摘要：為真實實驗提供有益補充為原則，通過設計實驗過程、構(gòu)建實體模型并采用萬維引擎虛擬仿真軟件，制作含有動畫教學，交互式操作和考核三個部分的凈化間虛擬仿真實驗，并應用在電子封裝本科教學中，提高學生的實踐參與度和學習興趣，解決實踐教學缺失問題，培養(yǎng)學生規(guī)范操作意識，將專業(yè)知識立體化，對豐富教學內(nèi)容，提高實踐教學質(zhì)量，增強學生的自主學習能力和創(chuàng)新實踐能力都具有良好效果。

關(guān)鍵詞：電子封裝；虛擬仿真實驗；凈化間；教學設計

中圖分類號：G642.0文獻標識碼：A

近年來，教育部積極推進新工科建設，要求將相關(guān)學科專業(yè)發(fā)展前沿成果、最新要求融入人才培養(yǎng)方案和教學過程[1～3]。為響應教育部號召，哈爾濱工業(yè)大學提出新工科‘Π型’方案，強調(diào)了“專業(yè)+行業(yè)”的培養(yǎng)目標，即充分發(fā)揮實踐教學在培養(yǎng)學生實踐能力、創(chuàng)新能力、綜合素質(zhì)等方面的作用，培養(yǎng)面向未來技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的復合型工程領(lǐng)軍人才[4]。

虛擬仿真實踐教學已經(jīng)成為新工科為背景的教學體系中的堅實力量[7]。與許多工科院校一樣，電子封裝專業(yè)也存在實驗室設備更新?lián)Q代緩慢，實習效果不佳甚至缺失等客觀問題[5-6]。尤其封裝工藝實驗中的各種互連結(jié)構(gòu)又隱藏在芯片內(nèi)部，無法實時觀測形成直觀認識，妨礙了學生對課程內(nèi)容的理解和貫通，無法從實踐中真正獲益。虛擬仿真技術(shù)的出現(xiàn)，成為解決這一問題行之有效的手段[8-10]。

通過對虛擬現(xiàn)實、多媒體、人機交互、數(shù)據(jù)庫等技術(shù)綜合運用，將抽象的內(nèi)容形象化、微觀的內(nèi)容放大化、隱藏的內(nèi)容可視化[11-12]，建立貼近產(chǎn)業(yè)涵蓋電子封裝原理、方法、工藝和設備的可聽、可視和可操作的虛擬仿真實驗資源，彌補電子封裝技術(shù)專業(yè)實踐教學資源的不足，對提升電子封裝、制造行業(yè)的發(fā)展和創(chuàng)新具有重要現(xiàn)實意義。

1虛擬仿真在實踐教學中的實用價值

虛擬仿真實驗的實施，能夠提高學生對教學內(nèi)容的參與度和積極性，實現(xiàn)專業(yè)與產(chǎn)業(yè)的有效結(jié)合，形成更加完善、整體的知識框架。

1.1加深專業(yè)與行業(yè)的有機結(jié)合

通過創(chuàng)建虛擬仿真實驗資源，有利于還原真實工作場景，使實驗操作與產(chǎn)業(yè)實訓接軌，且不受時間、容量的限制，讓學生在掌握基本專業(yè)知識的同時，更直觀的熟悉工程實際，獲得與實訓相同或相近的效果。反過來，通過虛擬實驗與現(xiàn)實之間的優(yōu)勢互補和資源共享，完善的虛擬仿真實驗資源可以承接企業(yè)工程師培訓任務，服務員工培訓。

1.2提升實踐能力

為培養(yǎng)適應經(jīng)濟和社會發(fā)展的工程型人才，必須注重實踐能力的培養(yǎng)[13-14]。將理論與實踐相結(jié)合能夠讓學生更好地理解課程知識，在實操中熟悉產(chǎn)業(yè)安全規(guī)范，培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力。完成凈化間的虛擬仿真實驗培訓，將提高學生的專業(yè)素質(zhì)能力，提升實踐操作技能及生產(chǎn)安全意識，為以后的工作打下良好基礎(chǔ)。

1.3提高實驗教學質(zhì)量

仿真軟件的多功能性，使學生在仿真實驗中可以將看、聽與操作相結(jié)合，充分調(diào)動大腦，極大提高學生的積極性和參與度[15]。實驗中多重形式的考核方式及錯誤提示，使學生能更快速的發(fā)現(xiàn)錯誤，即時修正錯誤，甚至快速的重復學習，進而加深學生對實驗操作及理論知識的認知和掌握程度，高質(zhì)量的完成實驗教學目標和學習任務。

2凈化間虛擬仿真實驗的設計

2.1凈化間實驗的重要性

電子行業(yè)如晶圓制造、器件封裝等生產(chǎn)過程，需要在不同級別的凈化間（Cleanroom，也稱超凈間）中完成。凈化間是保證機器設備持續(xù)運行、電子產(chǎn)品合格率以及可靠性的最重要手段，對內(nèi)部溫度、濕度及微塵有嚴苛要求，其空氣過濾以及人員進出均需要遵守嚴格的操作規(guī)范，維護成本高昂。

