材料類專業(yè)虛擬仿真實驗項目建設與應用

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，陳國華

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

為貫徹落實習近平總書記全國高校思想政治工作會議精神，根據《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011—2020年）》等相關要求[1]，深入推進信息技術與高等教育實驗教學的深度融合，不斷加強高等教育實驗教學優(yōu)質資源建設與應用，著力提高高等教育實驗教學質量和實踐育人水平，國家教育部從2017 年開始了示范性虛擬仿真實驗教學項目的建設工作，并于2018 年認定了105 個首批國家虛擬仿真實驗教學項目，2020—2021 年是材料類虛擬仿真實驗項目的申報年[2]。因此材料類虛擬仿真實驗項目的建設十分緊迫，特別是近年來，高校材料類實驗室安全事故頻發(fā)，建設材料類虛擬仿真實驗項目顯得更為迫切[2-5]。

中國知網以“虛擬仿真”+“實驗教學”進行了精準檢索，發(fā)現國內自2005 年以來有少數研究者開始進行虛擬仿真實驗教學領域的研究與探索，并發(fā)表少數相關論文，2005—2013 年發(fā)表論文數為160 篇，虛擬仿真實驗一直處于起步探索階段。自2013 年教育部印發(fā)《關于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知》后，國內虛擬仿真實驗項目教學在全國展開，2014—2016年，有關虛擬仿真的論文數分別達到127、230 和371篇，2017 年達到小高峰428 篇，2018 年回落為303 篇，2019 年增加到876 篇。再進一步分析，被高被引的前10 篇論文基本是在2013—2015 年，說明虛擬仿真實驗教學領域的研究與探索得到了廣泛的關注和認可。在國際上，2012—2016 年，我國作者在國內外發(fā)表的有關虛擬現實教育應用、虛擬實驗室網絡化管理的高水平論文，SCI/EI 檢索的數量均領先于世界其他國家。因此，虛擬仿真實驗項目建設及教學改革研究是當前教育教學改革的熱點[6-8]。

虛擬仿真實驗項目建設，不僅是桂林電子科技大學（以下簡稱“我校”）材料科學與工程專業(yè)自身發(fā)展的內在需求，也是工程認證以學生為中心及持續(xù)改進的現實需求，更是材料類專業(yè)綜合性實驗教學的迫切需要。材料科學與工程學院科研特色突出，大型儀器設備平臺先進，如何充分利用現有優(yōu)勢，推進虛擬仿真實驗項目建設，實現材料類專業(yè)從無到有的虛擬仿真實驗項目，對帶動材料類專業(yè)的實驗教學改革具有十分積極的意義，同時對推動材料類專業(yè)在工程認證背景下的創(chuàng)新型人才培養(yǎng)具有重要作用和意義。

桂林電子科技大學以建設成為電子信息特色鮮明的國內高水平大學為目標，圍繞電子信息特色建設和發(fā)展材料類專業(yè)也是材料科學與工程學院（以下簡稱“我院”）的發(fā)展目標。薄膜技術與薄膜材料課程是我院材料科學與工程專業(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是現代微電子、半導體等信息產業(yè)發(fā)展的重要技術。磁控濺射鍍膜設備昂貴，實驗操作流程長，且鍍膜過程涉及強酸強堿的使用，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驗項目建設。

一 項目建設的基本思路

參照國家級虛擬仿真示范項目的規(guī)范，包括虛擬仿真實驗項目的系統架構、實驗目的、實驗原理、實驗裝置、實驗參數、實驗教學方法、實驗步驟與步驟要求、實驗結果與結論要求、考核要求及面向學生要求等要素，結合我校材料學院材料類專業(yè)的特色，突出科教協同，按照虛實結合、能實不虛的原則，從實驗內容、教學方法和能力培養(yǎng)三個維度上打造具有電子信息特色的材料類專業(yè)虛擬仿真實驗示范項目，并按照工程認證的理念，開展項目實踐與持續(xù)改進，在教學與改革內容上力求突出。

