凈化間虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的構(gòu)建及應(yīng)用

摘要：為真實(shí)實(shí)驗(yàn)提供有益補(bǔ)充為原則，通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程、構(gòu)建實(shí)體模型并采用萬(wàn)維引擎虛擬仿真軟件，制作含有動(dòng)畫(huà)教學(xué)，交互式操作和考核三個(gè)部分的凈化間虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，并應(yīng)用在電子封裝本科教學(xué)中，提高學(xué)生的實(shí)踐參與度和學(xué)習(xí)興趣，解決實(shí)踐教學(xué)缺失問(wèn)題，培養(yǎng)學(xué)生規(guī)范操作意識(shí)，將專業(yè)知識(shí)立體化，對(duì)豐富教學(xué)內(nèi)容，提高實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量，增強(qiáng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新實(shí)踐能力都具有良好效果。

關(guān)鍵詞：電子封裝；虛擬仿真實(shí)驗(yàn)；凈化間；教學(xué)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：G642.0文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

近年來(lái)，教育部積極推進(jìn)新工科建設(shè)，要求將相關(guān)學(xué)科專業(yè)發(fā)展前沿成果、最新要求融入人才培養(yǎng)方案和教學(xué)過(guò)程[1～3]。為響應(yīng)教育部號(hào)召，哈爾濱工業(yè)大學(xué)提出新工科‘Π型’方案，強(qiáng)調(diào)了“專業(yè)+行業(yè)”的培養(yǎng)目標(biāo)，即充分發(fā)揮實(shí)踐教學(xué)在培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力、綜合素質(zhì)等方面的作用，培養(yǎng)面向未來(lái)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的復(fù)合型工程領(lǐng)軍人才[4]。

虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)已經(jīng)成為新工科為背景的教學(xué)體系中的堅(jiān)實(shí)力量[7]。與許多工科院校一樣，電子封裝專業(yè)也存在實(shí)驗(yàn)室設(shè)備更新?lián)Q代緩慢，實(shí)習(xí)效果不佳甚至缺失等客觀問(wèn)題[5-6]。尤其封裝工藝實(shí)驗(yàn)中的各種互連結(jié)構(gòu)又隱藏在芯片內(nèi)部，無(wú)法實(shí)時(shí)觀測(cè)形成直觀認(rèn)識(shí)，妨礙了學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容的理解和貫通，無(wú)法從實(shí)踐中真正獲益。虛擬仿真技術(shù)的出現(xiàn)，成為解決這一問(wèn)題行之有效的手段[8-10]。

通過(guò)對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫(kù)等技術(shù)綜合運(yùn)用，將抽象的內(nèi)容形象化、微觀的內(nèi)容放大化、隱藏的內(nèi)容可視化[11-12]，建立貼近產(chǎn)業(yè)涵蓋電子封裝原理、方法、工藝和設(shè)備的可聽(tīng)、可視和可操作的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)資源，彌補(bǔ)電子封裝技術(shù)專業(yè)實(shí)踐教學(xué)資源的不足，對(duì)提升電子封裝、制造行業(yè)的發(fā)展和創(chuàng)新具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

1虛擬仿真在實(shí)踐教學(xué)中的實(shí)用價(jià)值

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的實(shí)施，能夠提高學(xué)生對(duì)教學(xué)內(nèi)容的參與度和積極性，實(shí)現(xiàn)專業(yè)與產(chǎn)業(yè)的有效結(jié)合，形成更加完善、整體的知識(shí)框架。

1.1加深專業(yè)與行業(yè)的有機(jī)結(jié)合

通過(guò)創(chuàng)建虛擬仿真實(shí)驗(yàn)資源，有利于還原真實(shí)工作場(chǎng)景，使實(shí)驗(yàn)操作與產(chǎn)業(yè)實(shí)訓(xùn)接軌，且不受時(shí)間、容量的限制，讓學(xué)生在掌握基本專業(yè)知識(shí)的同時(shí)，更直觀的熟悉工程實(shí)際，獲得與實(shí)訓(xùn)相同或相近的效果。反過(guò)來(lái)，通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)實(shí)之間的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)和資源共享，完善的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)資源可以承接企業(yè)工程師培訓(xùn)任務(wù)，服務(wù)員工培訓(xùn)。