課程中僅涉及凈化間定義、分級等少量理論知識，不能讓學生對其結(jié)構(gòu)和組成的作用有立體的理解。而在生產(chǎn)實習中，因時間有限，企業(yè)往往將介紹的著重點放在凈化間內(nèi)的生產(chǎn)設備上，致使學生只知按要求進出凈化間，對其作用和重要性的認識不到位。實際上，往往因為不重視而不了解凈化原理，致使?jié)崈舫潭炔荒鼙３郑斐闪计仿氏陆?，危害生產(chǎn)。因此讓學生更近距離接觸生產(chǎn)前線，提高學生的實踐能力和專業(yè)素質(zhì)，構(gòu)建了凈化間虛擬仿真實驗，作為實體實驗的有益補充。

2.2虛擬仿真實驗的設計思路

構(gòu)建的凈化間虛擬仿真實驗包括以下三部分：

（1）教學部分。將行業(yè)安全與凈化間的知識點融合，并融入聲音、動畫介紹防火、抗靜電、空氣過濾、照明、振動防護等凈化間內(nèi)外結(jié)構(gòu)及空氣凈化機理，加深學生對凈化間的立體認知，提高學生的專業(yè)素質(zhì)；

（2）實操部分。以游戲角色的形式，讓學生操作角色，完成更換防護服，進、出風淋室，凈化間參數(shù)調(diào)控等任務，提高學生對實際操作規(guī)范的理解和掌握，提升學生的實踐能力。

（3）評價部分。根據(jù)知識點和操作規(guī)范設置考核模塊，突出實時評價體系的作用，考核后提供分數(shù)提示，促進學生的反思和改進，提升學生的自主學習能力。

3凈化間虛擬仿真實驗的模型構(gòu)建

通過創(chuàng)新實驗課程“電子封裝創(chuàng)新工坊”，指導學生學習萬維引擎虛擬仿真軟件，根據(jù)設定的虛擬仿真實驗內(nèi)容，在年度項目中完成凈化間虛擬仿真實驗的模型構(gòu)建。

首先采用UG等軟件進行場景建模。建模更衣間、風淋室和凈化間場景，根據(jù)不同場景所承載的功能，為其各自的內(nèi)置設備進行建模，如在更衣室內(nèi)構(gòu)建鞋柜、無塵衣柜；在凈化間內(nèi)構(gòu)建傳遞箱、壓力平衡器、燈具及濾網(wǎng)等；在風淋室構(gòu)建濾網(wǎng)與風淋空調(diào)。然后導入3DMAX軟件進行形狀調(diào)整、材質(zhì)貼圖，將基本的幾何體轉(zhuǎn)換為仿真目標模型，呈現(xiàn)凈化間的全貌。

將構(gòu)建好的模型和相關(guān)素材導入萬維引擎V3.0虛擬仿真軟件中，添加適合的燈光效果，在軟件中搭建出三維虛擬場景，隨后調(diào)整具體模型的軌跡、運動、功能、相機參數(shù)，再進行特效渲染和輸出檢測，形成所需的三維動畫。另外，還加入人物模型作為系統(tǒng)內(nèi)人物角色，通過軟件中攝像機的切換，調(diào)整操作者的視角和虛擬角色的穿著，方便學生將自己代入其中進行實驗操作。同時設定鍵盤按鍵對應角色的漫游行為，如w對應前進，q-定義為左轉(zhuǎn)，并設定移動速度等。隨后，按照操作任務定義系統(tǒng)內(nèi)的交互邏輯，制作界面，設定與系統(tǒng)內(nèi)對象的交互關(guān)系等等，這些定義可以使學生自由方便地操作虛擬場景中的對象，進而觸發(fā)環(huán)境變量，即動畫，完成操作任務。為實驗過程順利進行，還需在操作的過程中，以彈出窗口的形式，配備必要的文字和圖像指引，輔助學生獨立完成給定的實驗操作任務，從而達到人機交互實驗教學的目的。制作的內(nèi)容可以發(fā)布為帶數(shù)據(jù)文件的可執(zhí)行文件，無需安裝軟件，打開可執(zhí)行文件即可完成學習和操作。

4凈化間虛擬仿真實驗的應用

4.1教學應用

在專業(yè)課程中以凈化間實驗學習作為題目，讓同學搜索凈化間的相關(guān)知識，包括靜電防護、凈化原理、結(jié)構(gòu)及作用等，并制作PPT進行課堂展示。再分別邀請晶圓代工廠和電子封裝廠的行業(yè)導師，講解各自企業(yè)凈化間的潔凈度等級要求，對凈化間內(nèi)氣體、溫度的設置要求以及凈化間相關(guān)的生產(chǎn)案例。與行業(yè)導師互動，可以讓學生了解不同制程對潔凈度的需求，掌握行業(yè)上下游特點。最后，讓學生進行凈化間虛擬仿真實驗的操作。

