光电材料与器件国家级虚拟仿真实验教学中心建设与实践

姚日晖, 文尚胜, 吴为敬, 郑奕娜, 王 丹, 郑相宇, 马 强

(1. 华南理工大学 材料科学与工程学院, 广东 广州 510640；2. 华南理工大学 实验室与设备管理处, 广东 广州 510640)

特约专栏——国家级实验教学示范中心建设和虚拟仿真技术研究与应用(Ⅲ)

光电材料与器件国家级虚拟仿真实验教学中心建设与实践

姚日晖1, 文尚胜1, 吴为敬1, 郑奕娜1, 王 丹1, 郑相宇2, 马 强1

(1. 华南理工大学 材料科学与工程学院, 广东 广州 510640；2. 华南理工大学 实验室与设备管理处, 广东 广州 510640)

阐述了虚拟仿真实验教学中心的建设意义、教学理念、建设目标及特色,坚持“立足产业、创新为先、虚实结合、合作共享”的教学理念,形成了“以国家和广东省战略性新兴产业应用为引导、以国家重点实验室和国际联合实验室为支撑,采用虚实结合的实验教学方式,将国际前沿科学研究与产业发展有机融入本科教学,培养具有国际视野的高端人才”的办学特色,在实验课程体系建设、创新型人才培养、开放共享、服务产业等方面取得了丰硕的成果。

光电材料与器件； 虚拟仿真； 实验教学中心

光电技术产业是21世界最具魅力的朝阳产业之一,有着巨大的潜力和广阔发展前景[1-3]。光电科技工业协进会(PIDA)指出,2014年全球光电技术产业总产值就达到了5 766亿美元。我国是光电技术产业大国,近年来相关产业和新技术发展迅速,已经成为国家支柱产业和新的经济增长点。光电技术产业的高速发展,引发企业对专业技术人才的高度需求。近10年来,许多高校创办光电技术相关专业,但由于大部分高校的光电技术专业办学时间短,普遍存在着实验教学条件不够完善的问题。虚拟仿真实验具有成本低、效率高、可扩展性强、操作安全、高度开放和资源共享等特点[4-6],是解决这一问题的有效途径。在教育部“关于组织开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知[7]”精神指导下,华南理工大学依托材料科学与工程国家级实验教学示范中心、光电信息科学与工程国家特色专业、发光材料与器件国家重点实验室、先进功能材料国际联合实验室、高分子塑料光电材料国家引智基地等优势资源,建设了光电材料与器件虚拟仿真实验教学中心。该中心通过借鉴其他国家级虚拟仿真中心的建设经验[8-10],围绕光电材料与器件领域的实验教学特点,开展虚拟仿真实验教学及研究,构建了包含“3个层次、4大模块、9个平台”的虚拟仿真实验教学体系,并于2016年2月获批为国家级光电材料与器件虚拟仿真实验教学中心(下称中心)。

1 中心建设的必要性

在光电材料和器件领域的实验教学过程中包括了许多常规实验教学条件下无法开展的、不可及和不可逆、高成本、高能耗的实验内容。具体表现为:

(1) 在光电材料和器件的教学和研究领域,涉及大量微观结构及过程,用常规实验手段难以观测。光电材料和器件的设计与特性分析,需要从原子核、电子、原子和分子等微观粒子的层次出发。这些微观粒子难以采用常规的实验手段进行观测,必须采用虚拟仿真的手段开展教学和研究。

(2) 在光电器件的制备过程中,设备投入巨大,环境要求高。针对高精度光电器件制备工艺各个阶段的实验课程难以实际开展,如TFT-LCD液晶显示屏、AMOLED显示器、LED等常用的光电器件,由于器件中存在大量的微米、纳米结构,需要用到真空镀膜、光刻、刻蚀等大型仪器设备,需要投入巨大资金(一条TFT-LCD生产线需投入上百亿元)。

