SeeLight光學虛擬仿真實驗平臺設計與應用

寧 禹，程湘愛，許中杰，孫 全，曾 翼，許曉軍，呂 品，吳楚鋒，徐帆江

（1. 國防科技大學 前沿交叉學科學院，湖南 長沙 410073；2.中國科學院 自動化研究所，北京 100087；3. 中國科學院 軟件研究所，北京 100087）

傳統光學實驗教學通常面臨以下4個方面的實際困難（見圖1）：①操作相對滯后。理論教學和實驗操作環節難以緊密銜接，學生在課堂上學到知識后不能夠隨學隨練、趁熱打鐵，待到開展實驗時相關知識已經生冷，使理論授課效果大打折扣。②實驗難度大。實驗環境潔凈度要求高，光學元件易損壞、價格貴，實驗條件建設成本高昂。③缺乏創新平臺。由于元器件數量和種類有限，有些光學實驗無法在實驗平臺上開展，學生也無法按照自己的想法搭建光學系統，好奇心難以得到滿足，創造性思維得不到培塑。④個人能力評價不全面。教師難以跟蹤和記錄每一名學生開展實驗的具體過程，如果實驗現象和結論有誤，難以究其原因。

虛擬仿真實驗是順應教學信息化趨勢發展起來的一種新型教學模式[1-2]，它利用虛擬現實和仿真技術突破實驗條件限制，利用人—機雙向交互豐富實驗教學方法，具有直觀可視、趣味性強、與現代信息技術緊密結合等優勢，是解決傳統光學實驗教學困難的有效途徑[3-4]。

圖1 傳統光學實驗面臨的實際困難分解圖

2011年，國防科技大學高能激光技術研究所聯合中國科學院軟件研究所共同研發了SeeLight光學虛擬仿真實驗平臺（以下簡稱SeeLight）。從2017年開始，國防科技大學將SeeLight試用于“應用光學”課程虛擬仿真實驗教學。本文闡述了SeeLight的設計思想、構建過程及主要教學功能，探討了基于該平臺開展虛擬仿真實驗教學的教學方法，分析了依托平臺教學輔助功能開展智能化、個性化教學的實施要點，最后綜合評價了平臺的應用成效。

1 設計思想與實施要點

針對光學學科概念抽象、可視化要求高、應用性強、實踐需求大的特點，本研究設計構建“虛實結合、以虛補實”的多元化課程實驗資源[5]，解決傳統光學實驗教學中操作相對滯后、成本高、限制多的問題；探索實踐“全程跟蹤、量化評價”的實驗教學評價方法，解決傳統實驗教學中個人能力評價不全面、個性化教學困難等問題[6]。SeeLight兼具虛擬仿真實驗功能與教學輔助功能，其設計要點包括以下幾個方面：

（1）專業性強。虛擬仿真實驗教學具有直觀可視、趣味性強、不受時空限制、與現代信息技術緊密結合等優勢，但是傳統的以 Flash和三維動畫為主導、側重于情景展示的實訓類虛擬仿真軟件，因其缺乏理論模型與計算支撐，并不能真正滿足高等學校基礎教學需求。因此，SeeLight設計首先要確保仿真模型的專業性、仿真過程的合理性和仿真結果的準確性，其相關仿真結果要能夠與ZEMAX、VirtualLab等行業認可度較高的光學類虛擬仿真軟件計算結果相互校驗。

（2）契合度高。充分利用SeeLight的自主研發優勢，根據課程特點和知識點掌握需要，逐步構建課程專屬光學元件和教學案例庫，不斷增強該平臺與實驗教學的契合度，通過仿真實驗加深學生對課程重點、難點知識的理解，提升學生運用這些知識解決實際問題的能力。

（3）融合度深。虛擬仿真技術的應用給光學實驗教學帶來了便利，但是虛擬仿真軟件與雨課堂、課立方等通用教學輔助軟件之間的融合度普遍不高，導致虛擬仿真過程相對獨立、不能與其他教學環節無縫對接[7]。SeeLight將虛擬仿真技術與教學輔助功能有機結合，構建專業化、智能化的綜合性教學輔助平臺，使仿真實驗教學與課下導學成為一個有機整體，有效解決了上述問題。

