虚拟仿真技术在电路板制作实验教学中的应用与实践

雷艳秋　梁朝益

虚拟仿真技术在电路板制作实验教学中的应用与实践

雷艳秋梁朝益

（河池市职业教育中心学校，广西 河池 547000）

虚拟仿真技术是目前较为热门的技术之一，技术已经相对成熟，广泛应用于各行各业，在教育领域也不例外。当前，在一些工科、电子类专业的课程教学中，虚拟仿真技术发挥出了较大的作用。文章以虚拟仿真技术为研究视角，探讨其在电路板制作实验教学中的应用，并进行教学实践研究，具有较强的现实意义。

虚拟仿真技术；电路板制作；实验教学

引言

电路板制作是电子类专业的重要实验教学内容，也是电子信息工程专业培养优秀电子工艺制作人才重要实践教学环节。在该专业课程教学过程中，教学内容涉及较为深入，而且也受到各方面的影响，导致存在着较多的问题，比如安全隐患大、耗材成本高、管理难度大等，针对这些问题，使用传统教学模式很难解决，而虚拟仿真技术的出现为解决这些问题提供更了新的路径。

当前，我国大多数中职学校仍旧存在着重理论轻实践的问题，多数学生的实践能力不凸显，难以满足企业的实际发展需求。因此，寻求一种新的教学方法，来解决传统电子信息工程类专业实验课程教学的难题，已经成为了当前各位学者研究的热点问题之一[1]。虚拟仿真技术具有突出的优势，比如模拟实验耗材、模拟实验流程等，均可以为学生呈现出最为真实的实验环境和实验条件。因此，本文基于以上考虑，在充分挖掘虚拟仿真技术的优势基础上，探讨该技术与电路板制作实验教学的结合路径，对于改善当前电子类专业教学现状来说，具有较大的积极意义。

1 虚拟仿真技术在电子类专业实验教学的作用

虚拟仿真技术在中职学校电子类专业实验教学中的作用，主要体现在以下两个方面：一是可以促进学生实践技能的提升。在虚拟仿真技术没有出现之前，学生只能在教师的带领下，前往一线生产实践基地进行观摩学习，或者在一线工人的指导下进行简单的实践操作，但是这些行为均具有一定的危险性，学生在实践期间出现安全问题者不在少数。那么，寻找一种相对安全的实验学习方式，至为关键[2]。虚拟仿真技术就正好能够解决这个问题，电子类专业课程教师可以利用该项技术模拟完整的电路板实验流程，这对于部分学生来说，是一种极为有效地提升实践经验的方式，学生可以在很短的时间内，了解到电路板制作的具体情况，此外，这种技术还可以实现边学习边实践的方式，让学生充分地将理论知识转化成实践技能，这是传统实训教学所不能达到的效果[3]。总之，中职学校实验教学的目的就是为了提升学生的实践技能，培养学生分析问题和解决问题的能力，虚拟仿真技术可以在保证学生安全的情况下，发挥出实践教学的最大效能，是当前学生适应未来生产方式的重要教学工具。二是可为学生未来就业奠定坚实的基础，当前社会对于人才的能力要求越来越高，特别是电子信息工程行业，作为我国的支柱产业之一，要求相关人才具有较强的创新能力和实践能力。虚拟仿真技术可以帮助学生在虚拟场景中，进行大量的实践练习，并通过大数据技术，将每个学生在未来工作过程中会遇到的电路板制作实际问题呈现给学生进行解决，从而帮助学生积累了大量的生产经验。

此外，虚拟仿真技术不受客观现实的影响，学生在操作失误之后，并不会带来实际的社会经济损失，因此学生可以按照自身的想法来进行问题解决，并从多个角度来提出一些创新性的想法，从而在一定程度上培养了学生的创新能力。同时，虚拟仿真技术可以将电路板制作过程进行细节化和具体化，让学生能够近距离观察其制作的全过程，从而对于制作原理有更深的认识，有利于避免因为操作设备失误而导致的安全问题。

2 虚拟仿真技术在电路板制作实验教学中存在的问题

当前，电路板制作实验教学因为虚拟仿真技术的应用，在教学效率以及理论与实践转化方面，获得了一定的成效。但是，由于虚拟仿真技术出现时间较晚，相关的理论研究不深入，特别是在教学应用方面，还缺乏系统性，因此，在具体的应用过程中，还存在着较多的问题。

