高分子材料課程設計虛擬仿真技術應用

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摘要：在當前現代信息技術逐漸影響甚至塑造新的教育教學形態(tài)的大背景下，越來越多的高校開始重視信息化教學資源的建設，積極推動虛擬仿真技術在實驗教學中的應用。文章從高分子材料課程設計的角度，分析了傳統實驗教學所面臨的困境和虛擬仿真技術在本實驗課程教學中的優(yōu)勢。

關鍵詞：虛擬仿真；實驗教學；高分子材料課程設計

引言

近年來，以虛擬現實(VR)和增強現實(AR)技術為代表的計算機虛擬仿真技術實現了無與倫比的真實感和交互性，正得到人們越來越多的關注和認同，迅速地走進我們的生活，也必將會深刻地影響我們的教育與教學。2018年教育部在《關于加快建設高水平本科教育全面提高人才培養(yǎng)能力的意見》(教高〔2018〕2號)(簡稱“高教40條”)的文件中提出要推進現代信息技術與教育教學深度融合，助力提高教師的教學水平，其中明確指出要大力推進虛擬仿真實驗建設[1]。這是因為實驗教學是實現理論與實踐相結合必不可少的環(huán)節(jié)，對于培養(yǎng)學生的動手實踐能力和基本科學素養(yǎng)來說至關重要。而當前虛擬仿真技術正逐漸走進大學的實驗室，日益改變傳統的實驗教學方式，塑造了新的實驗教學面貌，推動教育教學改革不斷向更高層次發(fā)展。因此如何將這種先進技術更好地融入到我們的實驗課程教學中，并不斷提高學生的學習成效是每一位實驗任課教師都需要認真思考和探索的課題[2-3]。

1高分子材料課程設計課程傳統實驗教學存在的問題

1.1實驗條件不足

高分子材料課程設計課程傳統實驗中需要用到許多儀器設備，包括用于高分子材料加工成型的密煉機、硫化機、注塑機和擠出機等大型設備，以及用于材料性能分析表征的萬能拉伸試驗機、流變儀、熱分析儀等精密儀器設備。它們大都價格不菲而且占用實驗室場地大，因此大部分高校購置的此類儀器的數量通常很少[4]。甚至在有些高校中，由于儀器設備和實驗場所等條件所限，導致這一門原本應當鍛煉學生的動手操作能力和綜合運用所學知識分析解決實際問題能力的實踐課程，變成了一門綜述型設計課程[5]。在這個改變中，存在著不少可以理解的現實困難：從長時間的聚合反應過程，到需要大量樣品的加工成型過程，再到昂貴的精密測試儀器。實驗組織困難和成本消耗高成為阻礙培養(yǎng)學生綜合能力的攔路虎[6]。

1.2教學目標難實現

高分子材料課程設計是一門以化學合成、成型加工和分析表征高分子材料全過程的綜合性工程實踐課程，旨在培養(yǎng)學生的專業(yè)知識積累、遷移和應用的能力。一方面，它對于鞏固和加深對高分子材料、高分子化學、高分子材料成型加工原理和材料測試技術等課程知識的認知與理解，是十分重要的一環(huán)；另一方面，它更貼近實際生產，為培養(yǎng)既能適應高分子材料生產需要又具有工程設計能力的專業(yè)技術人才打下堅實的基礎[7]。然而，對于加工成型設備來說，普遍需要在高溫條件下操作，為避免因人多擁擠、安全措施不到位等因素而發(fā)生學生燙傷等意外事故，老師們不得不采取分組演示的教學方式。而對于昂貴且精密的分析表征設備來說，則往往出于保護設備的目的，只允許每組中選出一名同學作為代表來操作，其他同學則圍觀學習。總之，在這樣一門十分重要的實踐課程中，卻無法保證每一位同學都可以從頭到尾地親手操作所有的儀器設備，親身參與全部的實驗過程，因此學生作為旁觀者而非參與者自然很難對課程設計的作用和意義有深刻認識和理解，更別提鍛煉他們的動手實操能力和分析解決實際問題的能力了?？上攵@樣一來本門課程的教學效果肯定大打折扣。

2虛擬仿真技術在高分子材料課程設計課程實驗

教學中的優(yōu)勢走馬觀花式的實踐教學注定難以實現設定的課程目標，因此虛擬仿真軟件和在此基礎上發(fā)展起來的虛擬仿真云平臺，正是在某些傳統實驗教學面臨困難的背景下應運而生，并得到了快速發(fā)展。具體說來，虛擬仿真技術在本實驗課程的教學中有如下的優(yōu)勢。

