雷 姍，孫立忠，王鑫銘，郭進(jìn)偉

（湘潭大學(xué)材料科學(xué)與工程國家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心（湘潭大學(xué)），湖南湘潭 411105）

0 引 言

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可使學(xué)生接觸科研前沿設(shè)備與技術(shù)，具有性價(jià)比高、可塑性強(qiáng)、開放共享程度高等特點(diǎn)，也為學(xué)生提供了自主學(xué)習(xí)的平臺(tái)［1］。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)還可彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)用房短缺、儀器設(shè)備臺(tái)套數(shù)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(yīng)國家關(guān)于建設(shè)國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的號(hào)召，推動(dòng)此類項(xiàng)目的建設(shè)，之后虛擬仿真逐漸被廣泛應(yīng)用于各學(xué)科實(shí)驗(yàn)教學(xué)，成為我國高校主要推進(jìn)的有關(guān)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革項(xiàng)目［3-4］。

物理氣相沉積技術(shù)中的脈沖激光沉積（Pulsed Laser Deposition，PLD）薄膜制備術(shù)是一種先進(jìn)的薄膜制備工藝和手段［5］，隨著材料科學(xué)和薄膜制備技術(shù)的發(fā)展，其在功能薄膜制備工藝及技術(shù)中有著不可替代的地位［6-8］。材料制備工藝及技術(shù)是無機(jī)非金屬材料類本科生專業(yè)基礎(chǔ)的核心課程之一，也是材料類專業(yè)的學(xué)生培養(yǎng)目標(biāo)中的重要內(nèi)容，對(duì)于多功能薄膜材料制備相關(guān)專業(yè)的研究生也是必不可少的學(xué)習(xí)內(nèi)容之一。這類實(shí)驗(yàn)往往是在極端條件（如高真空條件）、高消耗下進(jìn)行的，為達(dá)到超高真空條件，實(shí)驗(yàn)流程都將涉及較長的制備周期，另外高消耗主要是因?yàn)樵赑LD的實(shí)驗(yàn)過程中要使用高價(jià)值靶材及激光氣體，每個(gè)人時(shí)數(shù)的實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)消耗都在千元左右，開設(shè)PLD專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程所需的極端條件和高消耗嚴(yán)重制約了該實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)的有效開展。因此，要在材料類本科培養(yǎng)環(huán)節(jié)完成該實(shí)驗(yàn)工藝的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，會(huì)限制整個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的可持續(xù)發(fā)展，但若材料類本科生培養(yǎng)過程中不涉及該類實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，會(huì)有遠(yuǎn)離科學(xué)研究前沿、難以展現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容與時(shí)俱進(jìn)的趨勢(shì)。

本文以本院國家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心、低維材料及其應(yīng)用技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、特種功能薄膜材料國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室為平臺(tái)，自主開發(fā)設(shè)計(jì)了PLD過程模擬虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

1 PLD薄膜制備實(shí)驗(yàn)

PLD是以激光作為輻射介質(zhì)，對(duì)物體表面進(jìn)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(shù)手段?；竟ぷ髟恚?-11］可以分為以下5 個(gè)階段：①激光與靶材相互作用產(chǎn)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(yùn)。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(kuò)大。④島間合并，大島彼此融合并完全覆蓋整個(gè)襯底表面。⑤第二層薄膜開始形核，長大，島合并，至鋪滿整個(gè)下一層。⑥隨著薄膜層狀生長不斷繼續(xù)，異質(zhì)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(shí)驗(yàn)課程的設(shè)計(jì)與開發(fā)

