材料类专业虚拟仿真实验项目建设与应用

摘  要：虚拟仿真实验项目建设，不仅是材料科学与工程专业自身发展的内在需求，也是工程认证以学生为中心及持续改进的现实需求，更是材料类专业综合性实验教学的迫切需要。在此背景下，该文分析材料类专业建设虚拟仿真实验项目的必要性，以磁控溅射镀膜虚拟仿真实验项目建设为例分析材料类专业虚拟仿真实验项目的建设基本思路和建设，介绍磁控溅射虚拟仿真实验项目的应用效果以及对教学改革的促进作用，为材料类专业其他虚拟仿真实验项目的建设提供借鉴。

关键词：材料科学；磁控溅射镀膜；虚拟仿真；实验教学；教学改革

中图分类号：G642        文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2023）27-0022-04

Abstract： The construction of virtual simulation experiment teaching project is not only the internal demand of the development of material science and engineering specialty， but also the practical demand of the student-centered and continuous improvement of engineering education， and it is also the urgent need of the comprehensive experimental teaching of material specialty. This paper analyzes the necessity of material specialty construction and the teaching project of virtual simulation experiment. Taking the construction of virtual simulation experiment project of magnetron sputtering as an example， this study analyzed the basic ideas and construction of virtual simulation experiment project of material major， and introduced the application effect of virtual simulation experiment project of magnetron sputtering and its promoting effect on teaching reform. This study can provide reference for the construction of other virtual simulation experiment projects of material major.

Keywords： material science; magnetron sputtering coating; virtual simulation experiment; experiment teaching; teaching reform

为贯彻落实习近平总书记全国高校思想政治工作会议精神，根据《教育信息化十年发展规划（2011—2020年）》等相关要求[1]，深入推进信息技术与高等教育实验教学的深度融合，不断加强高等教育实验教学优质资源建设与应用，着力提高高等教育实验教学质量和实践育人水平，国家教育部从2017年开始了示范性虚拟仿真实验教学项目的建设工作，并于2018年认定了105个首批国家虚拟仿真实验教学项目，2020—2021年是材料类虚拟仿真实验项目的申报年[2]。因此材料类虚拟仿真实验项目的建设十分紧迫，特别是近年来，高校材料类实验室安全事故频发，建设材料类虚拟仿真实验项目显得更为迫切[2-5]。

中国知网以“虚拟仿真”+“实验教学”进行了精准检索，发现国内自2005年以来有少数研究者开始进行虚拟仿真实验教学领域的研究与探索，并发表少数相关论文，2005—2013年发表论文数为160篇，虚拟仿真实验一直处于起步探索阶段。自2013年教育部印发《关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知》后，国内虚拟仿真实验项目教学在全国展开，2014—2016年，有关虚拟仿真的论文数分别达到127、230和371篇，2017年达到小高峰428篇，2018年回落为303篇，2019年增加到876篇。再进一步分析，被高被引的前10篇论文基本是在2013—2015年，说明虚拟仿真实验教学领域的研究与探索得到了广泛的关注和认可。在国际上，2012—2016年，我国作者在国内外发表的有关虚拟现实教育应用、虚拟实验室网络化管理的高水平论文，SCI/EI检索的数量均领先于世界其他国家。因此，虚拟仿真实验项目建设及教学改革研究是当前教育教学改革的热点[6-8]。

虚拟仿真实验项目建设，不仅是桂林电子科技大学（以下简称“我校”）材料科学与工程专业自身发展的内在需求，也是工程认证以学生为中心及持续改进的现实需求，更是材料类专业综合性实验教学的迫切需要。材料科学与工程学院科研特色突出，大型仪器设备平台先进，如何充分利用现有优势，推进虚拟仿真实验项目建设，实现材料类专业从无到有的虚拟仿真实验项目，对带动材料类专业的实验教学改革具有十分积极的意义，同时对推动材料类专业在工程认证背景下的创新型人才培养具有重要作用和意义。

桂林电子科技大学以建设成为电子信息特色鲜明的国内高水平大学为目标，围绕电子信息特色建设和发展材料类专业也是材料科学与工程学院（以下简称“我院”）的发展目标。薄膜技术与薄膜材料课程是我院材料科学与工程专业电子信息类课程的典型代表课程，其中涉及的磁控溅射镀膜技术是现代微电子、半导体等信息产业发展的重要技术。磁控溅射镀膜设备昂贵，实验操作流程长，且镀膜过程涉及强酸强碱的使用，存在一定的安全隐患，因此我院首先开展了磁控溅射镀膜虚拟仿真实验项目建设。

一  项目建设的基本思路

参照国家级虚拟仿真示范项目的规范，包括虚拟仿真实验项目的系统架构、实验目的、实验原理、实验装置、实验参数、实验教学方法、实验步骤与步骤要求、实验结果与结论要求、考核要求及面向学生要求等要素，结合我校材料学院材料类专业的特色，突出科教协同，按照虚实结合、能实不虚的原则，从实验内容、教学方法和能力培养三个维度上打造具有电子信息特色的材料类专业虚拟仿真实验示范项目，并按照工程认证的理念，开展项目实践与持续改进，在教学与改革内容上力求突出。

