1、引言

进入二十一世纪以来，我国大力发展电子信息产业，各类电子产品的研发达到了前所未有的规模。在所有电子产品中，印刷电路板（PrintedCircuitBoard）作为电路与器件的重要载体，关系到产品的整体性能。2019年，我国大陆地区PCB制造业的产值已达329亿美元，占全球比重的53.7%。随着电子企业规模的不断扩大以及岗位分工的进一步细化，PCB工艺、PCB设计等岗位对人才的需求不断激增[1]。

为满足产业界对PCB相关人才的需求，福建江夏学院电子信息类专业开设了《PCB设计与制造》课程。该课程主要内容涉及基于AltiumDesigner的PCB版图设计、PCB制造工艺两大模块，从理论知识、设计方法、实际生产过程三个方面培养学生的知识水平、实践能力与职业素养。在课程中，PCB制造工艺部分的实践操作要求高，也是课程的重难点。学生在理论学习工艺原理后，需要分组上产线进行实际的工艺操作，才能够达到课程预期的教学目标。

但是，传统的课程实验中存在着以下突出教学难点：（1）设备内部生产过程无法直观观测。（2）生产实验操作不可逆。（3）工艺实验时间长、教学效率低、设备与耗材损耗高。（4）实际设备基于生产线，占地大、工位少，无法保证在有限的时段内全员上线开展教学，影响了实验教学效果。

本文针对以上难点，结合虚拟仿真技术，形成PCB设计与制造课程的教学改革方案。该方案通过技术与教学方法上的创新，有效提高了教学效率，扩大了课程的应用水平与范围。

2、虚拟仿真技术应用

虚拟仿真技术是指利用相似原理，建立形象模型、描述模型、数学模型等研究对象的模型，并通过模型间接地研究原型规律性的实验方法[2,3]。它广泛应用于教育、制造、鉴定、诊断、训练以及军事学习等方面，并推广到国民经济的各个领域[4]。具体到本课程，虚拟实验能够最大程度地忠实于工业化PCB生产过程，构造出一套完整的工业级PCB产线环境，对生产设备进行原尺寸比例的仿真。每位学生可以随时随地通过电脑、手机等多种终端个性化地开展流程操作，不再受工位数量的影响。同时，仿真实验支持单步还原、虚拟化耗时等功能，能够显著提高教学效率。学生在此基础上经过反复的操作练习，能够迅速提高实践水平，再返回实际设备上操作时，能够明显降低操作错误率，避免了设备的人为损坏与耗材的过度浪费。

结合课程实验教学中存在的难点与虚拟仿真的技术优势，在课程的“PCB制造工艺实验”中，以真实的工业化生产过程为基础，开展了虚拟仿真教学改革。该虚拟仿真实验贴近一线生产、教学互动性强、适用范围广，并具有自主知识产权。虚拟仿真实验可面向电子信息工程、光电子信息科学与工程、物联网工程等电子信息类专业，软件开发过程邀请企业PCB工程师全程参与，以PCB“设计→工艺制造→测试→成品”的生产过程为主线，通过计算机虚拟现实技术真实还原PCB的工业化生产制造过程。

利用仿真软件的优势，解决了实际设备操作不可逆、无法直接观测、工艺等待时间长、工位有限等突出难题，更有效地提高学生对工艺原理与流程的认知，明确PCB工艺操作的要点，掌握生产流程，为后续在实际设备的操作打下良好基础。此外，该虚拟仿真实验通过循序渐进的实验引导过程，使学生在强化《PCB设计与制造》、《电子技术基础》、《电子工艺实训》等相关课程知识的同时，为后续《单片机应用技术》、《电子系统设计实训》等课程以及学科竞赛中PCB制作的顺利开展奠定坚实基础。

实验的的安排课时数为4课时，集成了前期准备及雕刻、光刻两种PCB制造工艺，共计21个实验步骤、36个评分观测点。实验的基本框架如图1所示。仿真系统基于Unity3D技术开发，学生在登录平台后，可自由选择学习或考核模式。在学习模式中，用户可选择实验前设计好的PCB板图，根据工艺流程以及精确到各步骤的提示信息，完成仿真操作。系统支持步骤选择、操作还原，还可点击设备观看内部细节动画，观察各流程中电路板的变化情况，促进学生深入理解工艺原理。

在考核模式中，系统采用分步计分模式，全程记录操作过程，针对错误给出正确方案，提高学生的实践水平。该虚拟仿真实验所应用的实验方法主要包括：试错法、对比法、观察法。学生可在流程中设置不同的工艺参数，并通过系统的步骤还原功能观察每一种参数所带来的实验结果。利用试错法，对比不同参数对实验结果的影响，并结合理论知识分析其中的机理。同时，学生还可通过设备内部的工艺流程动画，观察PCB的表面变化过程，明确每一个工艺步骤的意义，并对照工艺理论，从现象观察中巩固知识点。