2.1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程的設(shè)計(jì)思路

自主開發(fā)設(shè)計(jì)的脈沖激光沉積過程模擬虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目是以PLD-5000 系統(tǒng)為模型（見圖3），在以材料科學(xué)與工程學(xué)院的PLD 實(shí)驗(yàn)室為參照的虛擬場(chǎng)景中，與實(shí)驗(yàn)室參觀演示相結(jié)合，完整虛擬了PLD 薄膜制備的工藝流程及實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中的關(guān)鍵控制條件，保持虛擬特征的基礎(chǔ)上做到虛實(shí)結(jié)合，學(xué)生的直觀性明顯加強(qiáng)，對(duì)該實(shí)驗(yàn)中緊密結(jié)合的“薄膜材料和技術(shù)”“材料制備技術(shù)”等相關(guān)課程知識(shí)點(diǎn)的理解進(jìn)一步加深，可解決多功能薄膜材料制備人才培養(yǎng)的瓶頸，實(shí)現(xiàn)材料類本科教學(xué)過程中材料制備技術(shù)的與時(shí)俱進(jìn)。

圖3 PLD-5000薄膜沉積系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

PLD過程模擬虛擬仿真實(shí)驗(yàn)綜合運(yùn)用材料科學(xué)基礎(chǔ)、材料制備技術(shù)、薄膜材料與技術(shù)、信息技術(shù)科學(xué)、物理學(xué)等多學(xué)科的研究成果，在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)計(jì)上采用本項(xiàng)目組近期的相關(guān)科研成果，以制備多功能納米薄膜材料為切入點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容選取氧化物薄膜材料外延生長，有針對(duì)性地對(duì)靶材準(zhǔn)備、襯底（基片）處理、激光單脈沖能量及能量密度設(shè)置、激光光斑尺寸調(diào)控、靶材的運(yùn)動(dòng)與切換、薄膜材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與沉積、薄膜樣品后處理、基片溫度調(diào)控、腔內(nèi)壓強(qiáng)設(shè)定等進(jìn)行實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)，以異質(zhì)結(jié)、多層疊層、超晶格等薄膜制備技術(shù)為核心，研發(fā)了用于極端環(huán)境下非易失性信息存儲(chǔ)用的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)氧化物鐵電薄膜制備［12-13］的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)步驟如圖4 所示。該實(shí)驗(yàn)既保留了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的科學(xué)屬性，也體現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容上的先進(jìn)性特征。

圖4 實(shí)驗(yàn)流程設(shè)計(jì)

2.2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程開發(fā)的技術(shù)架構(gòu)及研發(fā)技術(shù)

本項(xiàng)目是以計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)為基礎(chǔ)，多媒體和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為輔助，以服務(wù)為目標(biāo)的軟件框架進(jìn)行開發(fā)，集真實(shí)場(chǎng)景模擬、自主選擇設(shè)計(jì)、系統(tǒng)智能提示、實(shí)驗(yàn)過程管理和實(shí)驗(yàn)報(bào)告批閱于一體，是具有良主動(dòng)性、相互性和創(chuàng)新性的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)［14］。為保障和實(shí)現(xiàn)平臺(tái)及項(xiàng)目運(yùn)行，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)為5 層架構(gòu)，具體如圖5所示，由下而上提供服務(wù)，直至建立完整的教學(xué)實(shí)驗(yàn)虛擬環(huán)境。

圖5 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

項(xiàng)目選擇運(yùn)用HTML5 和Unity3D、3D Studio Max、Maya等開發(fā)技術(shù)與工具。單場(chǎng)景模型面數(shù)：900 000個(gè)；貼圖分辨率：1 024 px ×1 024 px；每幀渲染次數(shù)1 100 calls；動(dòng)作反饋時(shí)間1 s；顯示刷新率＞30 FPS；分辨率1 920 ppi×1 080 ppi。運(yùn)行時(shí)服務(wù)器操作系統(tǒng)為Windows Sever，數(shù)據(jù)庫為Mysql。網(wǎng)絡(luò)帶寬不低于20 MB，建議網(wǎng)絡(luò)帶寬50 MB及以上，可點(diǎn)擊實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目首頁面下方網(wǎng)速測(cè)試按鈕進(jìn)行測(cè)試。能夠支持的同時(shí)在線人數(shù)100 人，并提供在線排隊(duì)提示服務(wù)。

