許才頊，賀杰（通訊作者），郭慧，黃河，呂美妮

（1.梧州學(xué)院電子與信息工程學(xué)院，廣西梧州，543002；2.梧州學(xué)院大數(shù)據(jù)與軟件工程學(xué)院，廣西梧州，543002；3.梧州學(xué)院商學(xué)院，廣西梧州，543002）

當(dāng)前，應(yīng)用型本科院校人才培養(yǎng)方案重理論輕實(shí)踐的現(xiàn)象依然嚴(yán)重，多數(shù)學(xué)生存在動(dòng)手能力差、難以滿足企業(yè)發(fā)展的需求的問題[1]。將虛擬仿真技術(shù)與教育教學(xué)深度融合應(yīng)用示范，是踐行高等院校教學(xué)科技化有效途徑，為普通高校轉(zhuǎn)型提供有效助力，已成為當(dāng)下實(shí)驗(yàn)教學(xué)熱門研究話題[2]。教育部在醫(yī)學(xué)、軍事、航天、化工、采礦等領(lǐng)域遴選了近百個(gè)國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心[3]。此舉為高校的科技化、信息化、虛擬化建設(shè)提供政策依據(jù)和實(shí)踐基礎(chǔ)，為虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用提供便利[4]。

虛擬仿真教學(xué)主要構(gòu)建逼真的虛擬實(shí)驗(yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)環(huán)境、實(shí)驗(yàn)材料與實(shí)驗(yàn)流程等，讓學(xué)生從虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境中模擬實(shí)驗(yàn)，以獲得直觀視覺、感知、聽覺、觸覺等多方面的人機(jī)交互體驗(yàn)。將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用在電路板制作實(shí)驗(yàn)，能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中安全隱患大、耗材成本高、實(shí)操互動(dòng)差、教學(xué)資源不足、考核管理難等問題，為學(xué)生能在虛擬環(huán)境中反復(fù)操作、探索學(xué)習(xí)提供幫助。

本文根據(jù)我校自身辦學(xué)特色和教學(xué)條件，為緩解實(shí)驗(yàn)教學(xué)成本大、質(zhì)量差、效率低、風(fēng)險(xiǎn)高等問題，提出虛擬化實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)新模式，形成“虛實(shí)結(jié)合”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)的新格局。實(shí)踐表明，虛擬仿真軟件一定程度上鞏固了教學(xué)效果，消除了實(shí)驗(yàn)潛在風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)約了耗材支出，達(dá)到提高教學(xué)效率的目的。

1 電路板制作實(shí)驗(yàn)教學(xué)面臨的困境

■1.1 實(shí)驗(yàn)的高成本、耗材大難以控制

印制電路板實(shí)驗(yàn)是電子信息工程專業(yè)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)之一[5]，實(shí)驗(yàn)過程需準(zhǔn)備覆銅板、砂紙、三氯化鐵、酒精、小刀、鑷子、量筒、助焊劑、打印機(jī)、鉆孔機(jī)、電烙鐵、熱轉(zhuǎn)印機(jī)和焊錫等原材料。雖上述材料成本低廉，但實(shí)驗(yàn)課程幾乎面向全院學(xué)生，使得教學(xué)實(shí)驗(yàn)耗材成本一直開支巨大，嚴(yán)重影響著學(xué)校教學(xué)實(shí)驗(yàn)管理與發(fā)展，因此，發(fā)揮虛擬仿真技術(shù)的虛擬化特點(diǎn)，盡量減少實(shí)驗(yàn)耗材和經(jīng)濟(jì)對(duì)開展本課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的相關(guān)負(fù)面影響，能讓任意時(shí)間、地點(diǎn)、環(huán)境下的學(xué)生，僅需依托電腦和互聯(lián)網(wǎng)等工具，便可相對(duì)真實(shí)的進(jìn)行電路板制作的模擬實(shí)驗(yàn)，大大降低了實(shí)踐教學(xué)所需的成本。

