SeeLight光学虚拟仿真实验平台设计与应用

宁 禹，程湘爱，许中杰，孙 全，曾 翼，许晓军，吕 品，吴楚锋，徐帆江

（1. 国防科技大学 前沿交叉学科学院，湖南 长沙 410073；2.中国科学院 自动化研究所，北京 100087；3. 中国科学院 软件研究所，北京 100087）

传统光学实验教学通常面临以下4个方面的实际困难（见图1）：①操作相对滞后。理论教学和实验操作环节难以紧密衔接，学生在课堂上学到知识后不能够随学随练、趁热打铁，待到开展实验时相关知识已经生冷，使理论授课效果大打折扣。②实验难度大。实验环境洁净度要求高，光学元件易损坏、价格贵，实验条件建设成本高昂。③缺乏创新平台。由于元器件数量和种类有限，有些光学实验无法在实验平台上开展，学生也无法按照自己的想法搭建光学系统，好奇心难以得到满足，创造性思维得不到培塑。④个人能力评价不全面。教师难以跟踪和记录每一名学生开展实验的具体过程，如果实验现象和结论有误，难以究其原因。

虚拟仿真实验是顺应教学信息化趋势发展起来的一种新型教学模式[1-2]，它利用虚拟现实和仿真技术突破实验条件限制，利用人—机双向交互丰富实验教学方法，具有直观可视、趣味性强、与现代信息技术紧密结合等优势，是解决传统光学实验教学困难的有效途径[3-4]。

图1 传统光学实验面临的实际困难分解图

2011年，国防科技大学高能激光技术研究所联合中国科学院软件研究所共同研发了SeeLight光学虚拟仿真实验平台（以下简称SeeLight）。从2017年开始，国防科技大学将SeeLight试用于“应用光学”课程虚拟仿真实验教学。本文阐述了SeeLight的设计思想、构建过程及主要教学功能，探讨了基于该平台开展虚拟仿真实验教学的教学方法，分析了依托平台教学辅助功能开展智能化、个性化教学的实施要点，最后综合评价了平台的应用成效。

1 设计思想与实施要点

针对光学学科概念抽象、可视化要求高、应用性强、实践需求大的特点，本研究设计构建“虚实结合、以虚补实”的多元化课程实验资源[5]，解决传统光学实验教学中操作相对滞后、成本高、限制多的问题；探索实践“全程跟踪、量化评价”的实验教学评价方法，解决传统实验教学中个人能力评价不全面、个性化教学困难等问题[6]。SeeLight兼具虚拟仿真实验功能与教学辅助功能，其设计要点包括以下几个方面：

（1）专业性强。虚拟仿真实验教学具有直观可视、趣味性强、不受时空限制、与现代信息技术紧密结合等优势，但是传统的以 Flash和三维动画为主导、侧重于情景展示的实训类虚拟仿真软件，因其缺乏理论模型与计算支撑，并不能真正满足高等学校基础教学需求。因此，SeeLight设计首先要确保仿真模型的专业性、仿真过程的合理性和仿真结果的准确性，其相关仿真结果要能够与ZEMAX、VirtualLab等行业认可度较高的光学类虚拟仿真软件计算结果相互校验。

（2）契合度高。充分利用SeeLight的自主研发优势，根据课程特点和知识点掌握需要，逐步构建课程专属光学元件和教学案例库，不断增强该平台与实验教学的契合度，通过仿真实验加深学生对课程重点、难点知识的理解，提升学生运用这些知识解决实际问题的能力。

（3）融合度深。虚拟仿真技术的应用给光学实验教学带来了便利，但是虚拟仿真软件与雨课堂、课立方等通用教学辅助软件之间的融合度普遍不高，导致虚拟仿真过程相对独立、不能与其他教学环节无缝对接[7]。SeeLight将虚拟仿真技术与教学辅助功能有机结合，构建专业化、智能化的综合性教学辅助平台，使仿真实验教学与课下导学成为一个有机整体，有效解决了上述问题。