2.1　实验硬件设施设备搭建难

虚拟仿真技术是一项全新的科学技术，其沉浸性、交互性、逼真性等特性让其一经出现便得到了广泛的应用，但是虚拟仿真技术需要有较为先进的硬件设施设备支撑，才能完全发挥出其内在功效，否则模拟效果将会大打折扣。具体在中职学校电路板制作实验教学来说，同样受到硬件设备的限制。

一是硬件设备的构建十分艰难，需要有高新技术以及大量资金的支撑，当前部分中职学校对这种技术还停留在概念阶段，认为其距离投入使用还有较长的一段时间，因此对其也不大关注，更不会划拨大量资金来进行专业设备建设，这导致了虚拟仿真技术在电路板制作教学中的滞后性。二是虚拟仿真技术本身的发展还有很多不完善的地方，该技术的成熟对于相关硬件零件以及精密仪器的依赖性较大，目前我国对于虚拟仿真技术的研发已经到了瓶颈阶段，如果想要发挥出更多的模拟效果，还需要基础理论的突破[4]。虚拟仿真技术在中职学校电路板制作教学中的应用受限于技术本身的限制，无法达到理想的教学效果，比如因为VR眼镜分辨率的问题，很多设备的内部结构细节观察不清楚，而要想提升VR眼镜的分辨率，就必须提升硬件投资成本，而且目前的技术发展也无法达到实验教学的真实要求，因此，虚拟仿真技术的实际应用效果差强人意。

2.2　实训教师专业素养不高

部分实训教师专业素养不高，主要体现在两个方面。一是双师型教师比例不足，目前部分中职学校教师，在理论与实践两方面衔接的不够紧密，学校专职教师普遍呈现出缺乏一线工作经验的趋势，而中职学校自身虽然紧锣密鼓地构建双师型教师队伍，将一些缺乏实践经验的教师送往合作基地进行挂职锻炼，但是锻炼效果欠佳，没有进行严格的监督考核机制，导致挂职锻炼逐渐趋于形式化。此外，大部分的中职学校电子类专业为了弥补这种缺陷，邀请了大量的一线企业优秀员工兼职授课，但是这部分兼职教师群体严重缺乏基础理论知识熏陶，实践指导能力虽然较强，所授理论课程脱离学生实际，教学内容不成体系，也很难发挥出其应有的教学效果。二是实训教师信息素养不足，难以有效利用虚拟仿真技术来辅助教学[5]。中职学校电路板制作实验教学普遍存在着一个矛盾，即新教师接受事物较快，能够很快将虚拟仿真技术进行有效利用，但是受限于教学经验以及知识理解深度的影响，在启发学生思考方面的能力偏弱，而老教师虽然教学经验丰富，但是对于虚拟仿真技术一窍不通，学习能力也逐渐偏弱，重新学习一门技术需要花费大量的时间成本，很多老教师并不愿意，宁愿急需采用传统教学方式。因此，这种矛盾让虚拟仿真技术的应用受到了较大的阻碍，只有互相取长补短，才能有效地解决这个问题。

2.3　虚拟仿真技术应用效果较差

当前，很多中职学校都意识到了虚拟仿真技术在电路板制作实验教学中的巨大作用，不惜花费巨资来构建相关硬件设施设备，但是受限于师资队伍结构不良的影响，虚拟仿真技术的应用效果较差，这主要体现在以下两个方面。一是教学模式的滞后性，很多中职学校电子类专业课程教师很久没有对自身的知识体系进行更新，而电子信息工程专业同先进的生产技术研发息息相关，目前的科学技术日新月异，中职学校教师如果不及时了解前沿热点技术，在实际的实验教学过程中，仍旧用老一套的思想和内容来帮助学生熟悉制作流程，学生的知识滞后性将会更加明显[6]。学生即使利用虚拟仿真技术理解了10年前的生产工艺以及设备工作原理，对其毕业之后的生产实践活动也没有任何帮助。二是虚拟仿真技术的应用深度还有所欠缺，很多中职学校教师只是将该技术应用在知识理解程度上，利用虚拟仿真技术让学生按照既定程序来进行机械操作，对于工作原理和机械结构等方面没有涉及，这就导致大部分学生出现“知其然而不知其所以然”的现象，在实习或者生产实践的过程中，生产设备出现一些问题就不知所措，严重缺乏临场应变以及解决突发问题的能力。