（一）科研成果與虛擬仿真實驗項目教學內容的緊密結合

堅持問題導向和需求導向，堅持一切從學生的需求出發(fā)，再注重知識傳授、能力培養(yǎng)、素質提高的協同實施，通過問卷調研、往屆學生訪談收集擬建設實驗項目的意見和建議，總結歸納學生關切，并結合國內其他相關高校的調研走訪，研究材料類專業(yè)虛擬仿真實驗項目建設總體方案及細節(jié)。在材料類虛擬仿真實驗項目上，通過建設基礎虛擬仿真實驗項目、專業(yè)虛擬仿真實驗項目以及與科研結合的創(chuàng)新虛擬仿真實驗項目形成材料類專業(yè)的虛擬仿真項目集群，進一步打造材料類專業(yè)虛擬仿真項目平臺。項目建設充分適應學生學習需要，積極調動學生參與實驗教學的積極性和主動性，激發(fā)學生的學習興趣和潛能。因此，建設定位于綜合性專業(yè)實驗和與科研結合的創(chuàng)新性實驗項目，項目建設特別突出科研成果、產業(yè)技術與項目的緊密結合，并著力將基于廣西特色資源優(yōu)勢的氧化銦錫（ITO）薄膜材料制備的相關科研成果直接應用于虛擬仿真實驗項目。引入具體的工藝參數及科學研究最新成果，并準確區(qū)分把握項目內容的難度、深度、廣度，以及工業(yè)化技術應用新動態(tài)等，同時強化對學生實踐能力的考核與評價。

（二）基于“虛實結合”的創(chuàng)新教學方式

基于虛擬仿真實驗項目與課堂理論教學之間的作用關系，改變傳統理論教學與實際實驗教學之間在時間和空間中的脫節(jié)與不足，有利于促進課程理論教學的改革[9-10]。通過虛擬仿真實驗項目的建設，將課堂“實”的基礎理論知識與“虛”的仿真實驗項目相結合，通過“虛實結合”可有效促進教學模式、教學內容的改革與創(chuàng)新。如通過科研成果引入材料類專業(yè)虛擬仿真實驗教學內容，可以在理論授課前、中、后結合虛擬仿真實驗項目內容進行課堂教學改革，也可以虛實結合利用虛擬仿真實驗項目開展全方位、不受空間和時間約束的教學模式改革。同時，在實驗教學上，也將基于虛擬仿真實驗教學以適應于不同學生個體差異、能力需求及創(chuàng)新培養(yǎng)需求的教學方式進行探索。

（三）“以學生為中心”解決復雜工程問題能力的培養(yǎng)

以學生為中心是工程認證培養(yǎng)學生的核心理念和具體要求，而虛擬實驗項目建設及改革的目的在于培養(yǎng)學生的能力，特別是培養(yǎng)學生解決復雜工程問題的能力。因此，利用虛擬仿真實驗如何培養(yǎng)本科生解決復雜工程以及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)是項目需要解決的關鍵問題。學生能力的培養(yǎng)依托于科學、合理、啟發(fā)式的虛擬仿真實驗教學內容。因此本項目在準確適宜、科教協同的虛擬仿真實驗教學內容基礎上，研究實驗內容和實驗環(huán)節(jié)設計對培養(yǎng)學生解決復雜工程問題能力的作用和效果，并建立科學合理的學生能力和培養(yǎng)結果評價機制，堅持持續(xù)改進，以達到培養(yǎng)學生解決復雜工程問題的能力、激發(fā)學生創(chuàng)新創(chuàng)造能力的目的。

二 項目建設與實施效果

磁控濺射鍍膜虛擬仿真實驗項目的開放運行依托于開放式虛擬仿真實驗教學管理平臺的支撐，二者通過數據接口無縫對接，保證用戶能夠隨時隨地地通過瀏覽器訪問該項目，并通過平臺提供的面向用戶的智能指導、自動批改服務功能，盡可能幫助用戶實現自主的實驗，加強實驗項目的開放服務能力，提升開放服務效果。本實驗的系統總體架構圖和實驗項目總體內容如圖1所示，系統總體架構包括數據層、支撐層、通用服務層、仿真層以及應用層五大方面，實驗內容包括基片清洗、靶材及基片安裝、抽真空過程、濺射過程、關機及破真空以及性能測試與分析六大過程，在操作過程強化各重要知識點、考核點及易錯點，以形成系統的知識體系，有利于學生的學習和理解。

