姚日暉, 文尚勝, 吳為敬, 鄭奕娜, 王 丹, 鄭相宇, 馬 強

(1. 華南理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 廣東 廣州 510640；2. 華南理工大學(xué) 實驗室與設(shè)備管理處, 廣東 廣州 510640)

特約專欄——國家級實驗教學(xué)示范中心建設(shè)和虛擬仿真技術(shù)研究與應(yīng)用(Ⅲ)

光電材料與器件國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)與實踐

姚日暉1, 文尚勝1, 吳為敬1, 鄭奕娜1, 王 丹1, 鄭相宇2, 馬 強1

(1. 華南理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 廣東 廣州 510640；2. 華南理工大學(xué) 實驗室與設(shè)備管理處, 廣東 廣州 510640)

闡述了虛擬仿真實驗教學(xué)中心的建設(shè)意義、教學(xué)理念、建設(shè)目標(biāo)及特色,堅持“立足產(chǎn)業(yè)、創(chuàng)新為先、虛實結(jié)合、合作共享”的教學(xué)理念,形成了“以國家和廣東省戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)應(yīng)用為引導(dǎo)、以國家重點實驗室和國際聯(lián)合實驗室為支撐,采用虛實結(jié)合的實驗教學(xué)方式,將國際前沿科學(xué)研究與產(chǎn)業(yè)發(fā)展有機融入本科教學(xué),培養(yǎng)具有國際視野的高端人才”的辦學(xué)特色,在實驗課程體系建設(shè)、創(chuàng)新型人才培養(yǎng)、開放共享、服務(wù)產(chǎn)業(yè)等方面取得了豐碩的成果。

光電材料與器件； 虛擬仿真； 實驗教學(xué)中心

光電技術(shù)產(chǎn)業(yè)是21世界最具魅力的朝陽產(chǎn)業(yè)之一,有著巨大的潛力和廣闊發(fā)展前景[1-3]。光電科技工業(yè)協(xié)進(jìn)會(PIDA)指出,2014年全球光電技術(shù)產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值就達(dá)到了5 766億美元。我國是光電技術(shù)產(chǎn)業(yè)大國,近年來相關(guān)產(chǎn)業(yè)和新技術(shù)發(fā)展迅速,已經(jīng)成為國家支柱產(chǎn)業(yè)和新的經(jīng)濟增長點。光電技術(shù)產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展,引發(fā)企業(yè)對專業(yè)技術(shù)人才的高度需求。近10年來,許多高校創(chuàng)辦光電技術(shù)相關(guān)專業(yè),但由于大部分高校的光電技術(shù)專業(yè)辦學(xué)時間短,普遍存在著實驗教學(xué)條件不夠完善的問題。虛擬仿真實驗具有成本低、效率高、可擴展性強、操作安全、高度開放和資源共享等特點[4-6],是解決這一問題的有效途徑。在教育部“關(guān)于組織開展國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)工作的通知[7]”精神指導(dǎo)下,華南理工大學(xué)依托材料科學(xué)與工程國家級實驗教學(xué)示范中心、光電信息科學(xué)與工程國家特色專業(yè)、發(fā)光材料與器件國家重點實驗室、先進(jìn)功能材料國際聯(lián)合實驗室、高分子塑料光電材料國家引智基地等優(yōu)勢資源,建設(shè)了光電材料與器件虛擬仿真實驗教學(xué)中心。該中心通過借鑒其他國家級虛擬仿真中心的建設(shè)經(jīng)驗[8-10],圍繞光電材料與器件領(lǐng)域的實驗教學(xué)特點,開展虛擬仿真實驗教學(xué)及研究,構(gòu)建了包含“3個層次、4大模塊、9個平臺”的虛擬仿真實驗教學(xué)體系,并于2016年2月獲批為國家級光電材料與器件虛擬仿真實驗教學(xué)中心(下稱中心)。

1 中心建設(shè)的必要性

在光電材料和器件領(lǐng)域的實驗教學(xué)過程中包括了許多常規(guī)實驗教學(xué)條件下無法開展的、不可及和不可逆、高成本、高能耗的實驗內(nèi)容。具體表現(xiàn)為:

(1) 在光電材料和器件的教學(xué)和研究領(lǐng)域,涉及大量微觀結(jié)構(gòu)及過程,用常規(guī)實驗手段難以觀測。光電材料和器件的設(shè)計與特性分析,需要從原子核、電子、原子和分子等微觀粒子的層次出發(fā)。這些微觀粒子難以采用常規(guī)的實驗手段進(jìn)行觀測,必須采用虛擬仿真的手段開展教學(xué)和研究。

(2) 在光電器件的制備過程中,設(shè)備投入巨大,環(huán)境要求高。針對高精度光電器件制備工藝各個階段的實驗課程難以實際開展,如TFT-LCD液晶顯示屏、AMOLED顯示器、LED等常用的光電器件,由于器件中存在大量的微米、納米結(jié)構(gòu),需要用到真空鍍膜、光刻、刻蝕等大型儀器設(shè)備,需要投入巨大資金(一條TFT-LCD生產(chǎn)線需投入上百億元)。

(3) 光電材料與器件的開發(fā)過程,其常規(guī)實驗手段存在耗時長、資源浪費等問題。如在光電材料的開發(fā)過程中,需要對材料的組分、結(jié)構(gòu)等進(jìn)行優(yōu)化，需要耗費大量的時間及材料,造成資源浪費和環(huán)境污染等問題。

(4) 光電材料與器件的制備過程,需要用到易燃、易爆、劇毒的高危險性原材料,難以在本科實驗教學(xué)中開展實物實驗。而借助虛擬仿真手段,就能讓學(xué)生在保證安全的前提下,順利完成實驗。

(5) 在光電器件性能研究過程中,需要了解器件工作時內(nèi)部的光、電、熱和力學(xué)等方面的特性,但器件完成后,無法通過真實的拆解來分析其內(nèi)部的特性,只能通過外部測試加上虛擬仿真的手段進(jìn)行分析。

由于上述原因,在光電材料與器件領(lǐng)域的實驗教學(xué)中采用虛擬仿真實驗手段是非常重要和必要的。

2 中心的建設(shè)思路與實驗教學(xué)體系

中心堅持“立足產(chǎn)業(yè)、創(chuàng)新為先、虛實結(jié)合、合作共享”的教學(xué)理念,以培養(yǎng)光電領(lǐng)域科研型拔尖人才和應(yīng)用型創(chuàng)新人才為目標(biāo),提出了以“光電材料為基礎(chǔ),以光電器件及光電檢測技術(shù)為支撐,突出新型顯示技術(shù)、半導(dǎo)體照明技術(shù)、太陽能電池技術(shù)等應(yīng)用技術(shù)”為辦學(xué)方向。

中心的實驗教學(xué)體系主要包含3個層次(學(xué)科基礎(chǔ)課程虛擬仿真教學(xué)、專業(yè)領(lǐng)域課程虛擬仿真教學(xué)、工程訓(xùn)練與創(chuàng)新研究虛擬仿真)、4個模塊(光電材料、光電器件、光電檢測、光電系統(tǒng)應(yīng)用)和9個平臺(光電材料虛擬仿真實驗教學(xué)平臺等)(見圖1)。

圖1 中心的虛擬仿真實驗教學(xué)體系

3個層次的虛擬仿真課程與實驗項目貫穿光電相關(guān)專業(yè)二到四年級。第一層次的學(xué)科基礎(chǔ)課程包含固體物理、量子力學(xué)、半導(dǎo)體物理等,針對二年級學(xué)生,通過虛擬仿真手段實現(xiàn)原理和技術(shù)的直觀呈現(xiàn),提高專業(yè)授課直觀性和新穎性；第二層次的專業(yè)領(lǐng)域課程及實驗包含顯示器件、半導(dǎo)體照明、太陽能電池、光電檢測等多個方面,通過將虛擬仿真手段融入課程教學(xué)及開展大量課程實驗的方式,充分發(fā)揮虛擬仿真技術(shù)的功能,彌補專業(yè)實物實驗不足；第三層次的工程與創(chuàng)新研究訓(xùn)練,則通過虛實結(jié)合、多人協(xié)作的綜合虛擬仿真項目結(jié)合綜合課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計和課外科研競賽的需要,實現(xiàn)光電專業(yè)知識的綜合應(yīng)用,培養(yǎng)具有工程應(yīng)用和創(chuàng)新研究能力的高級人才。