3　基于虚拟仿真技术的电路板制作平台建设

3.1　建设思路

笔者通过以上问题的思考，利用现有虚拟技术的相关设备，结合学校自身的一些教学条件，对电路板制作虚拟仿真平台进行了一定的思考。需要明确的一点就是建设原则，将该平台的建设原则定为“资源共享、教研并重、特点鲜明、服务地方”，构建领导组织小组，将中职学校培养应用型人才的培养理念充分的践行出来。此外，本平台将虚拟仿真、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紧密结合，并与学科教学特点进行深度融合，开发出了具有跨平台部署、可拓展、可移植的虚拟仿真实验教学平台资源，充分发挥出了本土特色[7]。

3.2　建设内容

虚拟仿真实验教学平台最重要的内容是教学软件，笔者结合多位专业计算机编程教师，构建了一个综合实验教研平台，采取任务驱动教学模式来增加学习的趣味性，具体内容如下。

一是对电路板的制作流程进行深度整理，参与人员就是相关教师团队和部分学生，比如设计与打印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，将这些教学内容转换成视频、图片等教学材料，导入虚拟仿真实验教学平台，在充分考虑人机交互效果的情况下，来完成相关实验学习任务。

二是要详细分析虚拟仿真教学平台前段交互功能的需求，定义和划分教师和学生管理员角色的差异与角色交流，设计碰撞、拉伸、旋转等功能，完成实验教学与综合数据分析等功能，并检查各类柱状图、饼状图等内容显示功能。

三是选取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[8]。

3.3　电路板制作虚拟仿真技术的教学实践

笔者以自己所教的班级为教学对象，将上述制作而成的虚拟仿真教学平台应用其中，进行了应用效果的探索。

电路板制作工艺实践涉及了9个部分，这9个部分均可以在虚拟仿真教学平台上进行操作完成。学生通过预设好的实验环节，对照着实验步骤依次进行，在虚拟的环境中，也不会存在较大的实验危险，因此在一定程度上降低了安全风险。此外，对于操作错误的学生，系统也会及时预警，提醒学生操作错误，并告知学生再次进行操作，直到掌握正确的操作方式之后再进行下一步骤的操作，从而最大程度地避免了实际操作过程中的工程风险[9]。此外，虚拟仿真教学平台系统还能自动操作过程，将操作时间和结果完整保存下来，并将相关实验结果打包发送给教师，由教师给予实验评价和反馈，进一步促进学生实验的正确度。

通过本节课的探索，虚拟仿真教学对于“电路板制作”的实验教学，可以极大地提升学生的学习积极性，而且充分发挥了学生自主学习能力，让课堂变得更加轻松和愉悦。此外，采用了虚实结合的教学模式，让学生对于实验步骤有了更加深入的认识，而且对于一些易错的实验环节更加印象深刻，不仅在一定程度上减轻了教师的教学压力，也极大地提升了教学效果。

4　虚拟仿真教学的相关思考

当然，在具体的教学过程中，仍旧存在着一些问题，笔者结合自身经验，对如何应用虚拟仿真技术来辅助实验教学提出以下几点建议。

首先，依托“交互性”，增强学生基础知识理解度。电子类专业实验教学需要有较多的基础理论知识来支撑，而这些知识均具有较大的枯燥性，如果由实验教师来进行逐一讲解，一是讲解不透彻，难以覆盖全部知识点，二是学生理解起来也异常困难，学习兴趣不高。因此，基于这种情况考虑，中职学校电子信息类实验教师应当抓住虚拟仿真技术的“交互性”特点，让学生全面掌握实训基础知识。虚拟仿真技术的“交互性”具有多样化的特点，当学生将指令输送给计算机后，计算机再将处理后的结果呈现给学生，从而帮助学生实现对虚拟工业设备、实验流程以及实验工艺环节细微操作的目的，让学生全方位的理解这些基本知识和原理。

其次，利用“逼真性”，强化实验教学过程的效果。虚拟仿真技术可以将实验步骤完整的呈现在学生面前，其“逼真性”让学生有身临其境之感，当然当前受限于科学技术的发展，很多细节方面还较不完善，但是只要实验教师专业素养过硬，将现有的虚拟仿真技术优势完全发挥出来，帮助学生完成实验任务，达到实验效果。虚拟仿真实训具有实验训练、交流互动、成果展示等众多环节，而学生只需要在虚拟教学平台上进行注册，就可以开展后续实验操作。在虚拟仿真实验中，学生可以在模拟情景中开展工作，如同玩游戏一般。同时，实验教师也需在这个阶段给学生安排一个课题任务，需要学生在虚拟仿真系统中独立的完成一个实验项目，这样学生在熟悉基本知识与技能之后，就可以利用该系统进行知识整合，并达到了实践锻炼的效果。此外，实训教师还需安排学生进行成果展示活动，让学生在相互交流的过程中，进行思维碰撞，让学生互相观摩完成课题任务的过程，并进行组间评价，从不同的角度来提出不同的看法，这对于学生认清自身思维局限性、完善知识体系，具有极大的作用。

