虚拟仿真技在电路板制作实验教学中的应用与实践

许才顼，贺杰（通讯作者），郭慧，黄河，吕美妮

（1.梧州学院电子与信息工程学院，广西梧州，543002；2.梧州学院大数据与软件工程学院，广西梧州，543002；3.梧州学院商学院，广西梧州，543002）

当前，应用型本科院校人才培养方案重理论轻实践的现象依然严重，多数学生存在动手能力差、难以满足企业发展的需求的问题[1]。将虚拟仿真技术与教育教学深度融合应用示范，是践行高等院校教学科技化有效途径，为普通高校转型提供有效助力，已成为当下实验教学热门研究话题[2]。教育部在医学、军事、航天、化工、采矿等领域遴选了近百个国家级虚拟仿真实验教学中心[3]。此举为高校的科技化、信息化、虚拟化建设提供政策依据和实践基础，为虚拟仿真技术应用提供便利[4]。

虚拟仿真教学主要构建逼真的虚拟实验仪器、实验环境、实验材料与实验流程等，让学生从虚拟实验环境中模拟实验，以获得直观视觉、感知、听觉、触觉等多方面的人机交互体验。将虚拟仿真技术应用在电路板制作实验，能够弥补传统实验中安全隐患大、耗材成本高、实操互动差、教学资源不足、考核管理难等问题，为学生能在虚拟环境中反复操作、探索学习提供帮助。

本文根据我校自身办学特色和教学条件，为缓解实验教学成本大、质量差、效率低、风险高等问题，提出虚拟化实验实践教学新模式，形成“虚实结合”的实验教学的新格局。实践表明，虚拟仿真软件一定程度上巩固了教学效果，消除了实验潜在风险，节约了耗材支出，达到提高教学效率的目的。

1 电路板制作实验教学面临的困境

■1.1 实验的高成本、耗材大难以控制

印制电路板实验是电子信息工程专业的基础实验之一[5]，实验过程需准备覆铜板、砂纸、三氯化铁、酒精、小刀、镊子、量筒、助焊剂、打印机、钻孔机、电烙铁、热转印机和焊锡等原材料。虽上述材料成本低廉，但实验课程几乎面向全院学生，使得教学实验耗材成本一直开支巨大，严重影响着学校教学实验管理与发展，因此，发挥虚拟仿真技术的虚拟化特点，尽量减少实验耗材和经济对开展本课程实验教学的相关负面影响，能让任意时间、地点、环境下的学生，仅需依托电脑和互联网等工具，便可相对真实的进行电路板制作的模拟实验，大大降低了实践教学所需的成本。

■1.2 安全隐患、环境污染难以消除

传统实验过程因相关工序和工艺的需求，往往涉及到多类设备和强腐蚀化学物质的相互作用，在转印、腐蚀、钻孔等环节存在不可忽视的潜在的危险[6]。例如：高浓度强酸性腐蚀液意外飞溅而伤害皮肤，化学废液的排放污染环境，高转速的钻孔机摩擦产生火星飞溅等问题时有发生。利用虚拟仿真技术设计钻孔机、转印机、试剂瓶、实验室场景等三维模型，以满足虚拟实验仿真平台的需求，让学生感受“身临其境”的虚拟仿真实验教学效果，这样不仅可避免实验过程中潜在的有关危险，也一定程度上增强安全意识，弥补传统实验存在的不足。

■1.3 “因材施教”的实验教学难以开展

理论教学和综合实操是实验教学的基础。PPT辅助教学方式是我校实验理论教学常用手段，由于教学缺乏实践性、互动性、重点性，学生对于实验要义的掌握往往十分困难。同时课程学时的限制，容易形成教学两极化的局面。利用虚拟仿真技术的教学软件可以内置提示、视频、教程、统计、考核等功能[7-8]，能信息化标定学生实验课程过程的掌握情况，能为学生评测、资源共享、学习的量化评估提供支持，能为教师优化教学内容、手段及方法，能为实验教学的“因材施教”提供针对性、灵活性、普适性依据。