2 建模与虚拟仿真实验

SeeLight兼顾基础实验教学与创新实践需求，既可以验证基本光学原理、仿真经典光学系统，又可以对“新思路、新想法、新实验”快速仿真可视化。

2.1 基础实验教学

对于课程的重点知识，教师可以利用仿真平台将抽象的理论公式和光学系统结构快速地转化为虚拟光学实验系统，通过可视化的仿真结果加深学生对光学原理（图2）的理解[8-9]。

图2 人眼通过开普勒望远镜对远处物体成像系统框图

以“应用光学”课程的重点知识——开普勒望远镜为例。该课程要求学生掌握开普勒望远镜的结构原理及视放大率公式。通过教师课堂讲授学生了解到：理想情况下，开普勒望远镜的物镜和目镜均为凸透镜，且物镜的像方焦点与目镜的物方焦点重合；望远镜的视放大率等于物镜和目镜的像方焦距之比。但是，开普勒望远镜在实际使用中往往会遇到一些“非理想”情况，例如物镜的像方焦点和目镜的物方焦点不重合、尽管视放大率满足需求但是通过望远镜观察到的目标图像仍模糊不清等。如果对这些“非理想”情况缺乏思考和认识，学生就无法灵活、正确地使用开普勒望远镜。

在实际使用中，影响开普勒望远镜成像效果的因素有很多，如物镜和目镜的口径、相对位置及二者像方焦距之比等。如果基于传统光学实验分析上述因素对成像效果的影响，就要采用不同口径和不同焦距的透镜来搭建开普勒望远镜系统，需要配备的光学透镜比较多，实验成本高，需要重复构建相同结构的望远镜系统，实验效率低。

基于 SeeLight分析上述问题将大大节约实验成本、提高实验效率。首先，与物理图景相对应，教师指导学生在SeeLight仿真平台上构建开普勒望远镜目视光学系统。利用平台的并行分析功能，学生可以同时搭建多个结构相似的光学系统，通过把不同的球面透镜参数和透镜相对位置输入仿真模型中，可以一次性计算得到多个结果，从而对比分析各个参数对成像效果的影响（如图3和图4所示）。

图3 SeeLight平台球面透镜参数输入界面

图4 成像效果影响因素并行分析仿真系统及仿真结果

2.2 创新能力培养

对学有余力的学生进行适当的知识拓展，教师可以鼓励他们自主创建模型探索未知问题，并结合仿真结果加以引导，启发他们进行更深入的思考[10-11]。

以第六届全国大学生光电设计竞赛为例。我校学生应用课程中学到的光场相机相关知识，基于SeeLight平台快速优化系统设计方案，研究图像处理算法，在有限时间内成功解决了透过障碍物成像问题，如图5所示，从而在全国108所高校392支参赛队伍中胜出，获得一等奖。

在基于SeeLight平台开展仿真实验过程中，学生具有很大的自主性，可以创建独立账户和个性化的虚拟实验空间，灵活变换光学元件和系统的结构参数，从不同的角度对感兴趣的问题开展仿真分析，仿真结果还可以与教师和其他同学在线交互共享。

图5 光场相机隔物成像仿真实验系统及仿真结果

3 教学辅助与教学评价

信息化教学的基本特征是开放、共享、交互与协作[12-13]。除了教学平台和教学资源具有开放性之外，教学的各个环节之间也要实现信息和数据的互联互通，为教师综合运用多种信息技术开展教学一体化设计提供支撑。

为了进一步提升虚拟仿真实验教学的信息化和智能化水平，打通专业仿真软件与通用教学辅助软件之间的信息壁垒，SeeLight在专业仿真模块的基础上增加了与教学过程深度融合的教学辅助功能，如图6所示。通过SeeLight平台不但可以开展专业化的仿真训练，还能够在线跟进评测仿真结果、共享课程资源、进行知识点问答和布置仿真任务。

3.1 教学辅助功能

通用教学辅助软件的主要功能是课前辅助教学设计、课上实现教学互动及课后完成教学评价。除了具备这些基本功能之外，SeeLight教学辅助模块的鲜明特点就是与专业仿真计算模块紧密对接。学生基于仿真实验平台形成的仿真模型及计算结果可实时在线共享，便于师生之间或小组成员之间针对仿真案例进行深入交流和讨论。学生也可通过团队协作形式，共建仿真工程，迭代优化仿真结果。