3、教学方法改革

该虚拟仿真实验结合福建江夏学院应用型本科高校的办学定位与电子信息类专业的人才培养目标，注重培养学生的实践能力。项目以“先虚后实、虚实结合”作为基本教学理念，在实验的设计上以产业需求为引导，力求真实还原工业化生产全过程，提高学生的体验感与学习效率，为设备上的实际操作奠定实践基础。同时，仿真实验秉承“以生为本”的宗旨，通过实验方式的创新，切实做到理论结合实际，进一步提升学生对课程实验难点与重点的理解水平。

以“新工科”的基本要求为指导，面向电子信息产业方向与需求，借鉴CDIO（构思、设计、实现、运作）模式和OBE（成果导向教育）思想[5,6]，通过提高教师运用信息技术的能力与水平，注重学生生产实践能力与“工匠”精神的培养，培养符合新时代要求的合格工程人才。

虚拟仿真实验环节主要采用互动自主式教学方法。在教学过程中以“学”为根本，通过“教”与“法”的改变来满足“学”的高效、无障碍、宽拓展等需求，如图2所示。互动自主式教学方法实现从“以教为主”到“以学为主”再到“学教互动”的教学方法改良，使师生互动成为常态化教学方式。同时，在实验教学中注重课前指导、实验预习、学生完成实验、分组讨论、实验考核等环节的开展与反馈，提倡让学生自主、合作、探究地完成实验项目，并及时将学生反馈的问题汇总、整理、答疑，从而提高课程的整体效率。

采用该教学方法主要基于以下几方面的考量。

(1）课程内容的特点

《PCB设计与制造》课程的特点是面向行业生产，注重理论知识点通过实践加以转化。虚拟仿真所涉及的实验内容具有经验累积式的特点，学生需要通过不断地反复练习方可熟练掌握工艺操作流程，并深入领会各流程的工艺原理，明确各步骤参数设置与工艺规范的意义。因此，知识点灌输式的教学方法显然不适合于该项目的实验教学。

(2）虚拟仿真教学的特点

利用计算机技术实现的虚拟仿真教学，包含了信息互动式交流、操作步骤重复、可虚拟展现各种工艺原理等一系列技术优点。可以说，在这样的教学过程中，教师更多需要扮演的角色应该是引导、交流、起到画龙点睛的作用，有效提高课程教学的整体效率，调整出更多时间、精力与学生进行课堂交流，深入研究如何更好地将理论知识通过虚拟仿真技术得以展示。

(3）学生的特点

作为应用型本科高校中工程技术类专业的学生，无论是在专业课程学习中，还是将来在工作岗位上，自主获取知识与技术经验的能力，决定了其职业生涯的高度。在这样的前提下，需充分挖掘学生自身的学习潜力，培养良好的学习习惯。学生不仅通过自主学习获得了本项目课程的知识，更提升了获取知识的能力，提升了职场竞争力。

4、教学实施过程

在教学实施过程中，课程组注重理论知识与操作结果的对照与反馈，主要采用任务驱动、课外延伸等方式实现互动式教学。

(1）基于整个课程，以PCB电路设计、制造作为任务框架，引导学生灵活运用前序课程的知识，进行各种功能电路设计，再形成PCB设计文件，继而在仿真系统中虚拟实现，最后在实际设备中进行生产，完成电路测试。这样的任务驱动方式，能够激发每位学生的参与积极性，既可以体现课程内个性化的学习效果，又能够有效串联起专业课程之间的知识桥梁，一举两得。

(2）当学生通过虚拟仿真操作的学习，能够达到熟练操作实际设备的水平时，可以将课程的效益向课外延升，服务于学生第二课堂、学科竞赛等课外科技活动，鼓励学生学以致用，积极创新，达到课程学习的最终目的与效果。从教学的实施效果来看，目前该虚拟仿真教学项目已经应用于多个电子信息类专业。相较于传统的技术学习方式来说，学生能够通过仿真实验观察实际设备无法看到的实验过程，实现理论与实践的有机结合。

同时，还能够快速掌握技术操作要领，提高实际设备操作的准确度，降低设备的损耗成本，提高办学效益。再者，系统能够自动生成操作报告，并针对错误内容，给出正确的方案。这样的自动评价机制，节省了教师批改报告的时间，提高了教学工作效率。此外，掌握了PCB技术后，更多的学生乐于参加专业实践，设计开发电子产品，形成良好的学习风气。

(3）课程实验重视学生对实验结果的总结归纳以及数据分析能力的培养。通过对实验过程的细致观察，提高学生对所蕴含的工艺原理的认识，做到学以致用。同时，课程要求学生认真总结实验数据，结合生产规范与科学的处理方法，对数据进行整理与分析，提高学生的实验综合水平。