2 虚拟仿真的电路板制板平台建设思路及内容

■2.1 电路板制作虚拟仿真平台的建设思路

我校的电路板制作虚拟仿真平台的建设采取“资源共享、教研并重、特点鲜明、服务地方”的设计理念，以“虚实结合、以虚补实”的设计原则，发挥群体协同的综合教学能力培养和行业实训的优势，充分践行应用型本科人才培养和发展的主体思想，采取领导牵头，教师与学生自主设计、研发、拓展与维护的建设方式，将虚拟仿真、数据库技术、人机交互、网络通信服务、三维建模等技术与实验教学、人才培养、教学拓展、科技创新、学科特点等深度融合，开发出具有跨平台部署、可拓展、可移植的虚拟仿真实验教学平台资源，解决实验教学中环节痛难点问题，强化普通应用型本科院校以实践、应用、工程技能等为主线的人才培养的模式。

■2.2 电路板制作虚拟仿真平台的建设内容

三维虚拟仿真教学软件是本虚拟仿真平台建设的核心内容。采取任务驱动模式丰富和指导教学，使用信息化、共享化的理念引导学习和实践，有效培养学生分析问题、完成问题、总结问题的能力，建设形成具有可操作性强、性能稳定的集教学管理、虚拟教学、课程考核等于一体的信息化、虚拟化、共享化综合实验教研平台。

首先，组织教师团队和学生深度整理、分析、探讨与总结制板实验中的相关流程，如：设计与打印PCB图、打磨覆铜板、转印覆铜板、配置腐蚀液、腐蚀覆铜板、修板去墨、打孔和涂助焊剂等，完成实验各环节所需的视频、动画、三维场景等模型的合理化重构，导入相关场景资源、模型数据，定义系统功能所需角色、场景和相关展示的界面风格的设计，充分考虑人机交互中的的场景和谐性与震撼感，让各类用户均能体验科技感十足的舒适交互体验。

其次，系统性分析虚拟仿真教学平台的前端交互功能的需求，定义和划分教师、学生和管理员角色的差异与交互流程，实现实验所涉及的过程环节设计其碰撞、高亮、吸附、拉伸、旋转等功能，完成学习部分涉及的线上、线下教学视频与教学动画的对接和交互展示，完善实验成果检查、综合数据分析，各类柱状图、饼状图、数据报表等方面的内容的显示。虚拟仿真软件流程图如图1所示。

图1 虚拟仿真教学软件交互流程图

最后，选取MySQL数据库创建数据表，建设实验所需的规范测评、管理、考核体系，设计构建服务器管理系统，完善前后台软件的网络传输与数据对接，并在学校网络与信息化中心完成服务器部署，安排学生进行系统化测试。实现虚拟仿真实验模拟和课程考核动态结合与合理的区分，最终形成一套合理、闭环式仿真教学软件平台方案。

3 电路板制作虚拟仿真平台的开发、实践与反思

虚拟仿真教学平台以三维虚拟仿真技术为基础，实际开发过程从“科研性”和“应用性”两个维度对实验内容进行设计、实现与优化。“科研性”，即通过组织师生结合学习内容与迫切需求，选取Unity 3D开发引擎[9]，设计完善的实验教学场景、特效与交互功能，开发出流程规范、结构合理、开放创新的综合性教学管理系统。展示学校科研工作的主体担当。“应用性”，即广大师生本身是平台应用的直接使用者，也是平台的直接研发者，针对传统电路板制版实验教学中的痛点问题，师生研发团队可根据虚拟仿真技术对虚拟实验的完整性、综合性、层次性进行宏观考虑，让整个虚拟仿真实验教学内容逐步丰富，整个实验测评训练体系逐步完善，整个虚拟仿真平台逐步智能高效，经过反复的“研讨-研发-改进”的循环迭代，可在能预见的未来，形成实验结构完整、场景功能合理、综合测评准确的信息化应用平台。

■3.1 虚拟仿真教学实验的开发

虚拟仿真实验教学平台旨在辅助制作电路板工艺的实践教学，必须确定科学线性的实验步骤及客观的实验结果。线性的实验步骤需对各步骤的多个工艺流程或操作进行严格规划。客观实验结果则需根据流程不同或操作差异，预先设计和定义可能出现的场景反馈和实验结果。形成完备的功能流程图并开发成脚本代码，借助Unity 3D引擎开发实验项目的前端实验操作平台软件，供学生在任意环境反复使用。该实验平台需要开发的核心内容主要有以下三点：

（1）虚拟仿真实验室中所涉及的各类物件的模型、材质、效果等原始虚拟仿真材料的设计与制作。研发人员采取简单建模与复合建模等方式，实现虚拟仿真实验室内的相关物品三维模型，设计过程严格控制模型面数的数量，以确保平台性能的流畅，采取统一的标准对模型的材质、灯光等进行渲染，最终形成模型简洁、规范、舒适的一套整体方案。如图2所示。