基于上述教学辅助功能开展仿真实验混合式教学模式研究主要包括3个环节：在自主学习环节，学生根据教师布置的任务目标，利用平台资源开展自主学习，并完成在线知识评测；在实验教学环节，教师根据平台反馈的学习情况，有针对性地讲授重点难点知识，指导学生开展建模和综合仿真实践，通过仿真案例研讨和讲评答疑加深学生对知识点的理解；在课后跟进提升环节，学生基于在线平台完成仿真任务，教师提出改进建议并跟进辅导，扫除学生的知识盲区。

这3个环节紧密衔接、环环相扣，使看似零散的实验教学过程成为一个有机整体。具体来说，学生课前基于SeeLight平台完成仿真训练任务后，将仿真结果和问题及时反馈给教师，相关问题将作为实验教学环节的教学重点。在重难点剖析和案例研讨两个部分，教师可以通过在线调取问题列表、运行仿真案例，剖析问题产生的原因，结合课程内容阐释相关概念和光学原理，强化学生对课程知识的理解；随堂互动和讲评答疑两个部分采用客观题众答、抢答以及主观题设错纠错、头脑风暴等形式，活跃课堂学习气氛，调动了学生的学习积极性，能够鼓励学生勇于尝试、大胆实践，引导他们应用课程知识解决实际问题。

图6 基于SeeLight的混合式虚拟仿真实验教学模式

3.2 教学评价功能

SeeLight教学评价包括学生对课程知识掌握程度评价、实验效果评价以及教师教学效果评价3个维度。其中，知识掌握程度评价和教师教学效果评价可以通过在线测试及调查问卷的方式进行统计整理，而实验效果评价要相对复杂，其原因主要在于学生学习行为数据的提取困难，具体体现在3个方面：①提取难度高。学习行为难以数字化表示，需要定义完整的规则与算法。②工作量大。学习行为数据量较大，无法手工收集统计。③数据实时性高。学习行为随时随地可能发生，对数据的实时性要求较高。

针对实验效果评价困难问题，SeeLight采用大数据分析及云计算功能，动态监控、收集学习行为数据，通过自主定义的评价规则和算法，由服务器根据算法自动完成复杂的计算过程，再通过大数据分析形成可视化报表。这种做法既避免了人工评价的主观性，保证所有学生在一个标准、一个体系下获得客观评价，又将枯燥、繁复的数据转化为具有统计特性的直观可视的数据表、点线图等。

基于上述教学评价功能，SeeLight能够开展较全面、客观的实验效果评价。具体实现过程如下：课前教师根据实验教学的知识点定制规则算法，将构建仿真系统必须使用的核心光学元件设置为较高权重，包括其使用次数和使用正确率；仿真实验过程中，SeeLight通过采集学生在平台上的浏览操作、鼠标键盘输入、实验系统搭建、仿真计算结果等各类数据，利用大数据分析技术进行提炼和统计，依据权重规则计算元件使用正确率、元件搭配使用正确率、仿真工程得分等指标，并将统计结果以可视化学习行为分析报表的形式推送给教师，如表1所示。

表1 可视化学习行为分析报表

教师通过知识点分析可以掌握每个学生的学习情况，针对学生的强项、弱项给出个性化的学习建议，并根据整体学生对课程知识点的掌握情况，及时调整实验内容和教学重点。

4 结语

SeeLight将虚拟仿真实验技术与教学辅助功能有机结合，构建了专业化、智能化的实验教学平台，兼顾了基础实验教学与创新能力培养需求，实现了仿真实验与其他教学环节的无缝对接。通过精确跟踪学习行为、量化评价学习效果，SeeLight推动了光学实验教学向个性化、精准化方向发展。基于SeeLight平台开展混合式实验教学，有效提升了学生的学习积极性和自主性，也为教师进一步研究实验教学技术提供了有力支撑。