面向个性化智能化的SeeLight光学虚拟仿真教学研究

［摘 要］ 虚拟仿真技术在教学领域应用不断深化，高等学校基础教学对虚拟仿真软件的需求主要有三个方面：一是专业性强；二是具有教学辅助功能；三是模块可以量身定制，满足特定人才培养需求。以SeeLight光学虚拟仿真平台教学版的研发和应用为例，阐述该综合性教学辅助平台的研发背景及意义，结合其在“应用光学”课程中的教学应用，研究如何将虚拟仿真技术与教学辅助功能深度融合，创新专业课程教学方法，提升教学的个性化、智能化和精准度，明晰教学实施要点，最后进行教学反思。

［关键词］ 虚拟仿真教学；教学智能化；SeeLight教学版；应用光学

［基金项目］ 2020年度教育部光电教指分委“一流课程与一流专业建设”教育教学研究项目（2020SYL26）

［作者简介］ 宁 禹（1979—），女，山东章丘人，博士，国防科技大学前沿交叉学科学院高能激光技术研究所副研究员，主要从事激光光束控制研究；程湘爱（1966—），女，安徽桐城人，博士，国防科技大学前沿交叉学科学院高能激光技术研究所教授，主要从事光学工程研究；吕 品（1982—），男，河南南阳人，博士，中国科学院自动化研究所研究员，主要从事信息系统建模与仿真、智能信息处理研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2023）13-0000-04 ［收稿日期］ 2022-07-21

随着虚拟仿真技术在教学领域的应用深化，各种门类的虚拟仿真教学软件层出不穷，但是真正能够满足高等学校基础教学需求的却很难找到，究其原因主要有三个方面［2-3］：一是专业性不够强。传统的以Flash和三维动画为主导，侧重于情景展示的实训类虚拟仿真软件，因其缺乏理论模型与计算支撑，仅限于既有案例演示操作而不能灵活扩展，不能满足专业性较强的课程教学需求。部分专业性较强的光学类虚拟仿真软件（如ZEMAX、VirtualLab等）主要面向企业用户或科研院所开发，侧重产品设计和参数优化，基本原理和物理模型涉及较少，不适于辅助教学。二是教学辅助功能不够强。信息化教学的基本特征是开放、共享、交互与协作，许多通用教学辅助软件（如雨课堂等）基本实现了交互共享功能，而目前虚拟仿真软件大多采用单机版运行，没有网络版，仿真结果难以在线交互共享。仿真过程也缺乏跟踪和记录，教师难以根据学生的仿真学习行为发现其知识短板并给予个性化的学习建议。三是人才培养需求不同。如北京理工大学工程光学虚拟仿真教学系统是根据自身人才培养需求研发的，侧重多学科交叉融合，其多元化的学生培养思路并不一定适用于其它高校的光学专业课程授课。

在虚拟仿真教学软件功能不断面临新需求的同时，开展虚拟仿真教学对教师自身的教学水平也有着较高要求［4-5］。如何既保留传统教学方法的精髓、又适应教学信息化的发展趋势；如何立足于本学科的学科特点、系统地研究教学实践中存在的问题，并合理地运用虚拟仿真技术解决问题；在提升学生的学习效果和教学质量方面，有哪些虚拟仿真教学技术值得关注和深入研究。

基于作者所在教学团队长时间的本科教学实践积累以及对上述问题的思考，本文从“应用光学”课程教学实际需求出发，阐释自主研发SeeLight光学虚拟仿真平台的初衷与意义，并以该平台在“应用光学”教学中的应用为例，开展虚拟仿真教学技术研究与教学效果分析，最后进行教学反思。

一、“应用光学”教学遇到的困难

“应用光学”（也称“工程光学”，或作为“工程光学”的一部分）课程是高等院校光学工程专业本科核心课程，内容主要涉及几何光学基本理论、经典光学系统和现代光学系统的原理、结构设计以及应用。这门课程的特点是理论难度不大，但知识点较多、应用性强，学生普遍反映听课时可以听懂大部分知识点，但是遇到实际工程问题不知如何下手。