图2 实验室模型设计图

（2）设计平台嵌入相关教学资源的数据接口，实现教学过程中音、视频的集中展示与个性化实验指导。教师会将电路板制作规范流程与操作步骤录制成视频，集成于虚拟仿真教学软件中，作为虚拟实验教学的理论学习资料，也会将慕课、哔哩哔哩、优酷、百度文库等相关资源的链接进行关联，方便学生在软件中便捷的学习。

（3）电路板制作工艺实践所涉及的九个核心步骤的虚拟仿真交互方式、操作过程、数据呈现等功能的实现。学生开始在虚拟的环境中对于实验的九个环节依次进行操作，部分操作步骤如图3所示，操作结果严格依赖操作步骤，对于操作过程的所有危险、错误操作，平台会给出详细的警告并允许学生重复此次操作，从而系统性的提示、规避掉工程实践中的风险，操作过程、时间、结果会动态记录与计算并将相关结果分享给教师，由老师提供反馈和给出改进的方向。

图3 虚拟仿真实验操作相关步骤

■3.2 虚拟仿真教学实践效果及推广

虚拟仿真教学对于丰富“电路板制作”实验教学内容，提高学生的学习积极性和主动性起到了积极作用。虚拟仿真教学坚持贯彻自主学习思想，相比传统课堂更轻松愉悦，更具亲和力。其实践及推广概括如下。

在实践方面，部署虚拟仿真实软件验摆脱了时、空、物的局限性，采取虚实结合的混合教学模式，强化了学生对实验过程和步骤的感性认知，增强了学生学习积极性、趣味性和安全性，减轻了教师负担，教学效果也明显提升。学生不仅在学校虚拟仿真实验室的行为更加规范，氛围更加严谨与和谐，同时，课后也促使学生逐步形成了反复演练好习惯。

在应用推广方面，本教学软件能为我校科技学生社团中鼓励学生自主创新，服务学生科技创新和发展提供便利。同时，学院正着力整合资源，丰富相关虚拟实验内容，以期打造多功能、多任务、复合型的虚拟仿真平台，因此，在同类本科兄弟院校的相似课程具有极强的推广应用前景，并为学校建设成为地方教育和实践创新的中心提供了理论依据。

■3.3 虚拟仿真教学反思

本虚拟仿真教学平台并非只是基于虚拟仿真技术的简单功能复刻，而是“虚实结合，以实补虚”新教学模式的探索。虽受到广大师生的一致认可，但本团队依然发现存在如下问题：（1）虚拟仿真实验虽完善了实验内容，但对师生的综合素质需求很高。虚拟教学的准备、运维和推进过程复杂。（2）虚拟实验通过软件模拟实现，能有效的规避掉实验潜在危险，同时，虚拟实验的推进必然会使得学生丧失风险判断的敏感性。（3）课程的实施对硬件和网络环境的要求较高，对于无法满足自主实验的学生需要教师、学生和教学管理部门努力协调共同解决。（4）虚拟仿真实验充分的发挥了学生的主观能动性和自主学习能力，但指导教师如何安排好虚拟教学课程内容，把握教学重难点也是需要深入探讨的话题。

4 结语

本虚仿真教学平台以信息化、网络化、共享化作为建设指标，围绕服务地方经济和发展高层次应用型人才的战略需求，创建了“易部署、易推广、易实施、易应用”的虚拟仿真教学新体系。虽虚拟仿真实验应用于我校基础实验依然存在很多问题，但针对实验的高风险、高成本、不可逆等特性，全自主研发虚拟仿真教学平台，让学生参与平台的开发、维护与使用，激发了学生的科研创造能力，提高了学习兴趣，保证了人生安全，节约了学校的成本和空间，弥补了传统实验课程教学的空白，丰富了实验教学内容，完备了应有的实验技能训练体系。目前我校电路板制作虚拟仿真平台处于试运营阶段，调查结果显示，几乎得到全体师生的一致好评。上述举措对于培养应用型电子类本科人才、缓解实验教学压力、完善教学环境等方面起到了一定的促进作用，如何进一步发挥学科的特色，推动实验教学改革，创新性服务地方经济发展，完善虚拟仿真教学资源，努力做到推陈出新，仍然是长期值得探索践行的课题。