2 建模與虛擬仿真實驗

SeeLight兼顧基礎實驗教學與創新實踐需求，既可以驗證基本光學原理、仿真經典光學系統，又可以對“新思路、新想法、新實驗”快速仿真可視化。

2.1 基礎實驗教學

對于課程的重點知識，教師可以利用仿真平臺將抽象的理論公式和光學系統結構快速地轉化為虛擬光學實驗系統，通過可視化的仿真結果加深學生對光學原理（圖2）的理解[8-9]。

圖2 人眼通過開普勒望遠鏡對遠處物體成像系統框圖

以“應用光學”課程的重點知識——開普勒望遠鏡為例。該課程要求學生掌握開普勒望遠鏡的結構原理及視放大率公式。通過教師課堂講授學生了解到：理想情況下，開普勒望遠鏡的物鏡和目鏡均為凸透鏡，且物鏡的像方焦點與目鏡的物方焦點重合；望遠鏡的視放大率等于物鏡和目鏡的像方焦距之比。但是，開普勒望遠鏡在實際使用中往往會遇到一些“非理想”情況，例如物鏡的像方焦點和目鏡的物方焦點不重合、盡管視放大率滿足需求但是通過望遠鏡觀察到的目標圖像仍模糊不清等。如果對這些“非理想”情況缺乏思考和認識，學生就無法靈活、正確地使用開普勒望遠鏡。

在實際使用中，影響開普勒望遠鏡成像效果的因素有很多，如物鏡和目鏡的口徑、相對位置及二者像方焦距之比等。如果基于傳統光學實驗分析上述因素對成像效果的影響，就要采用不同口徑和不同焦距的透鏡來搭建開普勒望遠鏡系統，需要配備的光學透鏡比較多，實驗成本高，需要重復構建相同結構的望遠鏡系統，實驗效率低。

基于 SeeLight分析上述問題將大大節約實驗成本、提高實驗效率。首先，與物理圖景相對應，教師指導學生在SeeLight仿真平臺上構建開普勒望遠鏡目視光學系統。利用平臺的并行分析功能，學生可以同時搭建多個結構相似的光學系統，通過把不同的球面透鏡參數和透鏡相對位置輸入仿真模型中，可以一次性計算得到多個結果，從而對比分析各個參數對成像效果的影響（如圖3和圖4所示）。

圖3 SeeLight平臺球面透鏡參數輸入界面

圖4 成像效果影響因素并行分析仿真系統及仿真結果

2.2 創新能力培養

對學有余力的學生進行適當的知識拓展，教師可以鼓勵他們自主創建模型探索未知問題，并結合仿真結果加以引導，啟發他們進行更深入的思考[10-11]。

以第六屆全國大學生光電設計競賽為例。我校學生應用課程中學到的光場相機相關知識，基于SeeLight平臺快速優化系統設計方案，研究圖像處理算法，在有限時間內成功解決了透過障礙物成像問題，如圖5所示，從而在全國108所高校392支參賽隊伍中勝出，獲得一等獎。

在基于SeeLight平臺開展仿真實驗過程中，學生具有很大的自主性，可以創建獨立賬戶和個性化的虛擬實驗空間，靈活變換光學元件和系統的結構參數，從不同的角度對感興趣的問題開展仿真分析，仿真結果還可以與教師和其他同學在線交互共享。

圖5 光場相機隔物成像仿真實驗系統及仿真結果

3 教學輔助與教學評價

信息化教學的基本特征是開放、共享、交互與協作[12-13]。除了教學平臺和教學資源具有開放性之外，教學的各個環節之間也要實現信息和數據的互聯互通，為教師綜合運用多種信息技術開展教學一體化設計提供支撐。

為了進一步提升虛擬仿真實驗教學的信息化和智能化水平，打通專業仿真軟件與通用教學輔助軟件之間的信息壁壘，SeeLight在專業仿真模塊的基礎上增加了與教學過程深度融合的教學輔助功能，如圖6所示。通過SeeLight平臺不但可以開展專業化的仿真訓練，還能夠在線跟進評測仿真結果、共享課程資源、進行知識點問答和布置仿真任務。

