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使用虚拟实验室加强学生的实验学习
米罗·d·考瑞斯基，丹尼尔·阿玛特，康奈利·巴恩斯，以及木村修男
摘要:本文描述了基于化学气相沉积(CVD)过程数值模拟的虚拟实验室，即虚拟CVD实验室的教学设计、实现和评估。虚拟CVD实验室提供了一个顶峰体验。学生综合工程科学和统计学原理，有机会将实验设计应用到类似于工业实践工程师的环境中，其设计空间通常比在本科实验室看到的要宽。反应器的模拟是基于传质和化学反应，被附加的“噪声”所掩盖的基本原理。该软件应用程序包含一个模拟洁净室环境的3-D学生客户端、一个带有集成评估工具的教师Web界面和一个数据库服务器。与直接一对一的替代方式不同，这个虚拟实验室旨在补充课程中的物理实验室，从而提高学生学习的某些特定元素。从而描述了四个类别的实现。评估表明学生们可以在迭代实验设计过程的使用中反映出工程师的实践经验，并将该项目的成功与高阶思维技能联系起来。学生调查显示，学生认为虚拟CVD实验室是最有效的学习媒介，甚至超过物理实验室。
关键词：三维计算机模拟，化学气相沉积(CVD)，实验设计，教学脚手架，大声思考，虚拟实验室。
1介绍
传统的本科实验室课程是以小型学生团队在实验室中使用专用设备的模式进行教学的。学生通常的任务是在课程理论的背景下进行一组实验测量，分析数据，并报告结果。实验室提供的实践经验的教学价值得到了教育者[1]的普遍认可。然而，工程实验室在实践中也存在局限性。传统的交付模式需要大量的资源来获得高质量的学生体验，因为学生必须得到监督，而且设备的购买和维护都很昂贵。此外,通常都还需要实验室经验，以适应通过远程教育注册的学生。
克服传统物理实验室局限性的一种可能方法是使用替代的交付模式。另一种方法是使用基于web的远程交付和虚拟实验室。在远程授课模式下，学生可以通过一个基于web的界面来控制设备和收集数据。例如在过程控制，电力电子，网络，流体力学，光子学，和数字信号处理等方面[2]-[8]。在虚拟实验室中，基于计算机数学模型的仿真可以替代物理实验室。虚拟实验室以最直接的方式被用作实现与相应物理实验室相同的学习结果的替代机制。标准实验室的虚拟版本已经开发并集成到工程[9]-[11]和科学[12]-[14]课程中。
通过评估以网络为基础的远程实验室和以虚拟实验室作为物理实验室的直接替代品的有效性，一些研究人员得出结论，使用基于网络的远程实验室不会对学生的学习造成不利影响。事实上，学生们很欣赏它[2][4]-[8]的灵活性。类似的研究表明，使用虚拟实验室与物理实验室[15]相比，学生的学习结果没有显著差异，尽管学生的反馈表明，将物理实验室完全从课程中删除是不受欢迎的[10]。一项研究检查了一个实验室，该实验室以所有三种模式提供给机械工程专业大三的学生。作者描述了基于教学模式的学生学习成果的不同。当一个特定的模式提高了一些学习成果时，其他的就会减少。例如，作者报告说，经历过非近端(基于网络或虚拟)模式的学生在数据分析方面表现出更深层次的认知，他们更有可能在实验结果中识别非理想状态，也更有可能展示出对非理想状态的后果的理解。然而，即使两组学生使用相同的界面，与基于web的远程模式相比，体验虚拟模式的学生对真实环境的掌握程度较低，。作者认为，如果教师有意识地选择一种替代模式，而不是选择一种方便的替代模式，那么他们可以改善实验室中某些特定的学习成果。
事实上，有几个案例采用了另一种范式，即虚拟实验室是作为物理实验室的补充而构建的。当以这种方式观察时，可以设计一个虚拟实验室来专门扩展学习者的范围，从而完成其他方法无法完成的任务。利用电路中的虚拟实验室作为“引导者”，补充相应的物理实验室[17]，目的是让学生熟悉物理实验室的方向。作者建议，这种方法可以引出独立物理实验室不可能完成的学习成果。例如允许学生经历他们通常没有时间进行的调试过程。一个已经开发出的虚拟实验室，允许学生在90分钟内应用田口法确定挤压工艺的14个设计参数。该模拟基于任意数学模型，进行实验并计算相关统计数据，使学生能够自由地完成其他任务。特别是，学生们会比较他们从尝试的错误方法得到的结果和从更结构化的田口方法得到的结果。在对比的范围内，capstone环境工程设计项目使用了一个虚拟实验室，让学生在一个虚拟的危险废物场[19]进行现场工程师的工作。钻孔，采集岩心样本，建设水井，采集地下水样本，提交样本进行实验室分析，并进行水力和运输实验。评估表明，学生获得了深入的内容知识，并且将理论与现实应用联系起来。此外，学生报告说他们处理复杂项目的能力和解决问题的能力有了提高。
