景德鎮(zhèn)陶瓷大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 江西 景德鎮(zhèn) 333403

在新工科背景下,應(yīng)用型人才的培養(yǎng)成為高等教育的一個(gè)重要培養(yǎng)目標(biāo)。企業(yè)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(yōu)秀的理論運(yùn)用能力和實(shí)踐操作能力,希望他們能夠快速地將理論知識轉(zhuǎn)化為實(shí)踐技術(shù)。在光伏領(lǐng)域,經(jīng)過近十年產(chǎn)業(yè)孕育期殘酷的優(yōu)勝劣汰,硅太陽能電池行業(yè)已形成穩(wěn)定的產(chǎn)業(yè)鏈,整體向好發(fā)展,成為典型的需求大量應(yīng)用型人才的新興行業(yè)。2009年,教育部設(shè)立了高校新能源材料與器件專業(yè),為太陽能電池及其它新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)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(yè),以期為企業(yè)注入專業(yè)的技術(shù)研發(fā)力量。這樣一個(gè)新興專業(yè),尤其要求學(xué)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(xué)、材料等知識在新能源材料領(lǐng)域的應(yīng)用[1]。因此,在新能源(光伏)專業(yè)的本科培養(yǎng)目標(biāo)中,我們不僅要重視理論知識的傳授,還應(yīng)該重視學(xué)生知識運(yùn)用能力和實(shí)踐能力的培養(yǎng),這對于提高其畢業(yè)后在企業(yè)中的適應(yīng)能力有直接的、顯著的作用。

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)模式常受時(shí)間和空間的制約,并普遍存在優(yōu)質(zhì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源不足和各高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源發(fā)展不平衡的問題[2]。在進(jìn)行硅太陽能電池生產(chǎn)制造技術(shù)的實(shí)踐教學(xué)中,這類問題表現(xiàn)得尤為突出。而虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)模式的一個(gè)有力補(bǔ)充,將成為高校培養(yǎng)該領(lǐng)域應(yīng)用型人才和實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)實(shí)踐教學(xué)資源共享的一個(gè)重要途徑[3]。本文以硅太陽能電池制造技術(shù)為例,對虛擬仿真教學(xué)模式進(jìn)行了思考和探討。

1 硅太陽能電池制造技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)勢

單晶硅和多晶硅太陽能電池的生產(chǎn)具有工藝環(huán)節(jié)多、設(shè)備要求高、部分環(huán)節(jié)耗時(shí)長等特點(diǎn)。大部分設(shè)備昂貴,如多晶鑄錠爐和單晶生長爐等。而且,實(shí)驗(yàn)室所用小型設(shè)備與企業(yè)生產(chǎn)所采用的大型設(shè)備在實(shí)踐操作上差別較大,比如在配料裝料方面,又比如在生產(chǎn)管理層面,都有不同的技術(shù)要求。因此,針對硅太陽能電池生產(chǎn)設(shè)計(jì)和制造技術(shù)的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段存在各種困難,如:常規(guī)課時(shí)內(nèi)無法完成全部工藝環(huán)節(jié)的教學(xué);實(shí)驗(yàn)室只能采用小型設(shè)備,與產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)所使用的大型設(shè)備在工藝和操作方面有很大差別;實(shí)驗(yàn)教學(xué)難以考慮到生產(chǎn)管理層面的因素。

另一方面,通過企業(yè)實(shí)習(xí)來進(jìn)行硅太陽能電池生產(chǎn)設(shè)計(jì)和制造技術(shù)的實(shí)踐教學(xué),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(yè)實(shí)習(xí)條件;通常需要耗費(fèi)大量的時(shí)間和經(jīng)費(fèi)對多個(gè)企業(yè)進(jìn)行參觀學(xué)習(xí),才有可能讓學(xué)生全面了解整個(gè)生產(chǎn)流程;學(xué)生無親身實(shí)踐體驗(yàn),不利于理論運(yùn)用于實(shí)際的經(jīng)驗(yàn)積累。

虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以有效彌補(bǔ)硅太陽能電池制造技術(shù)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)方面的上述不足,尤其可以解決實(shí)驗(yàn)教學(xué)難以配置大型設(shè)備以及企業(yè)實(shí)習(xí)對學(xué)生實(shí)踐操作的時(shí)間和空間限制等問題。而且,虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)成本低,可以減小實(shí)驗(yàn)室面積和降低設(shè)備購置、耗材購買、儀器設(shè)備維護(hù)等方面的開支?；谔摂M實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式,可以讓學(xué)生在復(fù)習(xí)鞏固基本理論的基礎(chǔ)上,對電池生產(chǎn)的工藝方法和參數(shù)設(shè)置進(jìn)行獨(dú)立的思考和設(shè)計(jì),并嘗試解決生產(chǎn)中可能出現(xiàn)的問題。通過有效的人機(jī)互動(dòng)設(shè)計(jì),可以充分利用信息技術(shù)開展啟發(fā)式、探究式、討論式、參與式等以學(xué)習(xí)者為中心的教學(xué)新模式,有利于引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行主動(dòng)的設(shè)計(jì)和創(chuàng)新,提高實(shí)踐教學(xué)效果,培養(yǎng)其知識運(yùn)用能力和解決實(shí)際問題的能力。

2 硅太陽能電池制造技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 教學(xué)理念與教學(xué)方法 硅太陽能電池制造技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺建設(shè)的核心目標(biāo)是,基于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式,彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)的不足,為企業(yè)輸送能快速適應(yīng)崗位要求的應(yīng)用型技術(shù)人才。平臺的建設(shè)可以基于逼真的3D動(dòng)畫仿真和第一角色扮演,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣并給予他們切身體驗(yàn),促使他們進(jìn)行獨(dú)立思考從而獲得對相關(guān)知識的更深刻理解。

虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的建設(shè)過程中,應(yīng)注意以下幾個(gè)方面:

(1)建立豐富、細(xì)致的人機(jī)互動(dòng)機(jī)制,從基礎(chǔ)知識掌握、知識應(yīng)用、創(chuàng)新能力等不同層面對學(xué)生進(jìn)行能力訓(xùn)練和考核。

(2)在進(jìn)行資源建設(shè)與人機(jī)互動(dòng)機(jī)制探索過程中,強(qiáng)調(diào)教師對學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程的監(jiān)管,并設(shè)計(jì)相應(yīng)的即時(shí)交流功能,以便指導(dǎo)老師能夠及時(shí)地進(jìn)行引導(dǎo)、答疑和進(jìn)行教學(xué)評價(jià)。

(3)建立指導(dǎo)老師引入問題、情景變化和突發(fā)情況的機(jī)制,引入啟發(fā)式、探究式、討論式、參與式等多教學(xué)方法,形成以培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力為目的的虛擬仿真教學(xué)模式。

2.2 資源建設(shè) 硅太陽能電池制造技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺的建設(shè)可以依據(jù)工藝流程進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)。根據(jù)設(shè)計(jì)好的實(shí)驗(yàn)?zāi)K,建立實(shí)驗(yàn)原理規(guī)范、實(shí)驗(yàn)步驟指導(dǎo)資料,搜集、錄制教學(xué)視頻,并進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)軟件的設(shè)計(jì)和建設(shè)(如圖1)。虛擬實(shí)驗(yàn)資源建設(shè)過程中,必須合理地引入有效的虛擬實(shí)驗(yàn)評價(jià)體系,以評價(jià)教學(xué)效果和培養(yǎng)目標(biāo)達(dá)成情況。

圖1 硅太陽能電池制造技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺架構(gòu)

(1)實(shí)驗(yàn)?zāi)K。根據(jù)硅太陽能電池的生產(chǎn)工藝流程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)K,比如配料裝料實(shí)驗(yàn)?zāi)K、單晶生長實(shí)驗(yàn)?zāi)K、多晶鑄錠實(shí)驗(yàn)?zāi)K、開方切片實(shí)驗(yàn)?zāi)K、制絨實(shí)驗(yàn)?zāi)K、擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)?zāi)K、少子測試實(shí)驗(yàn)?zāi)K、電池封裝實(shí)驗(yàn)?zāi)K等。

(2)原理與操作規(guī)范。本部分內(nèi)容為實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備資料,可以通過在線平臺供學(xué)生閱讀參考。這一部分內(nèi)容應(yīng)以規(guī)范性為前提,介紹每個(gè)實(shí)驗(yàn)涉及的基本原理、實(shí)驗(yàn)設(shè)備、操作程序以及詳細(xì)的操作步驟,以幫助學(xué)生熟悉實(shí)驗(yàn)的操作過程。各步驟必須標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范,但不能具有限制性。

這其中還包括設(shè)備的介紹,如相應(yīng)設(shè)備的型號、參數(shù)、性能特征、場地和水電使用要求、操作注意事項(xiàng)等,以圖文混合方式呈現(xiàn)解,讓學(xué)生對多晶硅太陽能電池生產(chǎn)設(shè)備的情況有基本的了解。