3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)模式

3.1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程

該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的教學(xué)是通過線上、線下結(jié)合的模式開展的，首先由任課老師在課堂上講授相關(guān)理論知識(shí)，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(gòu)造等。在學(xué)生有了一定的理論基礎(chǔ)知識(shí)后，通過錄制的操作視頻，更直觀地讓學(xué)生了解實(shí)驗(yàn)原理、儀器操作，最后由學(xué)生自主上機(jī)，完成實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)操作部分界面如圖6 所示。

圖6 實(shí)驗(yàn)操作界面

學(xué)生登錄項(xiàng)目網(wǎng)站進(jìn)入虛擬的實(shí)驗(yàn)室，可體驗(yàn)沉浸式環(huán)境漫游，直觀形象、立體生動(dòng)地體驗(yàn)、感知與領(lǐng)略實(shí)驗(yàn)室物理環(huán)境的空間、布局和結(jié)構(gòu)。掌握設(shè)備設(shè)施的配備規(guī)范，了解實(shí)驗(yàn)室規(guī)范及其安全要求后，方可開始交互式練習(xí)操作。學(xué)生通過思考可及時(shí)與在線教學(xué)任課教師提問，老師亦可及時(shí)回復(fù)、答疑和詢問學(xué)習(xí)情況與進(jìn)度。與此同時(shí)，學(xué)生也可通過鼠標(biāo)與鍵盤的操作，完成與屏幕內(nèi)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)工具、實(shí)驗(yàn)耗材等虛擬物件的實(shí)時(shí)互動(dòng)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)講義操作，完成練習(xí)任務(wù)。項(xiàng)目操作過程中允許學(xué)生試錯(cuò)、犯錯(cuò)，因?yàn)殚_發(fā)時(shí)設(shè)計(jì)有提示功能，包括正確操作步驟提示，錯(cuò)誤操作提醒以及根據(jù)學(xué)生操作完成度打分的功能。學(xué)生通過HCI（人機(jī)交互）模式，可達(dá)到結(jié)合理論與原理了解設(shè)備構(gòu)造、熟練操作的實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，期間學(xué)生也可通過犯錯(cuò)暴露自身學(xué)習(xí)的短板、不足并及時(shí)彌補(bǔ)，從而及時(shí)得到改正和補(bǔ)充。在練習(xí)環(huán)節(jié)中，學(xué)生也可根據(jù)興趣自主選擇練習(xí)或自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，通過練習(xí)模式，熟悉整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程操作及參數(shù)設(shè)置，也能有針對(duì)性地對(duì)薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)練習(xí)；通過自主設(shè)計(jì)模式，可培養(yǎng)學(xué)生自主思考能力，將專業(yè)理論與實(shí)驗(yàn)技術(shù)實(shí)踐相融合，提高學(xué)生專業(yè)認(rèn)知，增強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)造性能力。

學(xué)生可根據(jù)自身需求選擇“演練模式”和“考核模式”中的其中一個(gè)，項(xiàng)目系統(tǒng)平臺(tái)亦可記錄實(shí)驗(yàn)進(jìn)行過程中的每一步操作，做到可回顧，可追溯，以便學(xué)生清晰認(rèn)識(shí)自我學(xué)習(xí)進(jìn)程，進(jìn)行自我修正，及時(shí)調(diào)整。通過系統(tǒng)后臺(tái)，任課老師可實(shí)時(shí)跟進(jìn)在線學(xué)生的實(shí)驗(yàn)過程，與學(xué)生進(jìn)行互動(dòng)提問與答疑，引導(dǎo)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作。老師也可因材施教，選取合適的考題對(duì)學(xué)生進(jìn)行考核，實(shí)現(xiàn)差異化教學(xué)，個(gè)性化教學(xué)，將教學(xué)效果最大化。