4個模塊:光電材料、光電器件、光電檢測、系統(tǒng)應(yīng)用。以光電材料為基礎(chǔ),以器件及檢測技術(shù)為支撐,突出新型顯示技術(shù)、半導(dǎo)體照明技術(shù)、太陽能電池技術(shù)等應(yīng)用技術(shù),形成一個完整的光電專業(yè)實驗教學(xué)體系。其中,光電材料模塊主要涉及無機光電材料及高分子光電材料2個體系的設(shè)計；光電器件模塊,主要針對新型顯示器件、半導(dǎo)體照明器件、太陽能電池器件3個方面的應(yīng)用,從器件結(jié)構(gòu)、光學(xué)設(shè)計、電路設(shè)計、熱學(xué)模擬仿真等多個層面開展虛擬仿真教學(xué),以強化學(xué)生在該領(lǐng)域的專業(yè)知識水平；光電檢測模塊的虛擬實驗包含遠(yuǎn)程實驗教學(xué)和虛擬儀器2個部分；系統(tǒng)應(yīng)用模塊目前主要針對照明效果仿真設(shè)計和智能控制系統(tǒng)的虛擬仿真。4個模塊構(gòu)成了互相驅(qū)動互相支持、相互促進(jìn)的有機結(jié)構(gòu)。

按照不同的學(xué)習(xí)階段和教學(xué)方向又分為9個平臺(見圖1中間部分)，每個平臺結(jié)合該方向的虛擬仿真實驗建立了實驗室平臺教學(xué)團(tuán)隊,開展專門的實驗課程或結(jié)合設(shè)計主干課、相關(guān)專業(yè)課程設(shè)計實驗教學(xué)環(huán)節(jié),并結(jié)合各類創(chuàng)新實踐教學(xué)活動開設(shè)實驗教學(xué)和研究項目。目前共涉及25門相關(guān)課程,共有48個實驗項目。這些課程不同程度地覆蓋3個層次,形成了“縱橫結(jié)合,系統(tǒng)完善、開放共享”的虛擬仿真實驗教學(xué)課程體系。

3 中心的特色與創(chuàng)新

中心結(jié)合華南理工大學(xué)的學(xué)科優(yōu)勢與廣東省光電技術(shù)產(chǎn)業(yè)的優(yōu)勢,形成了鮮明的辦學(xué)特色。

(1) 中心遵循“寓教于研、虛實結(jié)合、教研相長、師生共贏”的理念,充分發(fā)揮國家級科研平臺對虛擬實驗教學(xué)的支撐和促進(jìn)作用,將雄厚的科研實力轉(zhuǎn)化為優(yōu)質(zhì)的本科實驗教學(xué)資源。多個“973”“863”重大科研項目的部分研究內(nèi)容已經(jīng)轉(zhuǎn)化為中心的虛擬實驗教學(xué)內(nèi)容。這些高水平課題中的虛擬仿真內(nèi)容向本科實驗教學(xué)的轉(zhuǎn)化,拓展了實驗教學(xué)范圍,豐富了實驗教學(xué)內(nèi)容,對于拓展學(xué)生的專業(yè)知識面、培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力起到了重要的作用。學(xué)生在獲得相應(yīng)的專業(yè)技術(shù)知識之后,積極參與科研活動,對科研項目的研究也起到了促進(jìn)作用。