(3)視頻演示。主要是動(dòng)畫演示和錄像資料,所涉及的設(shè)備和素材要盡量與企業(yè)生產(chǎn)情況相符,能夠形象地展示實(shí)驗(yàn)的全過程或者關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

(4)仿真實(shí)驗(yàn)。在仿真軟件設(shè)計(jì)時(shí),充分引入人機(jī)互動(dòng)機(jī)制。軟件要能夠?qū)Σ煌瑓?shù)下得出的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)處理,具體有對錯(cuò)誤的實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行提示和修正的功能。仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)不僅要使學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)的原理和過程,還要使他們熟悉相關(guān)設(shè)備的操作。

(5)交流平臺。提供同學(xué)之間、師生之間的交流平臺,具有使用指導(dǎo)(服務(wù)答疑)、軟件管理、學(xué)生和班級管理、課堂管理、成績管理等功能。

(6)評價(jià)體系。建立合理、有效的虛擬實(shí)驗(yàn)評價(jià)體系,對學(xué)生的相關(guān)知識掌握情況和相關(guān)能力培養(yǎng)情況進(jìn)行評估,評價(jià)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺的教學(xué)效果。

2.3 人機(jī)互動(dòng)機(jī)制的探索與設(shè)計(jì) 虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的建設(shè)中,充分的人機(jī)互動(dòng)設(shè)計(jì)是調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性、培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐的基礎(chǔ)。

人機(jī)互動(dòng)設(shè)計(jì)應(yīng)以規(guī)范化設(shè)計(jì)為前提,這是學(xué)生能夠正確、順利地將原理規(guī)范運(yùn)用于指導(dǎo)虛擬實(shí)驗(yàn)操作的保證。因此,首先要基于相關(guān)理論基礎(chǔ)與技術(shù)的生產(chǎn)應(yīng)用現(xiàn)狀確定虛擬實(shí)驗(yàn)對應(yīng)的規(guī)范化前提,在此基礎(chǔ)上合理地進(jìn)行人機(jī)互動(dòng)設(shè)計(jì)。在虛擬仿真教學(xué)過程中,系統(tǒng)利用控件對不同的實(shí)驗(yàn)步驟和實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行處理,反饋相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,包括操作錯(cuò)誤提示以及錯(cuò)誤的、失敗的、甚至破壞性的結(jié)果等。同時(shí),基于規(guī)范化前提,可以在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)過程中預(yù)設(shè)一定的情景變化和突發(fā)情況,允許指導(dǎo)教師臨時(shí)設(shè)計(jì)引入問題、情景變化和突發(fā)情況。學(xué)生根據(jù)相關(guān)知識與技能應(yīng)對和處理情景變化與突發(fā)情況,這可以作為教學(xué)評價(jià)體系中知識運(yùn)用能力和創(chuàng)新能力考察的重要方面。

2.4 教學(xué)效果評價(jià)與評估 合理的評價(jià)體系應(yīng)當(dāng)能夠從不同能力層次對學(xué)生的實(shí)驗(yàn)完成情況進(jìn)行考查。評價(jià)方式主要通過在虛擬實(shí)驗(yàn)中設(shè)立交互點(diǎn)和引入問題、情景變化、突發(fā)情況等進(jìn)行,并輔以習(xí)題測試,考查學(xué)生對不同層次考察點(diǎn)的達(dá)成情況。評價(jià)體系要有機(jī)地融入開放服務(wù)平臺,通過平臺的使用指導(dǎo)(服務(wù)答疑)、實(shí)驗(yàn)軟件運(yùn)行管理、學(xué)生和班級管理、課堂管理、成績管理等功能實(shí)現(xiàn)最終的評價(jià)管理。

3 結(jié)語

應(yīng)用型人才培養(yǎng)是高校教育的一個(gè)重要發(fā)展方向,其目標(biāo)是為企業(yè)輸送能快速適應(yīng)崗位要求的技術(shù)人才,其核心是有效的實(shí)踐教學(xué)模式。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)在資源、時(shí)間和空間方面都不存在實(shí)施障礙,適于進(jìn)行應(yīng)用型人才培養(yǎng)。本文提出的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式,建設(shè)的核心在于加強(qiáng)指課堂管理功能、豐富交互點(diǎn)設(shè)計(jì)和加強(qiáng)人機(jī)互動(dòng)機(jī)制以及豐富能力訓(xùn)練、考查和評價(jià)的層次。本文針對硅太陽能電池制造技術(shù)提出的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式,對于其它領(lǐng)域和專業(yè)的應(yīng)用型人才培養(yǎng)也有重要的借鑒意義。