1.2提升實(shí)踐能力

為培養(yǎng)適應(yīng)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的工程型人才，必須注重實(shí)踐能力的培養(yǎng)[13-14]。將理論與實(shí)踐相結(jié)合能夠讓學(xué)生更好地理解課程知識(shí)，在實(shí)操中熟悉產(chǎn)業(yè)安全規(guī)范，培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。完成凈化間的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)培訓(xùn)，將提高學(xué)生的專業(yè)素質(zhì)能力，提升實(shí)踐操作技能及生產(chǎn)安全意識(shí)，為以后的工作打下良好基礎(chǔ)。

1.3提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量

仿真軟件的多功能性，使學(xué)生在仿真實(shí)驗(yàn)中可以將看、聽(tīng)與操作相結(jié)合，充分調(diào)動(dòng)大腦，極大提高學(xué)生的積極性和參與度[15]。實(shí)驗(yàn)中多重形式的考核方式及錯(cuò)誤提示，使學(xué)生能更快速的發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，即時(shí)修正錯(cuò)誤，甚至快速的重復(fù)學(xué)習(xí)，進(jìn)而加深學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)操作及理論知識(shí)的認(rèn)知和掌握程度，高質(zhì)量的完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)和學(xué)習(xí)任務(wù)。

2凈化間虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)

2.1凈化間實(shí)驗(yàn)的重要性

電子行業(yè)如晶圓制造、器件封裝等生產(chǎn)過(guò)程，需要在不同級(jí)別的凈化間（Cleanroom，也稱超凈間）中完成。凈化間是保證機(jī)器設(shè)備持續(xù)運(yùn)行、電子產(chǎn)品合格率以及可靠性的最重要手段，對(duì)內(nèi)部溫度、濕度及微塵有嚴(yán)苛要求，其空氣過(guò)濾以及人員進(jìn)出均需要遵守嚴(yán)格的操作規(guī)范，維護(hù)成本高昂。

課程中僅涉及凈化間定義、分級(jí)等少量理論知識(shí)，不能讓學(xué)生對(duì)其結(jié)構(gòu)和組成的作用有立體的理解。而在生產(chǎn)實(shí)習(xí)中，因時(shí)間有限，企業(yè)往往將介紹的著重點(diǎn)放在凈化間內(nèi)的生產(chǎn)設(shè)備上，致使學(xué)生只知按要求進(jìn)出凈化間，對(duì)其作用和重要性的認(rèn)識(shí)不到位。實(shí)際上，往往因?yàn)椴恢匾暥涣私鈨艋恚率節(jié)崈舫潭炔荒鼙３郑斐闪计仿氏陆担：ιa(chǎn)。因此讓學(xué)生更近距離接觸生產(chǎn)前線，提高學(xué)生的實(shí)踐能力和專業(yè)素質(zhì)，構(gòu)建了凈化間虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，作為實(shí)體實(shí)驗(yàn)的有益補(bǔ)充。

2.2虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思路

構(gòu)建的凈化間虛擬仿真實(shí)驗(yàn)包括以下三部分：

（1）教學(xué)部分。將行業(yè)安全與凈化間的知識(shí)點(diǎn)融合，并融入聲音、動(dòng)畫(huà)介紹防火、抗靜電、空氣過(guò)濾、照明、振動(dòng)防護(hù)等凈化間內(nèi)外結(jié)構(gòu)及空氣凈化機(jī)理，加深學(xué)生對(duì)凈化間的立體認(rèn)知，提高學(xué)生的專業(yè)素質(zhì)；

（2）實(shí)操部分。以游戲角色的形式，讓學(xué)生操作角色，完成更換防護(hù)服，進(jìn)、出風(fēng)淋室，凈化間參數(shù)調(diào)控等任務(wù)，提高學(xué)生對(duì)實(shí)際操作規(guī)范的理解和掌握，提升學(xué)生的實(shí)踐能力。

（3）評(píng)價(jià)部分。根據(jù)知識(shí)點(diǎn)和操作規(guī)范設(shè)置考核模塊，突出實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)體系的作用，考核后提供分?jǐn)?shù)提示，促進(jìn)學(xué)生的反思和改進(jìn)，提升學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。