(4）课程注重结合实际案例开展职业道德与思政教育。在实验过程中，通过细化的步骤指导、生产规范要求以及生产安全教育，培养学生严谨的工作作风与良好的职业道德，并结合我国目前在PCB制造领域的全球领先地位与数十年艰辛的发展历程，使学生树立起立志成才、报效国家的志向。

5、教学成效

该虚拟仿真实验项目目前已经投入课程应用运行，特别是在2020年的新冠疫情期间，本项目发挥重要的线上实验教学的作用。学生在家中即可通过手机、电脑登录系统开展线上自主学习与考核，保证了《PCB设计与制造》课程实验的顺利进行。为了保障项目的共享开放，仿真软件在架构设计上注重对并发数的支持，可以提供校内外10000人同时使用。同时，网站平台具有日志管理、数据备份、系统监控功能，保障信息安全，可以收集学生实验前辅助学习、实验过程指导、答疑、实验成绩等相关数据。

此外，针对本实验设计调查问卷。问卷内容涉及实验操作方便程度、理论与实际相结合程度、课下使用次数、能力获得感、实验满意度等评价指标等。通过统计学生的反馈意见，结合理论与实践任课老师的意见，以及实验校外访问的次数等多个方面进行系统性评价。从评价的结果来看，基本达到了课程的预期目标：学生们对虚拟仿真实验系统的操作基本没有障碍，对理论知识点的学习进一步得到强化。对于线下设备的实际操作水平相较于改革之前也有明显的提高；教师们明显感受到针对重难点的讲解更加轻松，教学效率显著提高。

6、应用展望

虚拟仿真技术在工科专业实践课程中的应用是课程信息化建设的一个大趋势。未来，需要立足于现有的教学资源与课程实际情况，在以下几个方面进一步提高与改善虚拟仿真教学的效果。

(1）实验教学推广

该教学项目将广泛应用于电子信息类专业的《PCB设计与制造》、《电子认知实践》、《电子工艺实训》等一系列工艺类课程以及学生的课外实践环节，充分发挥软件资源的优势，提升各个课程的内涵，推动课程改革。

(2）持续建设与更新

本系统将计划增加PCB进货与物料管理、SMT（表面贴片技术）、焊接视觉检测等实验内容，进一步完善虚拟仿真实验架构，加深学生对《PCB设计与制造》课程相关知识点的理解。同时，紧跟PCB技术发展前沿，将最新的技术应用及时地反馈到仿真系统中，满足课程知识与技术更新的需求。

(3）教学服务计划

待项目开发应用成熟之后，仿真实验将作为公选课的组成部分通过学校的网络教学平台提供给学校其他专业学生，可作为训练平台服务于大学生电子设计竞赛、光电设计竞赛等学科竞赛，让学生能够快速掌握工艺流程，使得电路板制作技术在专业学生中得以普及。在校际共享方面，项目可以通过大学城校区的资源平台，实现与周边高校的共享以及课程成绩、学分互认。在扩大应用范围的同时，又能够收到更多的项目教学应用反馈与建议。此外，本系统还可以向PCB生产企业开放，作为岗前培训的虚拟仿真环境，降低人工培训成本，起到良好的产学示范作用。

7、结语

虚拟仿真技术在实验教学中的应用是未来我国高校工科专业发展的大趋势。在此背景下，针对《PCB设计与制造》课程，福建江夏学院结合实验教学过程中存在的突出难题，利用虚拟仿真技术开发了实验操作系统，取得了良好的教学效果，促进了学生认知水平与实践能力的提高，也为其他实验课程的信息化建设提供了一个探索性思路。

参考文献:

[1]2021年PCB制造分析:寻找PCB制造行业的确定性突破方向.网印工业,2021(01):7-8

[2]张红.通过虚拟现实和仿真技术解决技能差距.上海质量,2021(03):41-43

[3]林小芳.虚拟仿真技术在高校实验教学中的应用研究.福建电脑,2021,37(02):52-54

[4]陈锦儒,郑春龙.基于虚拟仿真的电子技术课程设计教学改革.实验科学与技术,2020,18(06):100-106

[5]倪艳凤,朱振伸,赵敬云,张静安,胡同礼.CDIO工程教育模式下的电工实训教学改革.科技经济导刊,2021,29(08):150-152

[6]郝建新,高欢.基于产出导向OBE的电工电子实验课程教学研究.黑龙江教育(高教研究与评估),2021(04):25-26

文章来源：张禹,胡晓华,黄淑燕,张昊.PCB设计与制造课程虚拟仿真教学改革研究[J].福建电脑,2021,37(05):50-53.