實驗項目基于教學團隊十余年在氧化銦錫（ITO）靶材及薄膜材料科研成果的基礎上，以具有自主知識產權的專利技術（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）引入實驗，實現了科教融合。實驗項目突出基礎理論知識與實際操作能力訓練并重，建成后的磁控濺射虛擬仿真實驗項目操作界面如圖2 所示，具有學習模式和考核模式功能。學習模式有知識卡片可進行知識強化學習，在學習模式下，可以進行相關的原理知識學習、實驗操作練習。考核模式可以進行知識的考核回答，提交后會顯示正確的實驗答案，實驗完成后可查看得分情況。同時系統還將全過程記錄學生操作過程，從而便于細化考核評分細則，更科學地對學生的學習效果進行評價。

圖2 磁控濺射鍍膜虛擬仿真實驗學生操作界面

磁控濺射虛擬仿真實驗項目的建成，突破了傳統的動畫及多媒體教學等虛擬教學范疇，將虛擬仿真實驗與課程教學、實踐教學和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練進行深度融合。以知識學習、能力培養(yǎng)為核心，充分發(fā)揮了我院科教協同育人和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)育人的優(yōu)勢，實現創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的創(chuàng)新意識培養(yǎng)、探究知識能力培養(yǎng)和創(chuàng)新能力訓練的目的。項目建成后現已服務我院200 余本科生上線操作，通過對學生的訪談、問卷調查和學生評教等方式全面分析了學生的學習效果，學生由第一次使用時充滿新鮮感和好奇心，逐步發(fā)展到激發(fā)學生的興趣，愛上實驗，愛上課程，再到學生能力的全面提高均取得了顯著的成效，特別是對學生解決復雜工程問題能力的提高十分顯著。如圖3所示，“我可以辯識薄膜技術與材料中的復雜工程問題，并提出自己的解決方案，并從多角度對解決方案的可行性、適用性進行評價”問題的問卷調查結果，由項目實施前“符合和完全符合”選項的69.56%提高到項目實施后的95.65%。針對課程目標能識別和判斷工程實踐中的復雜薄膜材料問題，綜合考慮制備方法、性能、成本之間的相互關系，運用薄膜技術與材料中學到的各種制備方法，探索影響薄膜材料的關鍵因素，并根據這些因素對薄膜的制備工藝進行調控，能合理設計出薄膜制備的優(yōu)化工藝參數，并體現創(chuàng)新意識的課程達成度由0.702 提高到0.896，有效提高了課程對畢業(yè)要求的支撐強度。

圖3 實驗項目實施前后對學生解決復雜工程問題能力提高的對比

三 結束語

虛擬仿真實驗教學已成為加強實踐教學、提高教學質量的重要手段，成為傳統實驗教學的一種有效補充，特別是在工程人才培養(yǎng)要求下，通過開展材料類專業(yè)的虛擬仿真實驗項目建設，對促進新工科人才培養(yǎng)、提高本科生解決復雜工程問題能力和創(chuàng)新意識具有十分重要的作用。通過磁控濺射虛擬仿真實驗項目的建設，推動了薄膜技術與薄膜材料理論和實踐教學的改革，為適應新時代本科教育提供了現代化的教育手段，對我校材料科學與工程專業(yè)在通過國際工程認證后的持續(xù)改進起到了十分積極的作用。后續(xù)我們將繼續(xù)秉持教育部“能實不虛，虛實結合”的虛擬仿真項目建設理念，結合工程認證以學生為中心、OBE 和持續(xù)改進理念，持續(xù)推進材料類專業(yè)虛擬仿真項目群建設，打造“虛擬仿真實驗金課”，不斷推進互聯網+教育的發(fā)展。