本文描述了虚拟化学气相沉积(CVD)实验室，它被设计用来促进学生学习的方式是在大学物理实验室难以解决的。首先，由于它的结构，虚拟CVD实验室允许学生体验完整的，迭代的实验设计过程。其次，该项目的背景反映了工业中的物理和社会背景，并且其解决方案鼓励学生综合切换统计和工程科学的概念，从而促进了知识的整合和转让。本文介绍了虚拟CVD实验室的教学设计、软件设计、实现和评估。
2教学设计与教学法
这一节提出的重点是如何应用相关的教育理论，通过借助虚拟CVD实验室，以促进学生学习的实验设计。
2.1虚拟化学气相沉积反应器
CVD是集成电路和其他器件制造中用于薄膜生长的重要单元工艺。虽然半导体加工实验室已经在大学环境[22]-[24]中实现，但它们往往是资源密集型的，使用的设备比工业上发现的要老很多代。虚拟CVD实验室是基于最先进的工业规模垂直反应器，示意图如图1所示。所采用的特殊反应是从氨和二氯硅烷(DCS)气体中沉积氮化硅。虚拟实验室是在仿真的基础上利用质量转移和化学反应会被添加的“噪音”所掩盖的基本原理。
石英体
5区炉窑
沉积反应
泵
晶片
扩散
气体流量
扩散
晶片
晶片
图1 CVD反应器的原理图。
数学模型的更多细节在[25]中提供。电影胶片的厚度只在学生决定“测量”的时候提供给他们，而不是整个模型的输出。“由于反应器的输出反映了系统中发生的化学和物理现象，那些能将基础工程科学知识与实验设计相结合的学生应该效率更高。”这种方法的目的是允许统计和工程科学的概念集成，并加深对这两个主题的理解。
学生使用虚拟反应器的方式与他们在工业中使用反应器的方式相同。他们的任务是在实验的基础上优化反应堆的性能。在完成这个项目的过程中，他们需要为每一次运行选择9个参数的值，并选择进行薄膜厚度测量的晶圆片和晶圆片位置。由于学生的运行和测量都有相关的成本，因此存在一个现实的经济约束。这方面不鼓励使用非结构化的尝试和错误方法。最有效的性能将是性能优化和成本之间的平衡。学生不仅要学习如何应用实验设计，还必须确定他们的结果何时足够好，这样他们就可以提交他们的“配方”进行生产。
2.2工程教育实验设计
实验设计是一项基本而又难以融入工程课程的技能。被认为是专家的人，如经验丰富的执业工程师或科研人员所使用的完整的实验设计过程如图2所示。专家进行实验，以获得已识别问题的信息。
执行实验（收集数据）
执行实验（收集数据）
虚拟cvd
分析/解释数据
结论/决策
报告发现
报告发现
定义部分工程老师
定义
工程老师
设计实验
设计实验
识别问题
分析/解释数据
识别问题
结论/决策
图2 实验设计专家方法流程图
这个过程的下一步是设计实验。这一步包括因变量(响应)和自变量(因子)的选择。然后以实验设计(DOE)数组的形式创建适当的实验序列。然后，将自变量设置为指定值并测量因变量，从而进行实验。然后用适当的统计方法对这些数据进行总结和分析，推断出这些数据的物理意义。在分析的基础上，确定研究结果的现实意义，得出结论，做出决定。决策通常包括确定回答问题所需进行的下一组实验。在这种情况下，重复设计/分析过程，如图2中的曲线箭头所示。在迭代过程中具有适应性和创造性是成功专家的标志。最后，当迭代过程完成时，结果以书面或口头的形式交流。
执行实验（收集数据）
识别问题并设计实验
项目/老师定义
报告发现
分析/解释数据并得出结论
图3 一个本科生在物理实验室中接触实验设计的模式。阴影框代表消耗学生大部分认知资本的活动。
实验课的一个理想的学习效果是让学生学习专家实践的实验设计方法，如图2所示。然而，学生在本科实验室的经历可能会有很大的不同。图3描述了物理工程实验室实验中常见的实验流程流程。由于物理实验室的结构，实验过程的某些部分比其他部分更受重视。在这项工作中，认知资本被定义为学生在完成一个实验室或项目时必须投入的有限的精力和时间。这些占据学生大部分认知资本的步骤在图3中用阴影表示。对于进行实际实验的学生来说，使物理设备正常运行并获得数据被视为实验体验的首要目标。