3凈化間虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的模型構(gòu)建

通過(guò)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)課程“電子封裝創(chuàng)新工坊”，指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)萬(wàn)維引擎虛擬仿真軟件，根據(jù)設(shè)定的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，在年度項(xiàng)目中完成凈化間虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的模型構(gòu)建。

首先采用UG等軟件進(jìn)行場(chǎng)景建模。建模更衣間、風(fēng)淋室和凈化間場(chǎng)景，根據(jù)不同場(chǎng)景所承載的功能，為其各自的內(nèi)置設(shè)備進(jìn)行建模，如在更衣室內(nèi)構(gòu)建鞋柜、無(wú)塵衣柜；在凈化間內(nèi)構(gòu)建傳遞箱、壓力平衡器、燈具及濾網(wǎng)等；在風(fēng)淋室構(gòu)建濾網(wǎng)與風(fēng)淋空調(diào)。然后導(dǎo)入3DMAX軟件進(jìn)行形狀調(diào)整、材質(zhì)貼圖，將基本的幾何體轉(zhuǎn)換為仿真目標(biāo)模型，呈現(xiàn)凈化間的全貌。

將構(gòu)建好的模型和相關(guān)素材導(dǎo)入萬(wàn)維引擎V3.0虛擬仿真軟件中，添加適合的燈光效果，在軟件中搭建出三維虛擬場(chǎng)景，隨后調(diào)整具體模型的軌跡、運(yùn)動(dòng)、功能、相機(jī)參數(shù)，再進(jìn)行特效渲染和輸出檢測(cè)，形成所需的三維動(dòng)畫(huà)。另外，還加入人物模型作為系統(tǒng)內(nèi)人物角色，通過(guò)軟件中攝像機(jī)的切換，調(diào)整操作者的視角和虛擬角色的穿著，方便學(xué)生將自己代入其中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。同時(shí)設(shè)定鍵盤按鍵對(duì)應(yīng)角色的漫游行為，如w對(duì)應(yīng)前進(jìn)，q-定義為左轉(zhuǎn)，并設(shè)定移動(dòng)速度等。隨后，按照操作任務(wù)定義系統(tǒng)內(nèi)的交互邏輯，制作界面，設(shè)定與系統(tǒng)內(nèi)對(duì)象的交互關(guān)系等等，這些定義可以使學(xué)生自由方便地操作虛擬場(chǎng)景中的對(duì)象，進(jìn)而觸發(fā)環(huán)境變量，即動(dòng)畫(huà)，完成操作任務(wù)。為實(shí)驗(yàn)過(guò)程順利進(jìn)行，還需在操作的過(guò)程中，以彈出窗口的形式，配備必要的文字和圖像指引，輔助學(xué)生獨(dú)立完成給定的實(shí)驗(yàn)操作任務(wù)，從而達(dá)到人機(jī)交互實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的。制作的內(nèi)容可以發(fā)布為帶數(shù)據(jù)文件的可執(zhí)行文件，無(wú)需安裝軟件，打開(kāi)可執(zhí)行文件即可完成學(xué)習(xí)和操作。

4凈化間虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用

4.1教學(xué)應(yīng)用

在專業(yè)課程中以凈化間實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)作為題目，讓同學(xué)搜索凈化間的相關(guān)知識(shí)，包括靜電防護(hù)、凈化原理、結(jié)構(gòu)及作用等，并制作PPT進(jìn)行課堂展示。再分別邀請(qǐng)晶圓代工廠和電子封裝廠的行業(yè)導(dǎo)師，講解各自企業(yè)凈化間的潔凈度等級(jí)要求，對(duì)凈化間內(nèi)氣體、溫度的設(shè)置要求以及凈化間相關(guān)的生產(chǎn)案例。與行業(yè)導(dǎo)師互動(dòng)，可以讓學(xué)生了解不同制程對(duì)潔凈度的需求，掌握行業(yè)上下游特點(diǎn)。最后，讓學(xué)生進(jìn)行凈化間虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的操作。

凈化間虛擬仿真實(shí)驗(yàn)操作時(shí)，先進(jìn)行教學(xué)部分的學(xué)習(xí)，在凈化間的場(chǎng)景背景下下，以文字、立體結(jié)構(gòu)動(dòng)畫(huà)的方式呈現(xiàn)凈化間內(nèi)、外空氣過(guò)濾組件、換衣間和風(fēng)淋間特征及功用，讓學(xué)生頭腦中初步呈現(xiàn)各種立體結(jié)構(gòu)。