(3) 光电材料与器件的开发过程,其常规实验手段存在耗时长、资源浪费等问题。如在光电材料的开发过程中,需要对材料的组分、结构等进行优化，需要耗费大量的时间及材料,造成资源浪费和环境污染等问题。

(4) 光电材料与器件的制备过程,需要用到易燃、易爆、剧毒的高危险性原材料,难以在本科实验教学中开展实物实验。而借助虚拟仿真手段,就能让学生在保证安全的前提下,顺利完成实验。

(5) 在光电器件性能研究过程中,需要了解器件工作时内部的光、电、热和力学等方面的特性,但器件完成后,无法通过真实的拆解来分析其内部的特性,只能通过外部测试加上虚拟仿真的手段进行分析。

由于上述原因,在光电材料与器件领域的实验教学中采用虚拟仿真实验手段是非常重要和必要的。

2 中心的建设思路与实验教学体系

中心坚持“立足产业、创新为先、虚实结合、合作共享”的教学理念,以培养光电领域科研型拔尖人才和应用型创新人才为目标,提出了以“光电材料为基础,以光电器件及光电检测技术为支撑,突出新型显示技术、半导体照明技术、太阳能电池技术等应用技术”为办学方向。

中心的实验教学体系主要包含3个层次(学科基础课程虚拟仿真教学、专业领域课程虚拟仿真教学、工程训练与创新研究虚拟仿真)、4个模块(光电材料、光电器件、光电检测、光电系统应用)和9个平台(光电材料虚拟仿真实验教学平台等)(见图1)。

图1 中心的虚拟仿真实验教学体系

3个层次的虚拟仿真课程与实验项目贯穿光电相关专业二到四年级。第一层次的学科基础课程包含固体物理、量子力学、半导体物理等,针对二年级学生,通过虚拟仿真手段实现原理和技术的直观呈现,提高专业授课直观性和新颖性；第二层次的专业领域课程及实验包含显示器件、半导体照明、太阳能电池、光电检测等多个方面,通过将虚拟仿真手段融入课程教学及开展大量课程实验的方式,充分发挥虚拟仿真技术的功能,弥补专业实物实验不足；第三层次的工程与创新研究训练,则通过虚实结合、多人协作的综合虚拟仿真项目结合综合课程设计、毕业设计和课外科研竞赛的需要,实现光电专业知识的综合应用,培养具有工程应用和创新研究能力的高级人才。

4个模块:光电材料、光电器件、光电检测、系统应用。以光电材料为基础,以器件及检测技术为支撑,突出新型显示技术、半导体照明技术、太阳能电池技术等应用技术,形成一个完整的光电专业实验教学体系。其中,光电材料模块主要涉及无机光电材料及高分子光电材料2个体系的设计；光电器件模块,主要针对新型显示器件、半导体照明器件、太阳能电池器件3个方面的应用,从器件结构、光学设计、电路设计、热学模拟仿真等多个层面开展虚拟仿真教学,以强化学生在该领域的专业知识水平；光电检测模块的虚拟实验包含远程实验教学和虚拟仪器2个部分；系统应用模块目前主要针对照明效果仿真设计和智能控制系统的虚拟仿真。4个模块构成了互相驱动互相支持、相互促进的有机结构。

按照不同的学习阶段和教学方向又分为9个平台(见图1中间部分)，每个平台结合该方向的虚拟仿真实验建立了实验室平台教学团队,开展专门的实验课程或结合设计主干课、相关专业课程设计实验教学环节,并结合各类创新实践教学活动开设实验教学和研究项目。目前共涉及25门相关课程,共有48个实验项目。这些课程不同程度地覆盖3个层次,形成了“纵横结合,系统完善、开放共享”的虚拟仿真实验教学课程体系。