(2) 以國家和廣東省戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)應(yīng)用為引導(dǎo),依托龍頭企業(yè)和優(yōu)秀的校友資源為本科虛擬實驗教學(xué)服務(wù),與地方經(jīng)濟發(fā)展結(jié)合,提高中心的辦學(xué)水平與社會影響力。華南地區(qū)是我國最大的光電技術(shù)產(chǎn)業(yè)基地,有巨大的產(chǎn)業(yè)市場和廣泛的產(chǎn)業(yè)界校友人脈資源,為中心的“立足產(chǎn)業(yè)”辦學(xué)理念提供了得天獨厚的條件。目前,中心已經(jīng)和多家大型企業(yè)建立了戰(zhàn)略合作關(guān)系,在光電顯示領(lǐng)域,與我國3個彩電龍頭企業(yè),創(chuàng)維集團(tuán)、TCL集團(tuán)及康佳集團(tuán)建立了長期合作關(guān)系。在半導(dǎo)體照明領(lǐng)域,中心與廣東的上百家企業(yè)(包括木林森股份有限公司、廣東三雄照明股份有限公司等)建立了合作關(guān)系。中心一方面與企業(yè)開展合作,利用企業(yè)在工程應(yīng)用方面的優(yōu)勢擴充實驗教學(xué)資源(如與廣東三雄照明股份有限公司共建照明效果設(shè)計仿真實驗教學(xué)平臺)；另一方面,充分發(fā)揮高校服務(wù)產(chǎn)業(yè)的職能,為近百家企業(yè)提供了針對光電材料與器件虛擬仿真方面的技術(shù)培訓(xùn)和技術(shù)支持。通過上述活動,使中心在廣東省光電技術(shù)產(chǎn)業(yè)界具有較大的影響力。

(3) 中心以先進(jìn)功能材料國際聯(lián)合實驗室和高分子塑料光電材料國家引智基地為支撐,大力開展與國際一流大學(xué)的合作交流,將國際前沿科學(xué)有機融入虛擬實驗教學(xué),大力促進(jìn)中心與國際接軌。目前已與美國加州大學(xué)、英國劍橋大學(xué)、英國帝國理工大學(xué)、美國阿克隆大學(xué)等10多個國外知名高校建立了合作關(guān)系。通過密切的國際學(xué)術(shù)交流與合作、外教短期講課、人才交流與引進(jìn)等多種方式,將國外在光電材料與器件領(lǐng)域的先進(jìn)經(jīng)驗融入中心的虛擬仿真實驗教學(xué)中。

4 中心建設(shè)的效果和示范效益

中心已建設(shè)9個虛擬仿真教學(xué)平臺,共涉及25門相關(guān)課程,包含48個虛擬仿真實驗項目。中心除面向校內(nèi)開放外,還和其他高校或企業(yè)建立了廣泛的合作與交流,承擔(dān)校外的實驗教學(xué),起到了良好的示范輻射作用。中心對人才培養(yǎng)的教學(xué)效果主要體現(xiàn)在以下方面:

(1) 承擔(dān)了我校光電信息科學(xué)與工程、電子科學(xué)與技術(shù)、高分子材料與工程、材料科學(xué)與工程、應(yīng)用物理6個專業(yè)，每年為18個本科班,超過600人提供虛擬實驗教學(xué),年均授課約10 000人時。

(2) 通過“虛實結(jié)合”拓寬了學(xué)生的專業(yè)視野,提高了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力。近3年來,中心在本科生創(chuàng)新能力培養(yǎng)方面取得了豐碩的成果。以本科生為第一作者在國際知名期刊上(包括Journal of Materials Chemistry C、Scientific Reports等)發(fā)表論文28篇。以本科生為主申請發(fā)明專利32項,其中實用新型專利21項。學(xué)生參加各類學(xué)術(shù)、科技競賽,獲國家級獎22項、省級獎31項。

(3) 虛擬仿真實驗教學(xué)資源除對校內(nèi)師生開放外,還和其他高校建立了合作關(guān)系,參與其他高校的實驗室建設(shè),實現(xiàn)了校內(nèi)外資源共享。中心已經(jīng)為東莞理工學(xué)院、佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院等30多所高校提供虛擬仿真實驗教學(xué)超過2 000人次。