完成后，讓學(xué)生進(jìn)入凈化間的交互式實(shí)驗(yàn)操作部分，如圖1所示。采用虛擬仿真中視角的控制、人物的漫游、人稱切換等功能，讓學(xué)生操控虛擬角色進(jìn)行前后移動(dòng)及轉(zhuǎn)動(dòng)，角色運(yùn)動(dòng)中按提示觀察所處環(huán)境、分辨設(shè)施，并與教學(xué)中動(dòng)畫(huà)展示的立體結(jié)構(gòu)相呼應(yīng)，讓學(xué)生在頭腦中形成凈化間的立體組裝。學(xué)生操控虛擬角色去逐個(gè)完成字幕提示的任務(wù)，包括用按鍵觸發(fā)預(yù)先設(shè)置的環(huán)境動(dòng)畫(huà)，進(jìn)行如換衣、進(jìn)出風(fēng)淋間、空氣過(guò)濾系統(tǒng)調(diào)控、靜電防護(hù)操作以及日常凈化間參數(shù)設(shè)置等任務(wù)，以便讓學(xué)生熟練掌握實(shí)驗(yàn)操作的規(guī)范。簡(jiǎn)單明了的“產(chǎn)品不合格”提示，增強(qiáng)了學(xué)生的好奇心和好勝心，進(jìn)而讓學(xué)生通過(guò)重頭再來(lái)對(duì)流程更加熟練，甚至分享操作錯(cuò)誤的原因，潛移默化的讓學(xué)生理解凈化間的重要性，并掌握實(shí)際生產(chǎn)操作流程。

學(xué)生完成角色操作，進(jìn)入考核部分。進(jìn)行選擇題答題。完成后，可以獲得即時(shí)的分?jǐn)?shù)提示，讓學(xué)生判斷自己掌握的情況。

學(xué)生去企業(yè)進(jìn)行生產(chǎn)實(shí)習(xí)時(shí)，當(dāng)按照工作人員的指示，穿戴防護(hù)服進(jìn)入凈化間，或者穿戴鞋套通過(guò)凈化間的參觀窗口進(jìn)行產(chǎn)觀摩時(shí)，不再被動(dòng)的接收知識(shí)，而是主動(dòng)的印證和思考，進(jìn)而強(qiáng)化專業(yè)知識(shí)，增強(qiáng)實(shí)踐技能。

4.2教學(xué)成效

凈化間虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是依托“電子封裝創(chuàng)新工坊”課程和年度項(xiàng)目，由專業(yè)教師進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，再由學(xué)生實(shí)地參觀、學(xué)習(xí)虛擬仿真軟件并完成虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的全部構(gòu)建。目前，凈化間虛擬仿真實(shí)驗(yàn)作為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的一環(huán)，已經(jīng)應(yīng)用在專業(yè)核心課和選修課程的實(shí)踐教學(xué)中。因時(shí)間和水平有限，在仿真效果和交互式操作方案等方面還有待加強(qiáng)，在學(xué)生和授課教師的反饋和建議下，已經(jīng)對(duì)部分錯(cuò)誤進(jìn)行了修正。

問(wèn)卷調(diào)查顯示多數(shù)學(xué)生認(rèn)為實(shí)踐效果好，通過(guò)自主學(xué)習(xí)、項(xiàng)目匯報(bào)、實(shí)踐操作以及與企業(yè)導(dǎo)師的互動(dòng)，對(duì)現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)的了解更深入，對(duì)凈化間的凈化原理、設(shè)備操作及管理規(guī)范有了更全面的認(rèn)識(shí)，能夠更好的把握專業(yè)特點(diǎn)，自身的專業(yè)素養(yǎng)、解決問(wèn)題的能力都有很大提升。尤其在疫情時(shí)期，凈化間虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件簡(jiǎn)便易用，補(bǔ)充了實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，保證了特殊時(shí)期實(shí)踐人才的培養(yǎng)質(zhì)量。