■1.2 安全隱患、環(huán)境污染難以消除

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)過程因相關(guān)工序和工藝的需求，往往涉及到多類設(shè)備和強(qiáng)腐蝕化學(xué)物質(zhì)的相互作用，在轉(zhuǎn)印、腐蝕、鉆孔等環(huán)節(jié)存在不可忽視的潛在的危險(xiǎn)[6]。例如：高濃度強(qiáng)酸性腐蝕液意外飛濺而傷害皮膚，化學(xué)廢液的排放污染環(huán)境，高轉(zhuǎn)速的鉆孔機(jī)摩擦產(chǎn)生火星飛濺等問題時(shí)有發(fā)生。利用虛擬仿真技術(shù)設(shè)計(jì)鉆孔機(jī)、轉(zhuǎn)印機(jī)、試劑瓶、實(shí)驗(yàn)室場景等三維模型，以滿足虛擬實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)的需求，讓學(xué)生感受“身臨其境”的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，這樣不僅可避免實(shí)驗(yàn)過程中潛在的有關(guān)危險(xiǎn)，也一定程度上增強(qiáng)安全意識(shí)，彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)存在的不足。

■1.3 “因材施教”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)難以開展

理論教學(xué)和綜合實(shí)操是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基礎(chǔ)。PPT輔助教學(xué)方式是我校實(shí)驗(yàn)理論教學(xué)常用手段，由于教學(xué)缺乏實(shí)踐性、互動(dòng)性、重點(diǎn)性，學(xué)生對(duì)于實(shí)驗(yàn)要義的掌握往往十分困難。同時(shí)課程學(xué)時(shí)的限制，容易形成教學(xué)兩極化的局面。利用虛擬仿真技術(shù)的教學(xué)軟件可以內(nèi)置提示、視頻、教程、統(tǒng)計(jì)、考核等功能[7-8]，能信息化標(biāo)定學(xué)生實(shí)驗(yàn)課程過程的掌握情況，能為學(xué)生評(píng)測、資源共享、學(xué)習(xí)的量化評(píng)估提供支持，能為教師優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、手段及方法，能為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的“因材施教”提供針對(duì)性、靈活性、普適性依據(jù)。

2 虛擬仿真的電路板制板平臺(tái)建設(shè)思路及內(nèi)容

■2.1 電路板制作虛擬仿真平臺(tái)的建設(shè)思路

我校的電路板制作虛擬仿真平臺(tái)的建設(shè)采取“資源共享、教研并重、特點(diǎn)鮮明、服務(wù)地方”的設(shè)計(jì)理念，以“虛實(shí)結(jié)合、以虛補(bǔ)實(shí)”的設(shè)計(jì)原則，發(fā)揮群體協(xié)同的綜合教學(xué)能力培養(yǎng)和行業(yè)實(shí)訓(xùn)的優(yōu)勢，充分踐行應(yīng)用型本科人才培養(yǎng)和發(fā)展的主體思想，采取領(lǐng)導(dǎo)牽頭，教師與學(xué)生自主設(shè)計(jì)、研發(fā)、拓展與維護(hù)的建設(shè)方式，將虛擬仿真、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、人機(jī)交互、網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)、三維建模等技術(shù)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)、人才培養(yǎng)、教學(xué)拓展、科技創(chuàng)新、學(xué)科特點(diǎn)等深度融合，開發(fā)出具有跨平臺(tái)部署、可拓展、可移植的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)資源，解決實(shí)驗(yàn)教學(xué)中環(huán)節(jié)痛難點(diǎn)問題，強(qiáng)化普通應(yīng)用型本科院校以實(shí)踐、應(yīng)用、工程技能等為主線的人才培養(yǎng)的模式。

■2.2 電路板制作虛擬仿真平臺(tái)的建設(shè)內(nèi)容

三維虛擬仿真教學(xué)軟件是本虛擬仿真平臺(tái)建設(shè)的核心內(nèi)容。采取任務(wù)驅(qū)動(dòng)模式豐富和指導(dǎo)教學(xué)，使用信息化、共享化的理念引導(dǎo)學(xué)習(xí)和實(shí)踐，有效培養(yǎng)學(xué)生分析問題、完成問題、總結(jié)問題的能力，建設(shè)形成具有可操作性強(qiáng)、性能穩(wěn)定的集教學(xué)管理、虛擬教學(xué)、課程考核等于一體的信息化、虛擬化、共享化綜合實(shí)驗(yàn)教研平臺(tái)。

