脉冲激光沉积过程虚拟仿真实验设计及教学模式探索

雷 姗，孙立忠，王鑫铭，郭进伟

（湘潭大学材料科学与工程国家级实验教学示范中心（湘潭大学），湖南湘潭 411105）

0 引 言

虚拟仿真实验可使学生接触科研前沿设备与技术，具有性价比高、可塑性强、开放共享程度高等特点，也为学生提供了自主学习的平台［1］。虚拟仿真实验还可弥补传统实验用房短缺、仪器设备台套数少以及师资不足等方面的问题［2］。因此，自2013 年以来，我国各高校积极响应国家关于建设国家级虚拟仿真实验教学中心的号召，推动此类项目的建设，之后虚拟仿真逐渐被广泛应用于各学科实验教学，成为我国高校主要推进的有关实验教学的改革项目［3-4］。

物理气相沉积技术中的脉冲激光沉积（Pulsed Laser Deposition，PLD）薄膜制备术是一种先进的薄膜制备工艺和手段［5］，随着材料科学和薄膜制备技术的发展，其在功能薄膜制备工艺及技术中有着不可替代的地位［6-8］。材料制备工艺及技术是无机非金属材料类本科生专业基础的核心课程之一，也是材料类专业的学生培养目标中的重要内容，对于多功能薄膜材料制备相关专业的研究生也是必不可少的学习内容之一。这类实验往往是在极端条件（如高真空条件）、高消耗下进行的，为达到超高真空条件，实验流程都将涉及较长的制备周期，另外高消耗主要是因为在PLD的实验过程中要使用高价值靶材及激光气体，每个人时数的实验经费消耗都在千元左右，开设PLD专业实验课程所需的极端条件和高消耗严重制约了该实验课程教学的有效开展。因此，要在材料类本科培养环节完成该实验工艺的实验教学，会限制整个实验教学的可持续发展，但若材料类本科生培养过程中不涉及该类实验教学内容，会有远离科学研究前沿、难以展现教学内容与时俱进的趋势。

本文以本院国家级实验教学示范中心、低维材料及其应用技术教育部重点实验室、特种功能薄膜材料国家地方联合工程实验室为平台，自主开发设计了PLD过程模拟虚拟仿真实验项目。

1 PLD薄膜制备实验

PLD是以激光作为辐射介质，对物体表面进行轰击作用，然后将轰击出来的靶材沉积到不同的基底上，从而获得薄膜或沉淀的一种技术手段。基本工作原理［9-11］可以分为以下5 个阶段：①激光与靶材相互作用产生等离子体，并形成等离子体羽辉（见图1），靶材法线方向轴向约束性使等离子体向基片输运。②随着入射粒子不断增多，沉积粒子被吸附逐步形成二维小岛。③分离的二维小岛吸附以各种方式靠近的新粒子而逐步扩大。④岛间合并，大岛彼此融合并完全覆盖整个衬底表面。⑤第二层薄膜开始形核，长大，岛合并，至铺满整个下一层。⑥随着薄膜层状生长不断继续，异质外延膜的厚度逐步增加（见图2）。

图1 等离子体羽辉形成过程示意图

图2 外延薄膜生长示意图

2 虚拟仿真实验课程的设计与开发

2.1 虚拟仿真实验课程的设计思路

自主开发设计的脉冲激光沉积过程模拟虚拟仿真实验项目是以PLD-5000 系统为模型（见图3），在以材料科学与工程学院的PLD 实验室为参照的虚拟场景中，与实验室参观演示相结合，完整虚拟了PLD 薄膜制备的工艺流程及实验环节中的关键控制条件，保持虚拟特征的基础上做到虚实结合，学生的直观性明显加强，对该实验中紧密结合的“薄膜材料和技术”“材料制备技术”等相关课程知识点的理解进一步加深，可解决多功能薄膜材料制备人才培养的瓶颈，实现材料类本科教学过程中材料制备技术的与时俱进。

图3 PLD-5000薄膜沉积系统结构示意图

PLD过程模拟虚拟仿真实验综合运用材料科学基础、材料制备技术、薄膜材料与技术、信息技术科学、物理学等多学科的研究成果，在实验内容的设计上采用本项目组近期的相关科研成果，以制备多功能纳米薄膜材料为切入点，实验内容选取氧化物薄膜材料外延生长，有针对性地对靶材准备、衬底（基片）处理、激光单脉冲能量及能量密度设置、激光光斑尺寸调控、靶材的运动与切换、薄膜材料结构设计与沉积、薄膜样品后处理、基片温度调控、腔内压强设定等进行实验环节设计，以异质结、多层叠层、超晶格等薄膜制备技术为核心，研发了用于极端环境下非易失性信息存储用的钙钛矿结构氧化物铁电薄膜制备［12-13］的虚拟仿真实验，实验步骤如图4 所示。该实验既保留了实验内容的科学属性，也体现了实验教学内容上的先进性特征。

图4 实验流程设计

2.2 虚拟仿真实验课程开发的技术架构及研发技术

本项目是以计算机仿真技术为基础，多媒体和网络技术为辅助，以服务为目标的软件框架进行开发，集真实场景模拟、自主选择设计、系统智能提示、实验过程管理和实验报告批阅于一体，是具有良主动性、相互性和创新性的虚拟实验教学平台［14］。为保障和实现平台及项目运行，本项目设计为5 层架构，具体如图5所示，由下而上提供服务，直至建立完整的教学实验虚拟环境。