（一）  科研成果与虚拟仿真实验项目教学内容的紧密结合

坚持问题导向和需求导向，坚持一切从学生的需求出发，再注重知识传授、能力培养、素质提高的协同实施，通过问卷调研、往届学生访谈收集拟建设实验项目的意见和建议，总结归纳学生关切，并结合国内其他相关高校的调研走访，研究材料类专业虚拟仿真实验项目建设总体方案及细节。在材料类虚拟仿真实验项目上，通过建设基础虚拟仿真实验项目、专业虚拟仿真实验项目以及与科研结合的创新虚拟仿真实验项目形成材料类专业的虚拟仿真项目集群，进一步打造材料类专业虚拟仿真项目平台。项目建设充分适应学生学习需要，积极调动学生参与实验教学的积极性和主动性，激发学生的学习兴趣和潜能。因此，建设定位于综合性专业实验和与科研结合的创新性实验项目，项目建设特别突出科研成果、产业技术与项目的紧密结合，并着力将基于广西特色资源优势的氧化铟锡（ITO）薄膜材料制备的相关科研成果直接应用于虚拟仿真实验项目。引入具体的工艺参数及科学研究最新成果，并准确区分把握项目内容的难度、深度、广度，以及工业化技术应用新动态等，同时强化对学生实践能力的考核与评价。

（二）  基于“虚实结合”的创新教学方式

基于虚拟仿真实验项目与课堂理论教学之间的作用关系，改变传统理论教学与实际实验教学之间在时间和空间中的脱节与不足，有利于促进课程理论教学的改革[9-10]。通过虚拟仿真实验项目的建设，将课堂“实”的基础理论知识与“虚”的仿真实验项目相结合，通过“虚实结合”可有效促进教学模式、教学内容的改革与创新。如通过科研成果引入材料类专业虚拟仿真实验教学内容，可以在理论授课前、中、后结合虚拟仿真实验项目内容进行课堂教学改革，也可以虚实结合利用虚拟仿真实验项目开展全方位、不受空间和时间约束的教学模式改革。同时，在实验教学上，也将基于虚拟仿真实验教学以适应于不同学生个体差异、能力需求及创新培养需求的教学方式进行探索。

（三）  “以学生为中心”解决复杂工程问题能力的培养

以学生为中心是工程认证培养学生的核心理念和具体要求，而虚拟实验项目建设及改革的目的在于培养学生的能力，特别是培养学生解决复杂工程问题的能力。因此，利用虚拟仿真实验如何培养本科生解决复杂工程以及创新能力的培养是项目需要解决的关键问题。学生能力的培养依托于科学、合理、启发式的虚拟仿真实验教学内容。因此本项目在准确适宜、科教协同的虚拟仿真实验教学内容基础上，研究实验内容和实验环节设计对培养学生解决复杂工程问题能力的作用和效果，并建立科学合理的学生能力和培养结果评价机制，坚持持续改进，以达到培养学生解决复杂工程问题的能力、激发学生创新创造能力的目的。

二  项目建设与实施效果

磁控溅射镀膜虚拟仿真实验项目的开放运行依托于开放式虚拟仿真实验教学管理平台的支撑，二者通过数据接口无缝对接，保证用户能够随时随地地通过浏览器访问该项目，并通过平台提供的面向用户的智能指导、自动批改服务功能，尽可能帮助用户实现自主的实验，加强实验项目的开放服务能力，提升开放服务效果。本实验的系统总体架构图和实验项目总体内容如图1所示，系统总体架构包括数据层、支撑层、通用服务层、仿真层以及应用层五大方面，实验内容包括基片清洗、靶材及基片安装、抽真空过程、溅射过程、关机及破真空以及性能测试与分析六大过程，在操作过程强化各重要知识点、考核点及易错点，以形成系统的知识体系，有利于学生的学习和理解。

实验项目基于教学团队十余年在氧化铟锡（ITO）靶材及薄膜材料科研成果的基础上，以具有自主知识产权的专利技术（朱归胜，徐华蕊，一种400主峰晶面高度择优取向ITO薄膜的制备方法，中国发明专利，ZL201611166365.7）引入实验，实现了科教融合。实验项目突出基础理论知识与实际操作能力训练并重，建成后的磁控溅射虚拟仿真实验项目操作界面如图2所示，具有学习模式和考核模式功能。学习模式有知识卡片可进行知识强化学习，在学习模式下，可以进行相关的原理知识学习、实验操作练习。考核模式可以进行知识的考核回答，提交后会显示正确的实验答案，实验完成后可查看得分情况。同时系统还将全过程记录学生操作过程，从而便于细化考核评分细则，更科学地对学生的学习效果进行评价。

磁控溅射虚拟仿真实验项目的建成，突破了传统的动画及多媒体教学等虚拟教学范畴，将虚拟仿真实验与课程教学、实践教学和创新创业训练进行深度融合。以知识学习、能力培养为核心，充分发挥了我院科教协同育人和创新创业育人的优势，实现创新创业的创新意识培养、探究知识能力培养和创新能力训练的目的。项目建成后现已服务我院200余本科生上线操作，通过对学生的访谈、问卷调查和学生评教等方式全面分析了学生的学习效果，学生由第一次使用时充满新鲜感和好奇心，逐步发展到激发学生的兴趣，爱上实验，爱上课程，再到学生能力的全面提高均取得了显著的成效，特别是对学生解决复杂工程问题能力的提高十分显著。如图3所示，“我可以辩识薄膜技术与材料中的复杂工程问题，并提出自己的解决方案，并从多角度对解决方案的可行性、适用性进行评价”问题的问卷调查结果，由项目实施前“符合和完全符合”选项的69.56%提高到项目实施后的95.65%。针对课程目标能识别和判断工程实践中的复杂薄膜材料问题，综合考虑制备方法、性能、成本之间的相互关系，运用薄膜技术与材料中学到的各种制备方法，探索影响薄膜材料的关键因素，并根据这些因素对薄膜的制备工艺进行调控，能合理设计出薄膜制备的优化工艺参数，并体现创新意识的课程达成度由0.702提高到0.896，有效提高了课程对毕业要求的支撑强度。