前期教学实践中，我们采用理论讲授与课程实验相结合的方式提升学生理论联系实际的能力，但是实验教学面临三个方面的问题：一是与理论教学不能紧密衔接。光学实验对调整精度、环境洁净度都有要求，需要到专用的光学实验室才能开展。这就导致学生在课堂上学到知识后不能够随学随练、趁热打铁，待到开展实验时相关知识已经生冷，使理论授课效果大打折扣。二是限制较多。光学元件易损坏、价格贵，学生开展实验的器件损坏风险高。而且有大部分光学实验由于仪器设备的限制不能在实验平台上开展，学生也无法按照自己的想法搭建光学系统，好奇心难以得到满足，创造性思维不能得到验证。三是个性化教学困难。教师难以跟踪和记录每一名学生做实验的具体过程，如果实验现象和结论有误，不知道问题出在哪里。难以兼顾不同层次的学生，对他们分别进行指导。

二、自主研发SeeLight光学虚拟仿真实验平台

为了解决应用光学教学中遇到的实际困难，我们将虚拟仿真技术引入教学过程，充分发挥虚拟仿真教学的技术优势，构建虚实结合、以虚补实的课程综合实践平融合，并尝试将虚拟仿真功能与教学辅助功能深度融合，助力“应用光学”课程教学。2011年，国防科技大学高能激光技术研究所联合中国科学院软件研究所开始研发Seelight光学虚拟仿真平台（以下简称SeeLight）。2017年，SeeLight教学版正式上线运行（网址：www.seelight.net），目前已经在国防科技大学、复旦大学、武汉大学等200多所高校开展了教学实践，累计受益学生人数超过1万人。相比其他虚拟仿真教学软件，SeeLight教学版具有以下鲜明特点。

（一）以专业化理论建模计算作支撑，兼顾基础教学与创新实践需求

SeeLight教学版已建成4大类40多个功能模块。模块中的每一个基础元件均采取物理建模、仿真建模、软件实现和结果校验四个步骤依次进行和不断迭代的研发思路，确保仿真模型的专业性、仿真过程的合理性和结果的准确率。

平台功能兼顾基础教学与创新实践需求，既可以验证基本光学原理、仿真经典光学系统，又可以对新思路、新想法、新实验快速仿真可视化。对于课程的重点知识（例如高斯公式），利用仿真平台将抽象的理论公式和光学系统结构快速地转化为虚拟光学系统，通过可视化的仿真结果加深学生对光学原理的理解。对于学有余力的同学进行适当的知识拓展，例如鼓励他们自主创建模型、探索大气像差对成像质量的影响这一复杂问题，并结合仿真结果阐释物理本质，启发他们进行更深入的思考。

（二）实验空间个性化，仿真结果交互共享

SeeLight教学版采用基于浏览器/服务器的云计算体系架构，无需软件安装，教师和学生均可以通过网络浏览器便捷使用虚拟仿真实验平台提供的各项功能。并支持根据个人实际需要选择合适的基础元件模型和教学案例，以账户的形式构建个性化的学习和虚拟实验空间。每个用户可以在个人空间构建专属实验案例，仿真结果还可以同其他用户进行共享使用。

（三）精确跟踪学习行为、量化评价学习效果

SeeLight教学版通过采集学生在平台上学习和实验过程中的浏览操作、鼠标键盘输入、实验系统搭建过程、仿真计算结果等各类数据，通过大数据分析的方法对每个学生的学习行为进行准确跟踪，定量化分析每个学生对教师讲授的各个知识点、原理方法和实验操作的掌握程度，并以图表和报告形式智能化推送给相关教师，辅助教师对每个学生进行针对性教学，从而实现教学效果的迭代优化。

（四）与教学过程深度融合，助力信息化教学

为了让虚拟仿真软件更好地融入信息化教学过程，SeeLight教学版在专业仿真功能的基础上增加了与教学过程深度融合的教学辅助功能，使该平台成为专业性强、为教学量身定制的线上综合实践平台。该平台可以实现常规的教学辅助功能，如课程资源共享、在线知识点评测、互动问答、答案统计分析等。此外，还能够开展专业化的仿真训练，在线布置仿真任务、跟进评测仿真结果。