3.1 教學輔助功能

通用教學輔助軟件的主要功能是課前輔助教學設計、課上實現教學互動及課后完成教學評價。除了具備這些基本功能之外，SeeLight教學輔助模塊的鮮明特點就是與專業仿真計算模塊緊密對接。學生基于仿真實驗平臺形成的仿真模型及計算結果可實時在線共享，便于師生之間或小組成員之間針對仿真案例進行深入交流和討論。學生也可通過團隊協作形式，共建仿真工程，迭代優化仿真結果。

基于上述教學輔助功能開展仿真實驗混合式教學模式研究主要包括3個環節：在自主學習環節，學生根據教師布置的任務目標，利用平臺資源開展自主學習，并完成在線知識評測；在實驗教學環節，教師根據平臺反饋的學習情況，有針對性地講授重點難點知識，指導學生開展建模和綜合仿真實踐，通過仿真案例研討和講評答疑加深學生對知識點的理解；在課后跟進提升環節，學生基于在線平臺完成仿真任務，教師提出改進建議并跟進輔導，掃除學生的知識盲區。

這3個環節緊密銜接、環環相扣，使看似零散的實驗教學過程成為一個有機整體。具體來說，學生課前基于SeeLight平臺完成仿真訓練任務后，將仿真結果和問題及時反饋給教師，相關問題將作為實驗教學環節的教學重點。在重難點剖析和案例研討兩個部分，教師可以通過在線調取問題列表、運行仿真案例，剖析問題產生的原因，結合課程內容闡釋相關概念和光學原理，強化學生對課程知識的理解；隨堂互動和講評答疑兩個部分采用客觀題眾答、搶答以及主觀題設錯糾錯、頭腦風暴等形式，活躍課堂學習氣氛，調動了學生的學習積極性，能夠鼓勵學生勇于嘗試、大膽實踐，引導他們應用課程知識解決實際問題。

圖6 基于SeeLight的混合式虛擬仿真實驗教學模式

3.2 教學評價功能

SeeLight教學評價包括學生對課程知識掌握程度評價、實驗效果評價以及教師教學效果評價3個維度。其中，知識掌握程度評價和教師教學效果評價可以通過在線測試及調查問卷的方式進行統計整理，而實驗效果評價要相對復雜，其原因主要在于學生學習行為數據的提取困難，具體體現在3個方面：①提取難度高。學習行為難以數字化表示，需要定義完整的規則與算法。②工作量大。學習行為數據量較大，無法手工收集統計。③數據實時性高。學習行為隨時隨地可能發生，對數據的實時性要求較高。

針對實驗效果評價困難問題，SeeLight采用大數據分析及云計算功能，動態監控、收集學習行為數據，通過自主定義的評價規則和算法，由服務器根據算法自動完成復雜的計算過程，再通過大數據分析形成可視化報表。這種做法既避免了人工評價的主觀性，保證所有學生在一個標準、一個體系下獲得客觀評價，又將枯燥、繁復的數據轉化為具有統計特性的直觀可視的數據表、點線圖等。

基于上述教學評價功能，SeeLight能夠開展較全面、客觀的實驗效果評價。具體實現過程如下：課前教師根據實驗教學的知識點定制規則算法，將構建仿真系統必須使用的核心光學元件設置為較高權重，包括其使用次數和使用正確率；仿真實驗過程中，SeeLight通過采集學生在平臺上的瀏覽操作、鼠標鍵盤輸入、實驗系統搭建、仿真計算結果等各類數據，利用大數據分析技術進行提煉和統計，依據權重規則計算元件使用正確率、元件搭配使用正確率、仿真工程得分等指標，并將統計結果以可視化學習行為分析報表的形式推送給教師，如表1所示。

表1 可視化學習行為分析報表

教師通過知識點分析可以掌握每個學生的學習情況，針對學生的強項、弱項給出個性化的學習建議，并根據整體學生對課程知識點的掌握情況，及時調整實驗內容和教學重點。

4 結語

SeeLight將虛擬仿真實驗技術與教學輔助功能有機結合，構建了專業化、智能化的實驗教學平臺，兼顧了基礎實驗教學與創新能力培養需求，實現了仿真實驗與其他教學環節的無縫對接。通過精確跟蹤學習行為、量化評價學習效果，SeeLight推動了光學實驗教學向個性化、精準化方向發展。基于SeeLight平臺開展混合式實驗教學，有效提升了學生的學習積極性和自主性，也為教師進一步研究實驗教學技術提供了有力支撐。