖薄膜制備實驗過程不可逆的問題，在虛擬實驗中，學生可以選取不同的靶材、不同的基材、不同的實驗參數自由組合進行實驗，以此獲得不同的實驗結論。通過反復練習操作，結合理論知識反推實驗過程的合理性，獲得最合理的工藝參數，選取最優實驗方案，提高學生解決實際問題的能力。學生在課堂上可選擇演練模式或考核模式，這種靈活的方式既能夠實現差異個性化教學，使學生養成自主學習思考和不斷自我糾錯的習慣，又能培養其將理論知識運用到實踐的能力，在實驗過程中，使學生的學習能力不斷得到提升；提高學生學習效率。本項目為學生提供了“不打烊”的網絡虛擬實驗室和24 h 在線的教學課堂，使學生可以不受時間和空間限制，學生沉浸其中，能夠隨時隨地進行實驗，大大縮短了實驗周期。

4 結 語

對脈沖激光沉積過程模擬虛擬仿真實驗項目建設的背景、現狀及建設的必要性、實用性、合理性、先進性，闡述了實驗設計開發思路、實驗教學過程和目標等。該虛擬仿真實驗的開設不但可以提高學生材料制備的相關技能、鞏固相關專業基礎課程的知識點，同時可以開拓學生在薄膜制備工藝方面的視野，并通過PLD實驗基本原理的掌握可以進一步延伸學生對于物理氣相沉積相關內容的理解，為未來學生就業拓展空間和思路。本科創新實驗是本科生科研能力培養的重要支撐點，該虛擬仿真實驗的開設可以為本科生借助PLD開展創新實驗提供前期的技能儲備，也可以作為研究生進入PLD實驗室前的重要培訓環節，從而提高培訓效率。