三、基于SeeLight的虚拟仿真教学研究与效果分析

基于“应用光学”课程多年的教学经验积累，以及SeeLight教学版的软件研发基础，从2017年开始，国防科技大学“应用光学”教学团队开展了基于SeeLight教学版的课程改革实践，重点研究了虚拟仿真教学技术的教学实施要点，及其在学生创新能力培养和教学质量提高方面的作用。

（一）基于SeeLight教学版的混合式教学实践。

混合式教学实践包含自主学习、课堂导学和跟进提升三个关键环节。在自主学习环节，学生根据教师布置的任务目标，利用平台资源开展自主学习并完成在线知识评测；课堂上，教师根据平台反馈的学习情况，有针对性地讲授重点难点知识，并通过案例研讨、仿真训练等方式加深学生对知识的理解；课后，基于在线平台，学生完成仿真任务，教师提出改进建议并跟进辅导，最大程度扫除学生的知识死角。这一过程环环相扣、循序渐进，促使学生真正将知识内化吸收。

通过试点班级与前三年课程考试平均成绩对比，“应用光学”课程考试的优秀率和平均分都实现了一定程度的提升。

（二）依托SeeLight教学版的创新实践能力培养

基于SeeLight教学版为学生创新能力的培养提供实践条件，指导学生参加创新设计活动，平台的专业性、便捷性和自主性成为吸引学生勇于实践的关键因素。

在第六届全国大学生光电设计竞赛中，学生应用课程中学到的光场相机知识，基于SeeLight仿真平台快速优化系统设计方案，在有限时间内成功解决了透过毛玻璃成像问题，在全国108所高校392支参赛队伍中胜出，获得一等奖。

（三）虚拟仿真教学技术的校际交流与教学水平提升

SeeLight教学版上线运行以来，通过复旦大学、武汉大学等200多所高校开展了教学实践应用，累计受益学生人数超过1万人。更多年轻教师加入了虚拟仿真教学技术的研究行列，通过结合本校的实际情况及学生特点，交流先进的教学方法、分享教学经验甚至失败教训，加深了教师对虚拟仿真教学特性的认知，推动了SeeLight教学版功能的进一步优化，提升了“应用光学”课程的教学质量。

四、虚拟仿真教学反思

虚拟仿真教学作为一种新型教学方式已经在部分高校获得实践和应用，对学生创新能力培养和教师教学水平提升发挥着越来越重要的作用。但是并不是所有的教学过程都适合采用虚拟仿真教学方式，必须结合自身的教学实际情况进行理性分析，对虚拟仿真教学的优势和局限也要有客观认识，否则盲目投入大量时间精力只会适得其反。

结语

在大力倡导教育信息化的时代背景下，虚拟仿真技术在教学中的应用为教师提供了充满创造性的实践空间和具有挑战性的发展机遇。深入研究虚拟仿真教学技术，未来的卓越教师必将是掌握现代信息技术、能够把技术手段与教学内容深度融合、能够合理设计教学过程的多面手。依托虚拟仿真技术构建信息化学习环境，探索实施个性化、智能化、精准教学，提升教学效果，才能培养学生在智能时代的核心竞争力。

参考文献

［1］吕伟，张祥云，叶逢福，等.“智慧校园”浪潮下的高教变革展望［J］.高教探索，2014（4）：27-30.

［2］李雄，孙路遥.虚拟仿真教学的内涵、设计及应用［J］.中国教育信息化， 2019（6）：21-25.

［3］张迎丰，孙云梅.信息化教育对传统学习环境的解构与重建［J］.高教探索，2013（5）：98-101.

［4］吕亮雪.虚拟仿真实验教学信息化平台的建设路径研究［J］.智库时代， 2018（38）：175-176.

［5］刘亚丰，余龙江，卢群伟，等.教育信息化背景下虚拟仿真教学资源建设［J］.实验科学与技术，2018（2）：195-198.