图5 系统总体架构图

项目选择运用HTML5 和Unity3D、3D Studio Max、Maya等开发技术与工具。单场景模型面数：900 000个；贴图分辨率：1 024 px ×1 024 px；每帧渲染次数1 100 calls；动作反馈时间1 s；显示刷新率＞30 FPS；分辨率1 920 ppi×1 080 ppi。运行时服务器操作系统为Windows Sever，数据库为Mysql。网络带宽不低于20 MB，建议网络带宽50 MB及以上，可点击实验项目首页面下方网速测试按钮进行测试。能够支持的同时在线人数100 人，并提供在线排队提示服务。

3 虚拟仿真实验的教学模式

3.1 实验教学过程

该实验项目的教学是通过线上、线下结合的模式开展的，首先由任课老师在课堂上讲授相关理论知识，比如脉冲激光真空沉积镀膜的过程与原理、PLD-5000仪器基本构造等。在学生有了一定的理论基础知识后，通过录制的操作视频，更直观地让学生了解实验原理、仪器操作，最后由学生自主上机，完成实验，实验操作部分界面如图6 所示。

图6 实验操作界面

学生登录项目网站进入虚拟的实验室，可体验沉浸式环境漫游，直观形象、立体生动地体验、感知与领略实验室物理环境的空间、布局和结构。掌握设备设施的配备规范，了解实验室规范及其安全要求后，方可开始交互式练习操作。学生通过思考可及时与在线教学任课教师提问，老师亦可及时回复、答疑和询问学习情况与进度。与此同时，学生也可通过鼠标与键盘的操作，完成与屏幕内设备、实验工具、实验耗材等虚拟物件的实时互动，根据实验讲义操作，完成练习任务。项目操作过程中允许学生试错、犯错，因为开发时设计有提示功能，包括正确操作步骤提示，错误操作提醒以及根据学生操作完成度打分的功能。学生通过HCI（人机交互）模式，可达到结合理论与原理了解设备构造、熟练操作的实验目的，期间学生也可通过犯错暴露自身学习的短板、不足并及时弥补，从而及时得到改正和补充。在练习环节中，学生也可根据兴趣自主选择练习或自主设计实验，通过练习模式，熟悉整个实验过程操作及参数设置，也能有针对性地对薄弱环节进行实验练习；通过自主设计模式，可培养学生自主思考能力，将专业理论与实验技术实践相融合，提高学生专业认知，增强学生创新意识和创造性能力。

学生可根据自身需求选择“演练模式”和“考核模式”中的其中一个，项目系统平台亦可记录实验进行过程中的每一步操作，做到可回顾，可追溯，以便学生清晰认识自我学习进程，进行自我修正，及时调整。通过系统后台，任课老师可实时跟进在线学生的实验过程，与学生进行互动提问与答疑，引导学生的实验操作。老师也可因材施教，选取合适的考题对学生进行考核，实现差异化教学，个性化教学，将教学效果最大化。

学生在完成实验步骤后，须根据界面中表格要求，填写整个实验过程中选取的参数和取得的数据、结论，以便任教老师掌握其学习效果并作出客观的评价。同时，学生本人在此过程也可复习实验内容，反思实验操作，及时对未掌握的知识点进行查漏补缺，通过多次反复的练习和考核实现教学目标，达到最大化提升学习效果的目的。系统平台不仅可允许任课老师对学生进行评价，同时学生也可对老师进行点评，学生与学生之间也可相互点评，拉近师生之间，同学之间的关系，增加了课堂的趣味性。

3.2 实验教学目标

通过该虚拟仿真实验项目的教学，预期实现的教学目标有几个方面［15-16］：激发学生学习兴趣。通过虚拟平台界面呈现的实验室与不同沉积参数的PLD-5000 沉积系统互动，学生能够深入细致地了解薄膜材料的制备及其相关工艺。这种直观、实时和互动的特点不仅激发了学生了解和制备薄膜材料的兴趣，也有助于学生进行学习迁移；提升学生学习能力。虚拟仿真实验解决了激光脉冲薄膜制备实验过程不可逆的问题，在虚拟实验中，学生可以选取不同的靶材、不同的基材、不同的实验参数自由组合进行实验，以此获得不同的实验结论。通过反复练习操作，结合理论知识反推实验过程的合理性，获得最合理的工艺参数，选取最优实验方案，提高学生解决实际问题的能力。学生在课堂上可选择演练模式或考核模式，这种灵活的方式既能够实现差异个性化教学，使学生养成自主学习思考和不断自我纠错的习惯，又能培养其将理论知识运用到实践的能力，在实验过程中，使学生的学习能力不断得到提升；提高学生学习效率。本项目为学生提供了“不打烊”的网络虚拟实验室和24 h 在线的教学课堂，使学生可以不受时间和空间限制，学生沉浸其中，能够随时随地进行实验，大大缩短了实验周期。

4 结 语

对脉冲激光沉积过程模拟虚拟仿真实验项目建设的背景、现状及建设的必要性、实用性、合理性、先进性，阐述了实验设计开发思路、实验教学过程和目标等。该虚拟仿真实验的开设不但可以提高学生材料制备的相关技能、巩固相关专业基础课程的知识点，同时可以开拓学生在薄膜制备工艺方面的视野，并通过PLD实验基本原理的掌握可以进一步延伸学生对于物理气相沉积相关内容的理解，为未来学生就业拓展空间和思路。本科创新实验是本科生科研能力培养的重要支撑点，该虚拟仿真实验的开设可以为本科生借助PLD开展创新实验提供前期的技能储备，也可以作为研究生进入PLD实验室前的重要培训环节，从而提高培训效率。