3 中心的特色与创新

中心结合华南理工大学的学科优势与广东省光电技术产业的优势,形成了鲜明的办学特色。

(1) 中心遵循“寓教于研、虚实结合、教研相长、师生共赢”的理念,充分发挥国家级科研平台对虚拟实验教学的支撑和促进作用,将雄厚的科研实力转化为优质的本科实验教学资源。多个“973”“863”重大科研项目的部分研究内容已经转化为中心的虚拟实验教学内容。这些高水平课题中的虚拟仿真内容向本科实验教学的转化,拓展了实验教学范围,丰富了实验教学内容,对于拓展学生的专业知识面、培养学生的创新能力起到了重要的作用。学生在获得相应的专业技术知识之后,积极参与科研活动,对科研项目的研究也起到了促进作用。

(2) 以国家和广东省战略性新兴产业应用为引导,依托龙头企业和优秀的校友资源为本科虚拟实验教学服务,与地方经济发展结合,提高中心的办学水平与社会影响力。华南地区是我国最大的光电技术产业基地,有巨大的产业市场和广泛的产业界校友人脉资源,为中心的“立足产业”办学理念提供了得天独厚的条件。目前,中心已经和多家大型企业建立了战略合作关系,在光电显示领域,与我国3个彩电龙头企业,创维集团、TCL集团及康佳集团建立了长期合作关系。在半导体照明领域,中心与广东的上百家企业(包括木林森股份有限公司、广东三雄照明股份有限公司等)建立了合作关系。中心一方面与企业开展合作,利用企业在工程应用方面的优势扩充实验教学资源(如与广东三雄照明股份有限公司共建照明效果设计仿真实验教学平台)；另一方面,充分发挥高校服务产业的职能,为近百家企业提供了针对光电材料与器件虚拟仿真方面的技术培训和技术支持。通过上述活动,使中心在广东省光电技术产业界具有较大的影响力。

(3) 中心以先进功能材料国际联合实验室和高分子塑料光电材料国家引智基地为支撑,大力开展与国际一流大学的合作交流,将国际前沿科学有机融入虚拟实验教学,大力促进中心与国际接轨。目前已与美国加州大学、英国剑桥大学、英国帝国理工大学、美国阿克隆大学等10多个国外知名高校建立了合作关系。通过密切的国际学术交流与合作、外教短期讲课、人才交流与引进等多种方式,将国外在光电材料与器件领域的先进经验融入中心的虚拟仿真实验教学中。

4 中心建设的效果和示范效益

中心已建设9个虚拟仿真教学平台,共涉及25门相关课程,包含48个虚拟仿真实验项目。中心除面向校内开放外,还和其他高校或企业建立了广泛的合作与交流,承担校外的实验教学,起到了良好的示范辐射作用。中心对人才培养的教学效果主要体现在以下方面:

(1) 承担了我校光电信息科学与工程、电子科学与技术、高分子材料与工程、材料科学与工程、应用物理6个专业，每年为18个本科班,超过600人提供虚拟实验教学,年均授课约10 000人时。

(2) 通过“虚实结合”拓宽了学生的专业视野,提高了学生的自主学习能力和创新能力。近3年来,中心在本科生创新能力培养方面取得了丰硕的成果。以本科生为第一作者在国际知名期刊上(包括Journal of Materials Chemistry C、Scientific Reports等)发表论文28篇。以本科生为主申请发明专利32项,其中实用新型专利21项。学生参加各类学术、科技竞赛,获国家级奖22项、省级奖31项。

(3) 虚拟仿真实验教学资源除对校内师生开放外,还和其他高校建立了合作关系,参与其他高校的实验室建设,实现了校内外资源共享。中心已经为东莞理工学院、佛山科学技术学院等30多所高校提供虚拟仿真实验教学超过2 000人次。

(4) 在新型显示与半导体照明的虚拟仿真技术领域,为企业开展短期培训,已经为深圳、中山、东莞、佛山、江门、惠州等多地的多家光电企业开展技术培训,培训人数超过3 000人。

5 结语

光电材料与器件国家级虚拟仿真实验教学中心坚持“立足产业、创新为先、虚实结合、合作共享”的教学理念,在虚拟仿真实验体系建设、实验教学特色、学生创新能力培养、服务产业等方面取得了丰硕的成果,得到了校内外专家及业界的一致好评。中心将进一步紧密依靠华南理工大学相关学科和科研成果的优势,结合广东省光电技术产业的优质资源,把中心建设为培养高素质、创新型光电技术人才的重要平台。

References)

[1] 徐送宁,岱钦,黄月,等. 基于光电产业需求的光电信息科学与工程专业的改革与实践[J]. 高教学刊,2016(3):232-235.