凈化間虛擬仿真實驗操作時，先進行教學部分的學習，在凈化間的場景背景下下，以文字、立體結(jié)構(gòu)動畫的方式呈現(xiàn)凈化間內(nèi)、外空氣過濾組件、換衣間和風淋間特征及功用，讓學生頭腦中初步呈現(xiàn)各種立體結(jié)構(gòu)。

完成后，讓學生進入凈化間的交互式實驗操作部分，如圖1所示。采用虛擬仿真中視角的控制、人物的漫游、人稱切換等功能，讓學生操控虛擬角色進行前后移動及轉(zhuǎn)動，角色運動中按提示觀察所處環(huán)境、分辨設施，并與教學中動畫展示的立體結(jié)構(gòu)相呼應，讓學生在頭腦中形成凈化間的立體組裝。學生操控虛擬角色去逐個完成字幕提示的任務，包括用按鍵觸發(fā)預先設置的環(huán)境動畫，進行如換衣、進出風淋間、空氣過濾系統(tǒng)調(diào)控、靜電防護操作以及日常凈化間參數(shù)設置等任務，以便讓學生熟練掌握實驗操作的規(guī)范。簡單明了的“產(chǎn)品不合格”提示，增強了學生的好奇心和好勝心，進而讓學生通過重頭再來對流程更加熟練，甚至分享操作錯誤的原因，潛移默化的讓學生理解凈化間的重要性，并掌握實際生產(chǎn)操作流程。

學生完成角色操作，進入考核部分。進行選擇題答題。完成后，可以獲得即時的分數(shù)提示，讓學生判斷自己掌握的情況。

學生去企業(yè)進行生產(chǎn)實習時，當按照工作人員的指示，穿戴防護服進入凈化間，或者穿戴鞋套通過凈化間的參觀窗口進行產(chǎn)觀摩時，不再被動的接收知識，而是主動的印證和思考，進而強化專業(yè)知識，增強實踐技能。

4.2教學成效

凈化間虛擬仿真實驗是依托“電子封裝創(chuàng)新工坊”課程和年度項目，由專業(yè)教師進行虛擬仿真實驗的設計，再由學生實地參觀、學習虛擬仿真軟件并完成虛擬仿真實驗的全部構(gòu)建。目前，凈化間虛擬仿真實驗作為虛擬仿真實驗平臺的一環(huán)，已經(jīng)應用在專業(yè)核心課和選修課程的實踐教學中。因時間和水平有限，在仿真效果和交互式操作方案等方面還有待加強，在學生和授課教師的反饋和建議下，已經(jīng)對部分錯誤進行了修正。

問卷調(diào)查顯示多數(shù)學生認為實踐效果好，通過自主學習、項目匯報、實踐操作以及與企業(yè)導師的互動，對現(xiàn)實生產(chǎn)的了解更深入，對凈化間的凈化原理、設備操作及管理規(guī)范有了更全面的認識，能夠更好的把握專業(yè)特點，自身的專業(yè)素養(yǎng)、解決問題的能力都有很大提升。尤其在疫情時期，凈化間虛擬仿真實驗軟件簡便易用，補充了實踐經(jīng)驗，保證了特殊時期實踐人才的培養(yǎng)質(zhì)量。

后續(xù)將更多參考網(wǎng)上及其他工科院校的優(yōu)秀虛擬仿真實驗方案及模式，歸納總結(jié)經(jīng)驗，構(gòu)建更加完善、整體的凈化間虛擬仿真實驗，并開發(fā)更多的電子封裝涉及的機理及設備的虛擬仿真實驗，將設備放入凈化間，模擬真實生產(chǎn)場景，使操作更具多樣性，為學生的實踐教學提供有益補充和有力支持。

結(jié)語

創(chuàng)建凈化間虛擬仿真實驗資源，作為現(xiàn)實實踐教學的有益補充，在培養(yǎng)學生的專業(yè)素養(yǎng)和工程實踐能力方面發(fā)揮了極大的作用。凈化間虛擬仿真實驗能夠提高學生實踐參與度，鞏固學生專業(yè)知識的理解力。作為實際實驗的有益補充，虛擬仿真實驗可以提升學生對行業(yè)生產(chǎn)內(nèi)容的了解與掌握，并逐步提升學生的實踐、創(chuàng)新及解決問題的能力，保證了實踐教學質(zhì)量，有益于培養(yǎng)具備專業(yè)知識與產(chǎn)業(yè)技能的高層次、高素質(zhì)人才。

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基金項目：山東省教育廳本科高校教學改革研究項目（M2020168）；山東省教育廳本科高校教學改革研究項目（M2022276）

作者簡介：姚旺（1978-），女，博士，講師，主要從事碳材料制備及應用方面的研究。

*通迅作者：鐘博（1981-），男，博士，教授，主要從事碳材料制備及應用方面的研究。