最后，结合“沉浸性”，提升学生创新能力。虚拟仿真系统的“沉浸性”，可以帮助学生集中注意力，利于学生发现问题和解决问题。由于虚拟仿真实训具有连续性，已经形成了较为系统的实验模式，所有知识和技能掌握培训一环紧扣一环，由易到难的帮助学生理解知识。而学生在虚拟仿真系统中，完全隔绝了外界因素的干扰，全身心地投入在实验中，有助于激发学生的灵感，从而创新性的提出一些生产想法。教师在此环节中，应当合理安排实验内容，结合有效的、多元的评价方式，增强学生的实训自信心，并在虚拟仿真系统中设置一些热点前沿问题，让学生进行深度思考，结合实践训练，不断试错，来找到解决问题的方式。因此，只有这样，才能将虚拟仿真技术的“沉浸性”功能完全发挥出来，学生的各项能力也能得到有效发展。

5　结束语

综上所述，当前虚拟仿真技术的教学优势已经得到了一定程度的挖掘，特别是在工程工业的实践教学方面，具有较强的应用优势。由于工业实验受限于条件的限制，很难在现实中找到相应的实验场所，因此虚拟仿真教学平台地出现弥补了这一缺陷。但是，在应用的过程中，不可避免地出现了一些教学方面的问题，比如教师对于虚拟仿真技术的不熟悉，导致实验教学的功能无法完全发挥出来。因此，只有不断地完善相关问题，才能有效地利用虚拟仿真技术，从而全面促进学生的成长。

[1]白曦龙，王迎辉，卢振生，等. 基于虚拟仿真的数字电子技术教学模式开发[J]. 南方农机，2021，52(10):144-145.

[2]张禹，胡晓华，黄淑燕，等. PCB设计与制造课程虚拟仿真教学改革研究[J]. 福建电脑，2021，37(5): 50-53.

[3]蒋乐勇，邹孝，郑之伟. 虚拟仿真技术在电子信息专业信号处理类课程中的教学改革探索[J]. 数字通信世界，2020(12): 205-206.

[4]孙丹丹，张晓磊，赵同刚，等. 基于虚拟仿真技术的电子电路实验教学探索[J]. 高教学刊，2020(35): 108-111.

[5]张春华. 虚拟仿真技术在电子类课程教学中应用研究[J]. 计算机产品与流通，2020(10): 123-124.

[6]黄琳，杨铁军. 虚拟仿真技术在数字信号处理课程教学中的应用研究[J]. 高教学刊，2019(6): 122-124.

[7]张刚. 虚拟仿真技术在实验课程教学中的应用[J]. 新校园，2018(5): 113-114.

[8]周宗斌. 基于Multism虚拟仿真技术的高职高专电路基础课程教学的探索与实践[J]. 现代职业教育，2017，(24): 92-94.

[9]马学条，陈龙. 基于虚拟仿真技术的数字电路实验教学探索[J]. 实验技术与管理，2016，33(10): 127-129.

Application and Practice of Virtual Simulation Technology in Circuit Board Making Experimental Teaching

Virtual simulation technology is one of the popular technologies at present, and the technology has been relatively mature. It has been widely applied in all walks of life, and it is no exception in the field of education. At present, in the course teaching of some engineering and electronic majors, virtual simulation technology has played a great role. From the perspective of virtual simulation technology, this paper discusses its application in the experimental teaching of circuit board manufacturing, and carries out the research of teaching practice, which has strong practical significance.

virtual simulation technology; circuit board making; experimental teaching

G712

A

1008-1151(2022)04-0160-04

2021-12-29

广西教育科学规划2021年度立项课题“基于超星教学平台中职电子专业‘三教’改革研究与实践”（2021B332）。

雷艳秋（1977－），女，河池市职业教育中心学校高级讲师，研究方向为电子专业教育教学、德育工作管理。