王世燕，袁順東，張亞萍，阮可欣

(中國石油大學(xué)(華東) 理學(xué)院，山東 青島 266580 )

隨著信息技術(shù)發(fā)展，作為傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一種有效補(bǔ)充，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)已經(jīng)成為加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)、提高教學(xué)質(zhì)量的重要手段[1-3]。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容建設(shè)可包含兩個方面：一是操作模擬，即以實(shí)體實(shí)驗(yàn)為依托，通過構(gòu)建虛擬的實(shí)驗(yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)操作環(huán)境等完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的遠(yuǎn)程操作；二是數(shù)值模擬，即以實(shí)體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為依托，通過建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，從微觀層面解釋實(shí)驗(yàn)原理。其中，以虛擬操作為主體的仿真實(shí)驗(yàn)可以實(shí)現(xiàn)實(shí)體實(shí)驗(yàn)不具備或難以完成的教學(xué)功能，有效避免因各種外在因素而缺失的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，如涉及放射源[4]、管道爆破[5]等。而當(dāng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容涉及分子構(gòu)象變化[6]、分子表面吸附[7,8]等過程時(shí)，數(shù)值模擬方法則能在微觀層面提供實(shí)驗(yàn)中難以觀察和檢測到的動力學(xué)信息，強(qiáng)化學(xué)生的知識構(gòu)建和學(xué)習(xí)效率。因此，仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的建設(shè)具有深遠(yuǎn)的現(xiàn)實(shí)意義和推廣應(yīng)用價(jià)值[9]。

液晶顯示是目前平板顯示的一種主流技術(shù)，液晶顯示器件結(jié)構(gòu)及其制備工藝是決定液晶顯示質(zhì)量的關(guān)鍵因素?！耙壕骷苽浼半姽庑?yīng)測試綜合實(shí)驗(yàn)”(以下簡稱“液晶綜合實(shí)驗(yàn)”)是一門將理論與工程訓(xùn)練相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，對于提升學(xué)生動手實(shí)踐能力、培養(yǎng)綜合素質(zhì)人才具有重要意義。在實(shí)際開課過程中由于實(shí)驗(yàn)器材維護(hù)費(fèi)用高、實(shí)驗(yàn)流程繁瑣、操作時(shí)間過長等因素不易開展大面積教學(xué)?；谏鲜霈F(xiàn)實(shí)問題，中國石油大學(xué)(華東)物理實(shí)驗(yàn)中心(以下簡稱“中心”)將虛擬仿真技術(shù)引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，構(gòu)建了“液晶器件制備及電光效應(yīng)測量虛擬仿真綜合實(shí)驗(yàn)”操作平臺，同時(shí)將分子模擬方法引入液晶特性原理的研究中，從微觀層面解釋液晶電光特性原理，強(qiáng)化學(xué)生的知識構(gòu)建，提升學(xué)生的創(chuàng)新思維，以期實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)與實(shí)踐育人的有機(jī)結(jié)合。

1 液晶綜合實(shí)驗(yàn)虛擬仿真教學(xué)設(shè)計(jì)

以中心目前開設(shè)的工科大學(xué)物理實(shí)體實(shí)驗(yàn)“液晶器件制備綜合實(shí)驗(yàn)”和“液晶電光效應(yīng)實(shí)驗(yàn)”為依托，分別從實(shí)驗(yàn)過程的虛擬仿真操作及實(shí)驗(yàn)原理的數(shù)值模擬兩個方面進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容建設(shè)，如圖1所示。

圖1 液晶器件制備及電光效應(yīng)測試虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

2 液晶器件制備虛擬仿真操作平臺建設(shè)

2.1 虛擬實(shí)驗(yàn)平臺構(gòu)建及運(yùn)行方式

借助現(xiàn)代虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，包括實(shí)驗(yàn)環(huán)境、實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備及實(shí)驗(yàn)信息資源等。采用VR沉浸式、PC單機(jī)版、網(wǎng)絡(luò)版三種模式實(shí)現(xiàn)虛擬操作。其中，VR沉浸式適合常規(guī)化教學(xué)模式，可針對實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)較弱的學(xué)生開展教學(xué)，教師在課堂上進(jìn)行引導(dǎo)性講解，并進(jìn)行部分示范性操作，隨堂指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行操作學(xué)習(xí)，如圖2所示。

圖2 VR沉浸式虛擬仿真課堂演示

PC單機(jī)版適合為實(shí)驗(yàn)?zāi)芰^強(qiáng)的學(xué)生實(shí)施教學(xué)，主要采用“雨課堂”翻轉(zhuǎn)式課堂教學(xué)模式，以部分實(shí)驗(yàn)?zāi)芰^強(qiáng)學(xué)生為操作主體，帶動其他學(xué)生完成自主學(xué)習(xí)；網(wǎng)絡(luò)版可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程開放，學(xué)生通過遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)訪問登陸進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)自主學(xué)習(xí)，完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告并自主提交。虛擬實(shí)驗(yàn)可以進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)操作，通過反復(fù)訓(xùn)練達(dá)到熟練掌握液晶器件制備流程的目的。

2.2 虛擬實(shí)驗(yàn)平臺內(nèi)容建設(shè)

該實(shí)驗(yàn)操作分學(xué)習(xí)模式和考核模式，在學(xué)習(xí)模式中，根據(jù)液晶器件實(shí)際制備流程，虛擬仿真操作分為10個模塊，各模塊既緊密聯(lián)系又互相獨(dú)立，直觀形象、操作靈活。其中，1-6模塊為設(shè)備認(rèn)知及液晶器件制備操作，7-10模塊為液晶器件性能測試研究，在該模式下，實(shí)驗(yàn)的每步操作都會有相應(yīng)的提示，包括參數(shù)設(shè)置、儀器選擇等。考核模式增加了在線考核模塊，要求學(xué)生根據(jù)之前的學(xué)習(xí)自主完成實(shí)驗(yàn)。圖3為虛擬仿真平臺上的液晶盒制備操作過程。具體內(nèi)容如下：

(1)實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備認(rèn)知模塊

通過鼠標(biāo)移動直觀認(rèn)知所用各個實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備，了解不同儀器設(shè)備的應(yīng)用功能。

(2)實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備模塊

熟悉液晶器件制備前的準(zhǔn)備工作，了解液晶材料的儲存，ITO玻璃清洗及導(dǎo)電面確定等。

(3)鍍PI取向膜模塊

將涂有取向劑的ITO玻璃基片放置到旋涂機(jī)中，設(shè)定轉(zhuǎn)速2 500 r/min左右，并設(shè)定旋涂時(shí)間約60 s，見圖3(a)。將旋涂好的ITO玻璃放置到恒溫箱中進(jìn)行固化，固化溫度分別設(shè)為80 ℃和200 ℃，恒溫時(shí)間分別為30 min和120 min，結(jié)束后將恒溫箱門打開，使基片恢復(fù)到室溫。

(4)摩擦取向模塊

將固化好PI取向膜的液晶基片放置到滑臺機(jī)上，打開空氣壓縮機(jī)，設(shè)置摩擦深度(0.1 mm

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