基于虚拟仿真实验教学的应用型人才培养模式——以硅太阳能电池制造技术为例

景德镇陶瓷大学 材料科学与工程学院 江西 景德镇 333403

在新工科背景下,应用型人才的培养成为高等教育的一个重要培养目标。企业对人才能力的期望,不再仅仅局限于他们要具备来自书本的理论知识,更希望他们具备优秀的理论运用能力和实践操作能力,希望他们能够快速地将理论知识转化为实践技术。在光伏领域,经过近十年产业孕育期残酷的优胜劣汰,硅太阳能电池行业已形成稳定的产业链,整体向好发展,成为典型的需求大量应用型人才的新兴行业。2009年,教育部设立了高校新能源材料与器件专业,为太阳能电池及其它新能源产业的发展提供人才支持。到目前为止,全国已有22所高校成立了新能源材料与器件(光伏)专业,以期为企业注入专业的技术研发力量。这样一个新兴专业,尤其要求学生不仅要具备新能源方面的知识,更重要的是掌握物理、化学、材料等知识在新能源材料领域的应用[1]。因此,在新能源(光伏)专业的本科培养目标中,我们不仅要重视理论知识的传授,还应该重视学生知识运用能力和实践能力的培养,这对于提高其毕业后在企业中的适应能力有直接的、显著的作用。

传统的实验实践教学模式常受时间和空间的制约,并普遍存在优质实验教学资源不足和各高校实验教学资源发展不平衡的问题[2]。在进行硅太阳能电池生产制造技术的实践教学中,这类问题表现得尤为突出。而虚拟仿真实验教学作为传统实验实践教学模式的一个有力补充,将成为高校培养该领域应用型人才和实现优质实践教学资源共享的一个重要途径[3]。本文以硅太阳能电池制造技术为例,对虚拟仿真教学模式进行了思考和探讨。

1 硅太阳能电池制造技术虚拟仿真实验教学的优势

单晶硅和多晶硅太阳能电池的生产具有工艺环节多、设备要求高、部分环节耗时长等特点。大部分设备昂贵,如多晶铸锭炉和单晶生长炉等。而且,实验室所用小型设备与企业生产所采用的大型设备在实践操作上差别较大,比如在配料装料方面,又比如在生产管理层面,都有不同的技术要求。因此,针对硅太阳能电池生产设计和制造技术的传统实验教学手段存在各种困难,如:常规课时内无法完成全部工艺环节的教学;实验室只能采用小型设备,与产业化生产所使用的大型设备在工艺和操作方面有很大差别;实验教学难以考虑到生产管理层面的因素。

另一方面,通过企业实习来进行硅太阳能电池生产设计和制造技术的实践教学,也普遍存在一些问题,如很多高校常常无法具备良好的企业实习条件;通常需要耗费大量的时间和经费对多个企业进行参观学习,才有可能让学生全面了解整个生产流程;学生无亲身实践体验,不利于理论运用于实际的经验积累。

虚拟实验教学可以有效弥补硅太阳能电池制造技术实验实践教学方面的上述不足,尤其可以解决实验教学难以配置大型设备以及企业实习对学生实践操作的时间和空间限制等问题。而且,虚拟实验室建设成本低,可以减小实验室面积和降低设备购置、耗材购买、仪器设备维护等方面的开支。基于虚拟实验教学模式,可以让学生在复习巩固基本理论的基础上,对电池生产的工艺方法和参数设置进行独立的思考和设计,并尝试解决生产中可能出现的问题。通过有效的人机互动设计,可以充分利用信息技术开展启发式、探究式、讨论式、参与式等以学习者为中心的教学新模式,有利于引导学生进行主动的设计和创新,提高实践教学效果,培养其知识运用能力和解决实际问题的能力。

2 硅太阳能电池制造技术虚拟仿真实验设计

2.1 教学理念与教学方法 硅太阳能电池制造技术虚拟仿真实验教学平台建设的核心目标是,基于虚拟仿真实验教学模式,弥补传统实验实践教学的不足,为企业输送能快速适应岗位要求的应用型技术人才。平台的建设可以基于逼真的3D动画仿真和第一角色扮演,激发学生的学习兴趣并给予他们切身体验,促使他们进行独立思考从而获得对相关知识的更深刻理解。

虚拟实验项目的建设过程中,应注意以下几个方面:

(1)建立丰富、细致的人机互动机制,从基础知识掌握、知识应用、创新能力等不同层面对学生进行能力训练和考核。

(2)在进行资源建设与人机互动机制探索过程中,强调教师对学生实验过程的监管,并设计相应的即时交流功能,以便指导老师能够及时地进行引导、答疑和进行教学评价。

(3)建立指导老师引入问题、情景变化和突发情况的机制,引入启发式、探究式、讨论式、参与式等多教学方法,形成以培养学生实践能力和创新能力为目的的虚拟仿真教学模式。

2.2 资源建设 硅太阳能电池制造技术虚拟仿真实验教学平台的建设可以依据工艺流程进行模块化设计。根据设计好的实验模块,建立实验原理规范、实验步骤指导资料,搜集、录制教学视频,并进行仿真实验软件的设计和建设(如图1)。虚拟实验资源建设过程中,必须合理地引入有效的虚拟实验评价体系,以评价教学效果和培养目标达成情况。

图1 硅太阳能电池制造技术虚拟仿真实验教学平台架构

(1)实验模块。根据硅太阳能电池的生产工艺流程设计实验模块,比如配料装料实验模块、单晶生长实验模块、多晶铸锭实验模块、开方切片实验模块、制绒实验模块、扩散实验模块、少子测试实验模块、电池封装实验模块等。

(2)原理与操作规范。本部分内容为实验准备资料,可以通过在线平台供学生阅读参考。这一部分内容应以规范性为前提,介绍每个实验涉及的基本原理、实验设备、操作程序以及详细的操作步骤,以帮助学生熟悉实验的操作过程。各步骤必须标准、规范,但不能具有限制性。

这其中还包括设备的介绍,如相应设备的型号、参数、性能特征、场地和水电使用要求、操作注意事项等,以图文混合方式呈现解,让学生对多晶硅太阳能电池生产设备的情况有基本的了解。

(3)视频演示。主要是动画演示和录像资料,所涉及的设备和素材要尽量与企业生产情况相符,能够形象地展示实验的全过程或者关键环节。

(4)仿真实验。在仿真软件设计时,充分引入人机互动机制。软件要能够对不同参数下得出的实验数据进行自动处理,具体有对错误的实验步骤进行提示和修正的功能。仿真实验教学不仅要使学生掌握实验的原理和过程,还要使他们熟悉相关设备的操作。

(5)交流平台。提供同学之间、师生之间的交流平台,具有使用指导(服务答疑)、软件管理、学生和班级管理、课堂管理、成绩管理等功能。

(6)评价体系。建立合理、有效的虚拟实验评价体系,对学生的相关知识掌握情况和相关能力培养情况进行评估,评价虚拟仿真实验平台的教学效果。

2.3 人机互动机制的探索与设计 虚拟实验项目的建设中,充分的人机互动设计是调动学生学习积极性、培养学生实践的基础。

人机互动设计应以规范化设计为前提,这是学生能够正确、顺利地将原理规范运用于指导虚拟实验操作的保证。因此,首先要基于相关理论基础与技术的生产应用现状确定虚拟实验对应的规范化前提,在此基础上合理地进行人机互动设计。在虚拟仿真教学过程中,系统利用控件对不同的实验步骤和实验参数进行处理,反馈相应的实验结果,包括操作错误提示以及错误的、失败的、甚至破坏性的结果等。同时,基于规范化前提,可以在虚拟仿真实验过程中预设一定的情景变化和突发情况,允许指导教师临时设计引入问题、情景变化和突发情况。学生根据相关知识与技能应对和处理情景变化与突发情况,这可以作为教学评价体系中知识运用能力和创新能力考察的重要方面。

2.4 教学效果评价与评估 合理的评价体系应当能够从不同能力层次对学生的实验完成情况进行考查。评价方式主要通过在虚拟实验中设立交互点和引入问题、情景变化、突发情况等进行,并辅以习题测试,考查学生对不同层次考察点的达成情况。评价体系要有机地融入开放服务平台,通过平台的使用指导(服务答疑)、实验软件运行管理、学生和班级管理、课堂管理、成绩管理等功能实现最终的评价管理。

3 结语

应用型人才培养是高校教育的一个重要发展方向,其目标是为企业输送能快速适应岗位要求的技术人才,其核心是有效的实践教学模式。虚拟仿真实验教学在资源、时间和空间方面都不存在实施障碍,适于进行应用型人才培养。本文提出的虚拟仿真实验教学模式,建设的核心在于加强指课堂管理功能、丰富交互点设计和加强人机互动机制以及丰富能力训练、考查和评价的层次。本文针对硅太阳能电池制造技术提出的虚拟实验教学模式,对于其它领域和专业的应用型人才培养也有重要的借鉴意义。