首先，組織教師團(tuán)隊(duì)和學(xué)生深度整理、分析、探討與總結(jié)制板實(shí)驗(yàn)中的相關(guān)流程，如：設(shè)計(jì)與打印PCB圖、打磨覆銅板、轉(zhuǎn)印覆銅板、配置腐蝕液、腐蝕覆銅板、修板去墨、打孔和涂助焊劑等，完成實(shí)驗(yàn)各環(huán)節(jié)所需的視頻、動(dòng)畫、三維場景等模型的合理化重構(gòu)，導(dǎo)入相關(guān)場景資源、模型數(shù)據(jù)，定義系統(tǒng)功能所需角色、場景和相關(guān)展示的界面風(fēng)格的設(shè)計(jì)，充分考慮人機(jī)交互中的的場景和諧性與震撼感，讓各類用戶均能體驗(yàn)科技感十足的舒適交互體驗(yàn)。

其次，系統(tǒng)性分析虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)的前端交互功能的需求，定義和劃分教師、學(xué)生和管理員角色的差異與交互流程，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)所涉及的過程環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)其碰撞、高亮、吸附、拉伸、旋轉(zhuǎn)等功能，完成學(xué)習(xí)部分涉及的線上、線下教學(xué)視頻與教學(xué)動(dòng)畫的對(duì)接和交互展示，完善實(shí)驗(yàn)成果檢查、綜合數(shù)據(jù)分析，各類柱狀圖、餅狀圖、數(shù)據(jù)報(bào)表等方面的內(nèi)容的顯示。虛擬仿真軟件流程圖如圖1所示。

圖1 虛擬仿真教學(xué)軟件交互流程圖

最后，選取MySQL數(shù)據(jù)庫創(chuàng)建數(shù)據(jù)表，建設(shè)實(shí)驗(yàn)所需的規(guī)范測評(píng)、管理、考核體系，設(shè)計(jì)構(gòu)建服務(wù)器管理系統(tǒng)，完善前后臺(tái)軟件的網(wǎng)絡(luò)傳輸與數(shù)據(jù)對(duì)接，并在學(xué)校網(wǎng)絡(luò)與信息化中心完成服務(wù)器部署，安排學(xué)生進(jìn)行系統(tǒng)化測試。實(shí)現(xiàn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)M和課程考核動(dòng)態(tài)結(jié)合與合理的區(qū)分，最終形成一套合理、閉環(huán)式仿真教學(xué)軟件平臺(tái)方案。

3 電路板制作虛擬仿真平臺(tái)的開發(fā)、實(shí)踐與反思

虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)以三維虛擬仿真技術(shù)為基礎(chǔ)，實(shí)際開發(fā)過程從“科研性”和“應(yīng)用性”兩個(gè)維度對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)與優(yōu)化?！翱蒲行浴保赐ㄟ^組織師生結(jié)合學(xué)習(xí)內(nèi)容與迫切需求，選取Unity 3D開發(fā)引擎[9]，設(shè)計(jì)完善的實(shí)驗(yàn)教學(xué)場景、特效與交互功能，開發(fā)出流程規(guī)范、結(jié)構(gòu)合理、開放創(chuàng)新的綜合性教學(xué)管理系統(tǒng)。展示學(xué)?？蒲泄ぷ鞯闹黧w擔(dān)當(dāng)。“應(yīng)用性”，即廣大師生本身是平臺(tái)應(yīng)用的直接使用者，也是平臺(tái)的直接研發(fā)者，針對(duì)傳統(tǒng)電路板制版實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的痛點(diǎn)問題，師生研發(fā)團(tuán)隊(duì)可根據(jù)虛擬仿真技術(shù)對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)的完整性、綜合性、層次性進(jìn)行宏觀考慮，讓整個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容逐步豐富，整個(gè)實(shí)驗(yàn)測評(píng)訓(xùn)練體系逐步完善，整個(gè)虛擬仿真平臺(tái)逐步智能高效，經(jīng)過反復(fù)的“研討-研發(fā)-改進(jìn)”的循環(huán)迭代，可在能預(yù)見的未來，形成實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)完整、場景功能合理、綜合測評(píng)準(zhǔn)確的信息化應(yīng)用平臺(tái)。