(4) 在新型顯示與半導(dǎo)體照明的虛擬仿真技術(shù)領(lǐng)域,為企業(yè)開展短期培訓(xùn),已經(jīng)為深圳、中山、東莞、佛山、江門、惠州等多地的多家光電企業(yè)開展技術(shù)培訓(xùn),培訓(xùn)人數(shù)超過3 000人。

5 結(jié)語

光電材料與器件國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心堅持“立足產(chǎn)業(yè)、創(chuàng)新為先、虛實結(jié)合、合作共享”的教學(xué)理念,在虛擬仿真實驗體系建設(shè)、實驗教學(xué)特色、學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)、服務(wù)產(chǎn)業(yè)等方面取得了豐碩的成果,得到了校內(nèi)外專家及業(yè)界的一致好評。中心將進(jìn)一步緊密依靠華南理工大學(xué)相關(guān)學(xué)科和科研成果的優(yōu)勢,結(jié)合廣東省光電技術(shù)產(chǎn)業(yè)的優(yōu)質(zhì)資源,把中心建設(shè)為培養(yǎng)高素質(zhì)、創(chuàng)新型光電技術(shù)人才的重要平臺。

References)

[1] 徐送寧,岱欽,黃月,等. 基于光電產(chǎn)業(yè)需求的光電信息科學(xué)與工程專業(yè)的改革與實踐[J]. 高教學(xué)刊,2016(3):232-235.

[2] 文尚勝,姚日暉,彭俊彪,等. 信息顯示與光電技術(shù)國家特色專業(yè)規(guī)劃與實踐[J]. 華南理工大學(xué)學(xué)報(社會科學(xué)版),2013, 15(2):118-122.

[3] 張海明,尚可可,高貴,等. 地方高校工程應(yīng)用型光電信息科學(xué)與工程專業(yè)人才培養(yǎng)的探索與實踐[J]. 物理與工程,2015, 25(2):89-92.

[4] 翟永杰,紀(jì)蓬勃,王秀梅,等. 電力工程全過程虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)[J]. 實驗技術(shù)與管理,2014, 31(8):6-8.

[5] 黃英群,王秀娥,俱海浪,等. 計算機仿真實驗在物理實驗教學(xué)中的作用[J]. 大學(xué)物理實驗,2011, 24(2):91-92.

[6] 呂正. 虛擬仿真實驗在實驗中的應(yīng)用[J]. 大學(xué)物理實驗,2010, 23(4):59-62.

[7] 教育部高教司. 關(guān)于開展國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)工作的通知高教函[2013]94號[Z].2013.

[8] 李亮亮,趙玉珍,李正操,等. 材料科學(xué)與工程虛擬仿真實驗教學(xué)中心的建設(shè)[J]. 實驗技術(shù)與管理,2014, 31(2):5-8.

[9] 沈建華,李飛,程崇虎,等. 通信與信息網(wǎng)絡(luò)國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)與實踐[J]. 實驗室研究與探索,2015, 34(1):161-164.

[10] 李炎鋒,杜修力,紀(jì)金豹,等. 土木類專業(yè)建設(shè)虛擬仿真實驗教學(xué)中心的探索與實踐[J]. 中國大學(xué)教學(xué),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

姚日暉(1981—),男,湖南漣源,博士,副教授,光電材料與器件國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心常務(wù)副主任,主要從事光電材料與器件領(lǐng)域的教學(xué)、科研工作.

E-mail:yaorihui@scut.edu.cn

G482

A

1002-4956(2017)3-0001-03

編者按: 國家級實驗教學(xué)示范中心經(jīng)過10余年的建設(shè)取得了豐碩成果,積累了豐富經(jīng)驗。本刊《特約專欄》將陸續(xù)刊登有關(guān)專家、教授的文章,介紹國家級實驗教學(xué)示范中心建設(shè)發(fā)展的情況。由于虛擬仿真技術(shù)發(fā)展迅速,國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)發(fā)展情況為廣大讀者所關(guān)注,我們也將給予較集中報道。本期《特約專欄》刊登了華南理工大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、山東英才學(xué)院和遼寧大學(xué)有關(guān)專家教授的文章,他們所介紹的經(jīng)驗很有參考價值,值得一讀。