后續(xù)將更多參考網(wǎng)上及其他工科院校的優(yōu)秀虛擬仿真實(shí)驗(yàn)方案及模式，歸納總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，構(gòu)建更加完善、整體的凈化間虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，并開(kāi)發(fā)更多的電子封裝涉及的機(jī)理及設(shè)備的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，將設(shè)備放入凈化間，模擬真實(shí)生產(chǎn)場(chǎng)景，使操作更具多樣性，為學(xué)生的實(shí)踐教學(xué)提供有益補(bǔ)充和有力支持。

結(jié)語(yǔ)

創(chuàng)建凈化間虛擬仿真實(shí)驗(yàn)資源，作為現(xiàn)實(shí)實(shí)踐教學(xué)的有益補(bǔ)充，在培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)和工程實(shí)踐能力方面發(fā)揮了極大的作用。凈化間虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛱岣邔W(xué)生實(shí)踐參與度，鞏固學(xué)生專業(yè)知識(shí)的理解力。作為實(shí)際實(shí)驗(yàn)的有益補(bǔ)充，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以提升學(xué)生對(duì)行業(yè)生產(chǎn)內(nèi)容的了解與掌握，并逐步提升學(xué)生的實(shí)踐、創(chuàng)新及解決問(wèn)題的能力，保證了實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量，有益于培養(yǎng)具備專業(yè)知識(shí)與產(chǎn)業(yè)技能的高層次、高素質(zhì)人才。

參考文獻(xiàn)：

[1]李仲，夏旭東，孫丹，等.新工科背景下化工虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)體系的構(gòu)建[J].當(dāng)代化工研究，2023，2：153-155.

[2]周曉燕，農(nóng)春仕，張海洋.木質(zhì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2023，40（4）：143-149.

[3]楊艷華，普?qǐng)@媛，常俊.新工科背景下綜合性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的開(kāi)發(fā)[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2023，44（2）：142-147.

[4]吳來(lái)軍，徐鴻博，李宇杰，等.新工科視域下電子封裝創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2020，23（6）：6-9.

[5]黃濤，胡佳恒，付佩.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在材料力學(xué)課程教學(xué)改革中的應(yīng)用研究[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2022，20（01）：34-38+44.

[6]夏方舟，張東昇.地籍測(cè)量三維虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系建設(shè)與實(shí)踐[J].中國(guó)教育信息化，2021，24：31-34.

[7]王金龍.新工科背景下應(yīng)用型本科高校化學(xué)化工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的構(gòu)建[J].廣東化工，2023，4（50）：223-228.

[8]尉小榮，徐建，李洋洋.高校國(guó)家級(jí)示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程建設(shè)與應(yīng)用現(xiàn)狀分析[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2022，20（3）：26-30.

[9]張敏，文福安，劉俊波．高校虛擬仿真教學(xué)環(huán)境構(gòu)建邏輯探討[J/OL]．實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理.2022-12-13[2023-02-17]https：//kns.cnki.net/kcms/detail//11.2034.T.20230215.1015.002.html

[10]陶宇煒，謝愛(ài)娟，紀(jì)梁，等.新工科背景下虛實(shí)融合實(shí)踐教學(xué)模式研究[J].常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2023，22（1）：33-38

[11]王筠，楊可，陳泳興.新工科背景下虛擬仿真技術(shù)在化工專業(yè)實(shí)踐課程中的建設(shè)與應(yīng)用[J].化工時(shí)刊，2023，37（2）：103-104.

[12]王凱麗，胡垂立.虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于混合式教學(xué)研究[J].科技風(fēng)，2023（1）：103-105.

[13]翟逸飛.電子技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的開(kāi)發(fā)[J].高教學(xué)刊，2023，7（9）：90-93+98.

[14]王玲玲，姜麗娜，富立.任務(wù)驅(qū)動(dòng)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2022，20（6）：194-195+198.

[15]葛培波，畢繼東.創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)仿真實(shí)驗(yàn)虛擬教研室建設(shè)的探討[J].教育教學(xué)論壇，2023，（4）：112-115.

基金項(xiàng)目：山東省教育廳本科高校教學(xué)改革研究項(xiàng)目（M2020168）；山東省教育廳本科高校教學(xué)改革研究項(xiàng)目（M2022276）

作者簡(jiǎn)介：姚旺（1978-），女，博士，講師，主要從事碳材料制備及應(yīng)用方面的研究。

*通迅作者：鐘博（1981-），男，博士，教授，主要從事碳材料制備及應(yīng)用方面的研究。