■3.1 虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)的開發(fā)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)旨在輔助制作電路板工藝的實(shí)踐教學(xué)，必須確定科學(xué)線性的實(shí)驗(yàn)步驟及客觀的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。線性的實(shí)驗(yàn)步驟需對(duì)各步驟的多個(gè)工藝流程或操作進(jìn)行嚴(yán)格規(guī)劃?？陀^實(shí)驗(yàn)結(jié)果則需根據(jù)流程不同或操作差異，預(yù)先設(shè)計(jì)和定義可能出現(xiàn)的場景反饋和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。形成完備的功能流程圖并開發(fā)成腳本代碼，借助Unity 3D引擎開發(fā)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的前端實(shí)驗(yàn)操作平臺(tái)軟件，供學(xué)生在任意環(huán)境反復(fù)使用。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)需要開發(fā)的核心內(nèi)容主要有以下三點(diǎn)：

（1）虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室中所涉及的各類物件的模型、材質(zhì)、效果等原始虛擬仿真材料的設(shè)計(jì)與制作。研發(fā)人員采取簡單建模與復(fù)合建模等方式，實(shí)現(xiàn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的相關(guān)物品三維模型，設(shè)計(jì)過程嚴(yán)格控制模型面數(shù)的數(shù)量，以確保平臺(tái)性能的流暢，采取統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)模型的材質(zhì)、燈光等進(jìn)行渲染，最終形成模型簡潔、規(guī)范、舒適的一套整體方案。如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)室模型設(shè)計(jì)圖

（2）設(shè)計(jì)平臺(tái)嵌入相關(guān)教學(xué)資源的數(shù)據(jù)接口，實(shí)現(xiàn)教學(xué)過程中音、視頻的集中展示與個(gè)性化實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)。教師會(huì)將電路板制作規(guī)范流程與操作步驟錄制成視頻，集成于虛擬仿真教學(xué)軟件中，作為虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的理論學(xué)習(xí)資料，也會(huì)將慕課、嗶哩嗶哩、優(yōu)酷、百度文庫等相關(guān)資源的鏈接進(jìn)行關(guān)聯(lián)，方便學(xué)生在軟件中便捷的學(xué)習(xí)。

（3）電路板制作工藝實(shí)踐所涉及的九個(gè)核心步驟的虛擬仿真交互方式、操作過程、數(shù)據(jù)呈現(xiàn)等功能的實(shí)現(xiàn)。學(xué)生開始在虛擬的環(huán)境中對(duì)于實(shí)驗(yàn)的九個(gè)環(huán)節(jié)依次進(jìn)行操作，部分操作步驟如圖3所示，操作結(jié)果嚴(yán)格依賴操作步驟，對(duì)于操作過程的所有危險(xiǎn)、錯(cuò)誤操作，平臺(tái)會(huì)給出詳細(xì)的警告并允許學(xué)生重復(fù)此次操作，從而系統(tǒng)性的提示、規(guī)避掉工程實(shí)踐中的風(fēng)險(xiǎn)，操作過程、時(shí)間、結(jié)果會(huì)動(dòng)態(tài)記錄與計(jì)算并將相關(guān)結(jié)果分享給教師，由老師提供反饋和給出改進(jìn)的方向。

圖3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)操作相關(guān)步驟

■3.2 虛擬仿真教學(xué)實(shí)踐效果及推廣

虛擬仿真教學(xué)對(duì)于豐富“電路板制作”實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性起到了積極作用。虛擬仿真教學(xué)堅(jiān)持貫徹自主學(xué)習(xí)思想，相比傳統(tǒng)課堂更輕松愉悅，更具親和力。其實(shí)踐及推廣概括如下。

在實(shí)踐方面，部署虛擬仿真實(shí)軟件驗(yàn)擺脫了時(shí)、空、物的局限性，采取虛實(shí)結(jié)合的混合教學(xué)模式，強(qiáng)化了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)過程和步驟的感性認(rèn)知，增強(qiáng)了學(xué)生學(xué)習(xí)積極性、趣味性和安全性，減輕了教師負(fù)擔(dān)，教學(xué)效果也明顯提升。學(xué)生不僅在學(xué)校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的行為更加規(guī)范，氛圍更加嚴(yán)謹(jǐn)與和諧，同時(shí)，課后也促使學(xué)生逐步形成了反復(fù)演練好習(xí)慣。