[2] 文尚胜,姚日晖,彭俊彪,等. 信息显示与光电技术国家特色专业规划与实践[J]. 华南理工大学学报(社会科学版),2013, 15(2):118-122.

[3] 张海明,尚可可,高贵,等. 地方高校工程应用型光电信息科学与工程专业人才培养的探索与实践[J]. 物理与工程,2015, 25(2):89-92.

[4] 翟永杰,纪蓬勃,王秀梅,等. 电力工程全过程虚拟仿真实验教学中心建设[J]. 实验技术与管理,2014, 31(8):6-8.

[5] 黄英群,王秀娥,俱海浪,等. 计算机仿真实验在物理实验教学中的作用[J]. 大学物理实验,2011, 24(2):91-92.

[6] 吕正. 虚拟仿真实验在实验中的应用[J]. 大学物理实验,2010, 23(4):59-62.

[7] 教育部高教司. 关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知高教函[2013]94号[Z].2013.

[8] 李亮亮,赵玉珍,李正操,等. 材料科学与工程虚拟仿真实验教学中心的建设[J]. 实验技术与管理,2014, 31(2):5-8.

[9] 沈建华,李飞,程崇虎,等. 通信与信息网络国家级虚拟仿真实验教学中心建设与实践[J]. 实验室研究与探索,2015, 34(1):161-164.

[10] 李炎锋,杜修力,纪金豹,等. 土木类专业建设虚拟仿真实验教学中心的探索与实践[J]. 中国大学教学,2014(9):82-85.

Construction and practice of state-level virtual simulation experimental teaching center of optoelectronic materials and devices

Yao Rihui1, Wen Shangsheng1, Wu Weijing1, Zheng Yina1, Wang Dan1, Zheng Xiangyu2, Ma Qiang1

(1. School of Materials Science and Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China;2. Laboratory and Facility Management Division, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China)

Combining the practice of state-level virtual simulation experiment teaching center of optoelectronic materials and devices at South China University of Technology, this article explains the significance, teaching ideas, and the goal and feature of the center construction. The teaching philosophy of center is based on industry, innovation first, virtual-actual combination, cooperation and sharing. The construction of the center is guided by the National and Guangdong Province strategic emerging industries, supported by the national key laboratory and international joint laboratory. The high level talents with international view are trained by using the undergraduate teaching method combined with the international forefront of scientific research and industrial development. The experimental center achieves plenty of results in the construction of experimental curriculum system, cultivating practical talents, opening and sharing, service industry, etc.

optoelectronic materials and devices; virtual simulation; experimental teaching center

10.16791/j.cnki.sjg.2017.03.001

2016-10-14

姚日晖(1981—),男,湖南涟源,博士,副教授,光电材料与器件国家级虚拟仿真实验教学中心常务副主任,主要从事光电材料与器件领域的教学、科研工作.

E-mail:yaorihui@scut.edu.cn

G482

A

1002-4956(2017)3-0001-03

编者按: 国家级实验教学示范中心经过10余年的建设取得了丰硕成果,积累了丰富经验。本刊《特约专栏》将陆续刊登有关专家、教授的文章,介绍国家级实验教学示范中心建设发展的情况。由于虚拟仿真技术发展迅速,国家级虚拟仿真实验教学中心建设发展情况为广大读者所关注,我们也将给予较集中报道。本期《特约专栏》刊登了华南理工大学、哈尔滨工业大学、山东英才学院和辽宁大学有关专家教授的文章,他们所介绍的经验很有参考价值,值得一读。