學(xué)生在完成實(shí)驗(yàn)步驟后，須根據(jù)界面中表格要求，填寫整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中選取的參數(shù)和取得的數(shù)據(jù)、結(jié)論，以便任教老師掌握其學(xué)習(xí)效果并作出客觀的評(píng)價(jià)。同時(shí)，學(xué)生本人在此過程也可復(fù)習(xí)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，反思實(shí)驗(yàn)操作，及時(shí)對(duì)未掌握的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行查漏補(bǔ)缺，通過多次反復(fù)的練習(xí)和考核實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)，達(dá)到最大化提升學(xué)習(xí)效果的目的。系統(tǒng)平臺(tái)不僅可允許任課老師對(duì)學(xué)生進(jìn)行評(píng)價(jià)，同時(shí)學(xué)生也可對(duì)老師進(jìn)行點(diǎn)評(píng)，學(xué)生與學(xué)生之間也可相互點(diǎn)評(píng)，拉近師生之間，同學(xué)之間的關(guān)系，增加了課堂的趣味性。

3.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)

通過該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的教學(xué)，預(yù)期實(shí)現(xiàn)的教學(xué)目標(biāo)有幾個(gè)方面［15-16］：激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。通過虛擬平臺(tái)界面呈現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)室與不同沉積參數(shù)的PLD-5000 沉積系統(tǒng)互動(dòng)，學(xué)生能夠深入細(xì)致地了解薄膜材料的制備及其相關(guān)工藝。這種直觀、實(shí)時(shí)和互動(dòng)的特點(diǎn)不僅激發(fā)了學(xué)生了解和制備薄膜材料的興趣，也有助于學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)遷移；提升學(xué)生學(xué)習(xí)能力。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)解決了激光脈沖薄膜制備實(shí)驗(yàn)過程不可逆的問題，在虛擬實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生可以選取不同的靶材、不同的基材、不同的實(shí)驗(yàn)參數(shù)自由組合進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以此獲得不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。通過反復(fù)練習(xí)操作，結(jié)合理論知識(shí)反推實(shí)驗(yàn)過程的合理性，獲得最合理的工藝參數(shù)，選取最優(yōu)實(shí)驗(yàn)方案，提高學(xué)生解決實(shí)際問題的能力。學(xué)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?qū)崿F(xiàn)差異個(gè)性化教學(xué)，使學(xué)生養(yǎng)成自主學(xué)習(xí)思考和不斷自我糾錯(cuò)的習(xí)慣，又能培養(yǎng)其將理論知識(shí)運(yùn)用到實(shí)踐的能力，在實(shí)驗(yàn)過程中，使學(xué)生的學(xué)習(xí)能力不斷得到提升；提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率。本項(xiàng)目為學(xué)生提供了“不打烊”的網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室和24 h 在線的教學(xué)課堂，使學(xué)生可以不受時(shí)間和空間限制，學(xué)生沉浸其中，能夠隨時(shí)隨地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，大大縮短了實(shí)驗(yàn)周期。

4 結(jié) 語

對(duì)脈沖激光沉積過程模擬虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)的背景、現(xiàn)狀及建設(shè)的必要性、實(shí)用性、合理性、先進(jìn)性，闡述了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)開發(fā)思路、實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程和目標(biāo)等。該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的開設(shè)不但可以提高學(xué)生材料制備的相關(guān)技能、鞏固相關(guān)專業(yè)基礎(chǔ)課程的知識(shí)點(diǎn)，同時(shí)可以開拓學(xué)生在薄膜制備工藝方面的視野，并通過PLD實(shí)驗(yàn)基本原理的掌握可以進(jìn)一步延伸學(xué)生對(duì)于物理氣相沉積相關(guān)內(nèi)容的理解，為未來學(xué)生就業(yè)拓展空間和思路。本科創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)是本科生科研能力培養(yǎng)的重要支撐點(diǎn)，該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的開設(shè)可以為本科生借助PLD開展創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)提供前期的技能儲(chǔ)備，也可以作為研究生進(jìn)入PLD實(shí)驗(yàn)室前的重要培訓(xùn)環(huán)節(jié)，從而提高培訓(xùn)效率。