当学生成功地使用实验设备获得一组有意义的数据时，他们往往认为实验室是完整的。这一步通常会消耗学生大部分的认知资本。另一项主要活动是对他们进行评估和评分的实验室报告。当他们的认知资本花在这些活动上时，用于实验设计和数据分析的关键步骤就所剩无几了。事实上，实验设计往往是由教师决定并提供给学生的。此外，资源和时间限制减少了学生可以使用他们的结果来识别和执行进一步实验的可能性。因此，图3所示的过程是线性的，而不是图2所示的迭代过程。
2.3通过教学脚手架进行基于问题的学习
虚拟CVD实验室的教学设计采用基于问题的学习(problem-based learning, PBL)来促进学生对实验设计的学习。PBL注重以学生为中心的学习，使用教学脚手架使学生能够成功地完成一个真实的、开放式的问题。对PBL有效性的教育研究提出了PBL良好设计的四个原则:设置适当的学习目标，提供促进学生和教师学习的框架，提供形成性评估机会，利用社会互动促进参与[26]，[27]。
教学脚手架是一种教学工具，提供各种支持，扩大学习者的范围，并允许完成任务。随着学生的[28]能力的提高，脚手架被逐渐拆除。脚手架可以比喻为训练车轮。相对于没有脚手架，有脚手架学生能够使从事更高级的活动，需要更深层次的认知，[29]。虚拟CVD实验室通过模拟过程和计量设备的物理操作，起到脚手架的作用。这个支架可以让学生体验不同于物理实验室的实验设计过程的重点。图4所示为该虚拟实验室所采用的实验流程流程框图。学生被提供一个问题陈述，其中包括一组自变量的探索和机制，以衡量反应变量。学生的努力集中在开发一个实验策略(通常以DOE设计阵列的形式)来探索设计空间并解决问题。与物理实验室的经验相反，该过程的下一步是通过模拟来虚拟地执行的。因此，这一步消耗的学生认知资本相对较少，在图4中没有阴影。因此，学生可以在数据的分析和解释上投入认知资本，也可以在实验设计上应用他们的结论进行迭代。这个过程会一直持续下去，直到学生确定问题已经解决，然后报告结果。在这些方面，虚拟CVD实验室提供的实验方法反映了图2所示的实践工程师的方法。
此外，完成这些任务所需的认知过程补充了典型物理实验室强调的触觉技能。具体来说，学生需要在布鲁姆分类法[30](分析、综合和评估)的最高认知水平上进行操作，才能成功地驾驭实验设计过程。
虚拟CVD实验室还通过复制工业中普遍存在的社会和物理环境的关键方面，应用了情境认知的概念。情境认知认为情境使知识与活动共同产生。因此，方法和内容应适当定位，反映学习者[31]的预期结果。将情境认知应用于工程课堂表明，通过使用学习工具来复制在工作场所常见的社会和物理环境，工程专业的学生将能够更有效地转移他们的认知，并将其应用于实际的工程项目工作。其中一个方面是实验的目标和方法。一个实习工程师通常不会像本科生实验室里预期的那样，为了阐明基本原理而例行地进行实验。更有可能的是，实践工程师试图通过研究输入变量的影响来优化流程的性能。同样，薄膜均匀性的优化是学生在虚拟CVD实验室项目中可以直接交付的。学生必须考虑到成本限制，因为他们每次运行和测量都要收取虚拟货币。此外，在这个虚拟实验室中建模的物理设备反映了目前在尖端半导体工厂中发现的设备和吞吐量，即批量处理200 -300毫米晶圆。相比之下，该大学的教学实验室通常使用1到5块50毫米的晶圆。因此，在大容量的制造工厂中，实践工程师所执行的特定认知任务，例如最大化反应堆的轴向均匀性，并不是由典型的大学实验室得出的。甚至洁净室的物理外观也被复制到3-D学生客户端中，这使得学生能够熟悉这种独特的制造环境。
显然，将团队工作集成到工程教育中有许多好处。然而，在大学物理实验室的学生中，一个实践工程师团队成员之间的社会认知互动可能存在显著差异。社会认知互动这个术语既指群体的社会动态如何影响个体的认知活动，也指认知任务如何影响社会动态。高效的工程师团队合作解决高水平的任务，如实验设计、数据解释和再设计的迭代过程，如图2所示。当学生团队以图3所示的模式运行物理实验室时，收集数据的触觉技能和交流结果的语言技能不可避免地会发生协作。各自认知任务的
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资料编号：[1333]