在應(yīng)用推廣方面，本教學(xué)軟件能為我?？萍紝W(xué)生社團(tuán)中鼓勵(lì)學(xué)生自主創(chuàng)新，服務(wù)學(xué)生科技創(chuàng)新和發(fā)展提供便利。同時(shí)，學(xué)院正著力整合資源，豐富相關(guān)虛擬實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，以期打造多功能、多任務(wù)、復(fù)合型的虛擬仿真平臺(tái)，因此，在同類本科兄弟院校的相似課程具有極強(qiáng)的推廣應(yīng)用前景，并為學(xué)校建設(shè)成為地方教育和實(shí)踐創(chuàng)新的中心提供了理論依據(jù)。

■3.3 虛擬仿真教學(xué)反思

本虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)并非只是基于虛擬仿真技術(shù)的簡單功能復(fù)刻，而是“虛實(shí)結(jié)合，以實(shí)補(bǔ)虛”新教學(xué)模式的探索。雖受到廣大師生的一致認(rèn)可，但本團(tuán)隊(duì)依然發(fā)現(xiàn)存在如下問題：（1）虛擬仿真實(shí)驗(yàn)雖完善了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，但對(duì)師生的綜合素質(zhì)需求很高。虛擬教學(xué)的準(zhǔn)備、運(yùn)維和推進(jìn)過程復(fù)雜。（2）虛擬實(shí)驗(yàn)通過軟件模擬實(shí)現(xiàn)，能有效的規(guī)避掉實(shí)驗(yàn)潛在危險(xiǎn)，同時(shí)，虛擬實(shí)驗(yàn)的推進(jìn)必然會(huì)使得學(xué)生喪失風(fēng)險(xiǎn)判斷的敏感性。（3）課程的實(shí)施對(duì)硬件和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的要求較高，對(duì)于無法滿足自主實(shí)驗(yàn)的學(xué)生需要教師、學(xué)生和教學(xué)管理部門努力協(xié)調(diào)共同解決。（4）虛擬仿真實(shí)驗(yàn)充分的發(fā)揮了學(xué)生的主觀能動(dòng)性和自主學(xué)習(xí)能力，但指導(dǎo)教師如何安排好虛擬教學(xué)課程內(nèi)容，把握教學(xué)重難點(diǎn)也是需要深入探討的話題。

4 結(jié)語

本虛仿真教學(xué)平臺(tái)以信息化、網(wǎng)絡(luò)化、共享化作為建設(shè)指標(biāo)，圍繞服務(wù)地方經(jīng)濟(jì)和發(fā)展高層次應(yīng)用型人才的戰(zhàn)略需求，創(chuàng)建了“易部署、易推廣、易實(shí)施、易應(yīng)用”的虛擬仿真教學(xué)新體系。雖虛擬仿真實(shí)驗(yàn)應(yīng)用于我?；A(chǔ)實(shí)驗(yàn)依然存在很多問題，但針對(duì)實(shí)驗(yàn)的高風(fēng)險(xiǎn)、高成本、不可逆等特性，全自主研發(fā)虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)，讓學(xué)生參與平臺(tái)的開發(fā)、維護(hù)與使用，激發(fā)了學(xué)生的科研創(chuàng)造能力，提高了學(xué)習(xí)興趣，保證了人生安全，節(jié)約了學(xué)校的成本和空間，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)的空白，豐富了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，完備了應(yīng)有的實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練體系。目前我校電路板制作虛擬仿真平臺(tái)處于試運(yùn)營階段，調(diào)查結(jié)果顯示，幾乎得到全體師生的一致好評(píng)。上述舉措對(duì)于培養(yǎng)應(yīng)用型電子類本科人才、緩解實(shí)驗(yàn)教學(xué)壓力、完善教學(xué)環(huán)境等方面起到了一定的促進(jìn)作用，如何進(jìn)一步發(fā)揮學(xué)科的特色，推動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，創(chuàng)新性服務(wù)地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展，完善虛擬仿真教學(xué)資源，努力做到推陳出新，仍然是長期值得探索踐行的課題。