面向个性化智能化的SeeLight光学虚拟仿真教学研究

宁禹程湘爱吕品

［摘要］虚拟仿真技术在教学领域应用不断深化，高等学校基础教学对虚拟仿真软件的需求主要有三个方面：一是专业性强；二是具有教学辅助功能；三是模块可以量身定制，满足特定人才培养需求。以SeeLight光学虚拟仿真平台教学版的研发和应用为例，阐述该综合性教学辅助平台的研发背景及意义，结合其在“应用光学”课程中的教学应用，研究如何将虚拟仿真技术与教学辅助功能深度融合，创新专业课程教学方法，提升教学的个性化、智能化和精准度，明晰教学实施要点，最后进行教学反思。

［关键词］虚拟仿真教学；教学智能化；SeeLight教学版；应用光学

［基金项目］2020年度教育部光电教指分委“一流课程与一流专业建设”教育教学研究项目（2020SYL26）

［中图分类号］G642.0［文献标识码］A［文章编号］1674-9324（2023）13-0000-04［收稿日期］2022-07-21

隨着虚拟仿真技术在教学领域的应用深化，各种门类的虚拟仿真教学软件层出不穷，但是真正能够满足高等学校基础教学需求的却很难找到，究其原因主要有三个方面［2-3］：一是专业性不够强。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，仅限于既有案例演示操作而不能灵活扩展，不能满足专业性较强的课程教学需求。部分专业性较强的光学类虚拟仿真软件（如ZEMAX、VirtualLab等）主要面向企业用户或科研院所开发，侧重产品设计和参数优化，基本原理和物理模型涉及较少，不适于辅助教学。二是教学辅助功能不够强。信息化教学的基本特征是开放、共享、交互与协作，许多通用教学辅助软件（如雨课堂等）基本实现了交互共享功能，而目前虚拟仿真软件大多采用单机版运行，没有网络版，仿真结果难以在线交互共享。仿真过程也缺乏跟踪和记录，教师难以根据学生的仿真学习行为发现其知识短板并给予个性化的学习建议。三是人才培养需求不同。如北京理工大学工程光学虚拟仿真教学系统是根据自身人才培养需求研发的，侧重多学科交叉融合，其多元化的学生培养思路并不一定适用于其它高校的光学专业课程授课。

在虚拟仿真教学软件功能不断面临新需求的同时，开展虚拟仿真教学对教师自身的教学水平也有着较高要求［4-5］。如何既保留传统教学方法的精髓、又适应教学信息化的发展趋势；如何立足于本学科的学科特点、系统地研究教学实践中存在的问题，并合理地运用虚拟仿真技术解决问题；在提升学生的学习效果和教学质量方面，有哪些虚拟仿真教学技术值得关注和深入研究。

基于作者所在教学团队长时间的本科教学实践积累以及对上述问题的思考，本文从“应用光学”课程教学实际需求出发，阐释自主研发SeeLight光学虚拟仿真平台的初衷与意义，并以该平台在“应用光学”教学中的应用为例，开展虚拟仿真教学技术研究与教学效果分析，最后进行教学反思。

一、“应用光学”教学遇到的困难

“应用光学”（也称“工程光学”，或作为“工程光学”的一部分）课程是高等院校光学工程专业本科核心课程，内容主要涉及几何光学基本理论、经典光学系统和现代光学系统的原理、结构设计以及应用。这门课程的特点是理论难度不大，但知识点较多、应用性强，学生普遍反映听课时可以听懂大部分知识点，但是遇到实际工程问题不知如何下手。

前期教学实践中，我们采用理论讲授与课程实验相结合的方式提升学生理论联系实际的能力，但是实验教学面临三个方面的问题：一是与理论教学不能紧密衔接。光学实验对调整精度、环境洁净度都有要求，需要到专用的光学实验室才能开展。这就导致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。二是限制较多。光学元件易损坏、价格贵，学生开展实验的器件损坏风险高。而且有大部分光学实验由于仪器设备的限制不能在实验平台上开展，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，创造性思维不能得到验证。三是个性化教学困难。教师难以跟踪和记录每一名学生做实验的具体过程，如果实验现象和结论有误，不知道问题出在哪里。难以兼顾不同层次的学生，对他们分别进行指导。

二、自主研发SeeLight光学虚拟仿真实验平台

为了解决应用光学教学中遇到的实际困难，我们将虚拟仿真技术引入教学过程，充分发挥虚拟仿真教学的技术优势，构建虚实结合、以虚补实的课程综合实践平融合，并尝试将虚拟仿真功能与教学辅助功能深度融合，助力“应用光学”课程教学。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开始研发Seelight光学虚拟仿真平台（以下简称SeeLight）。2017年，SeeLight教学版正式上线运行（网址：），目前已经在国防科技大学、复旦大学、武汉大