2.1實驗過程更細致

將虛擬仿真技術應用到高分子材料課程設計的全部流程，從模擬聚合反應過程(如：苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯等不同聚合單體的懸浮聚合、乳液聚合等)，到高分子材料成型加工(如：注射模塑成型、擠出成型等)，再到材料性能分析表征(如：力學拉伸性能、熔融指數、熱穩(wěn)定性等)。學生在完成與實驗相關的理論學習后，可以在高度近似真實實驗環(huán)境的模擬場景中直觀而清楚地認識各種以真實實驗設備為藍本的虛擬儀器設備的構造。除了具有和視頻影像資料相似的真實感之外，還可以以第一視角的體驗與交互模式學習實驗操作的流程。以擠出成型模擬仿真實驗為例，除了可以清楚看到雙螺桿或單螺桿擠出機的構造，并了解擠出成型原理外，還可以學習擠出機操作步驟并通過改變進料速度、各區(qū)溫度等參數來掌握這些參數對制品性能的影響。這不但可以避免真實場景中圍觀但看不仔細且參與感不強的情況，還可以讓學生自己動手操作摸索出擠出成型加工的一般規(guī)律。在虛擬實驗過程遇到問題可以及時通過線上管理系統或線下的方式向任課教師進行反饋。更重要的是，可以突破現實中的限制，自由發(fā)揮想象力，在不同的聚合反應、成型加工或性能表征虛擬仿真系統中任意更改條件或設置不同的參數，觀察實驗結果會有何不同，或許會有新的發(fā)現，同時還無需擔心實驗安全問題。

2.2實驗時間更自由

通過使用虛擬仿真實驗室里安裝有虛擬仿真軟件的計算機，學生可以在實驗任課教師分配好的時間或提前預約好的時間內，自主進行軟件操作方法學習和虛擬仿真實驗的操作。對于建設有虛擬仿真實驗云平臺的高校來說，則可以在自己的電腦上通過賬號登錄的方式進入虛擬仿真實驗教學中心的軟件系統，隨時進行學習和操作，這樣給了學生很大的學習自由度，顯著地提高學生學習的積極主動性和獨立自主性。學生可以在每學期的規(guī)定截止日期以前，選擇在理論課學習之后合適的時間內完成，促進理論教學與實踐教學的緊密聯合，使得學生對高分子材料的聚合反應原理、加工工藝和性能特征等知識有更深刻的認識和理解。

2.3實驗評價更合理

在以往的實驗課程評價上，老師們大多停留在實驗到勤情況和實驗報告的撰寫情況兩個方面。因為很多實驗中大部分學生都處在圍觀的狀態(tài)中，只有少數學生能有動手操作的機會，因此考慮到公平性問題而無法對學生的實驗操作過程這一重要的中間環(huán)節(jié)進行評判。而對于在最終成績中占比更大的實驗報告來說，學生之間相互抄襲或從網絡上抄襲的情況屢見不鮮，這樣一來使得很少有學生在實驗課程中掛科，同時學生的實驗課成績沒有區(qū)分度。這進而導致了學生不愿意認真對待，學習的熱情自然也就不高。為了破除這種不公平不合理的評判規(guī)則，虛擬仿真實驗中將更加重視過程性評價。虛擬仿真軟件或平臺可以對學生的操作過程進行自動記錄和評價，比如是否依照標準的實驗操作流程進行以及是否符合實驗操作規(guī)范。教師可以通過軟件或平臺查看學生在虛擬仿真實驗中各步驟的得分情況，結合最后的實驗報告，對學生進行綜合打分評價，實現實驗教學效果的科學評估。當然，評價不是最終的目的，對于虛擬實驗操作不達標的學生，依然可以有重復學習的機會，這有助于提高課程設計的教學質量，也使課程設計在應用型人才培養(yǎng)過程中的作用更加突出。

3結語

和傳統實驗室比較起來，虛擬仿真實驗室建設成本相對較低，在應對高危險和高消耗實驗方面有無可比擬的優(yōu)勢。除此以外，虛擬仿真實驗教學過程中限制條件少，無論是實驗時間上還是實驗操作環(huán)節(jié)上學生都可以相對自由地做出選擇，能夠明顯提升學生的參與感，對提高學生的學習熱情和主動性有很大的幫助，更重要的是可以鍛煉學生的獨立操作、獨立思考和分析問題的能力。另外，對于學生的學習效果評價也更公平，最終取得比單獨進行傳統實驗更好的教學效果。當然這并不意味著用虛擬仿真實驗完全替代傳統實驗，而是要將虛擬仿真技術的優(yōu)勢充分發(fā)揮出來，同時也要虛實結合、取長補短，不可偏廢。在虛擬仿真實驗之外，也要通過操作演示真實的儀器設備或工廠實地考察參觀等方式彌補虛擬仿真實驗的不足。只有將兩者深度融合，有機地統一起來，才能真正提升實驗教學質量，使實驗學科更好地適應人才培養(yǎng)的要求，培養(yǎng)出社會所需要的人才。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.關于加快建設高水平本科教育全面提高人才培養(yǎng)能力的意見：教高〔2018〕2號[A].北京：教育部，2018.

[2]陳國輝，劉有才，劉士軍，等.虛擬仿真實驗教學中心實驗教學體系建設[J].實驗室研究與探索，2015,34(08):169-172,185.

[3]吉東風，李海燕，成何珍，等.國家級虛擬仿真實驗教學中心建設探討[J].教育教學論壇，2020(20):233-234.

[4]張嬌霞，周海駿，郭偉杰，等.基于虛擬仿真實驗的《高分子材料成型加工》教學改革探討[J].冶金與材料，2019,39(05):184,186.

[5]張新，金志杰，王麗.高分子材料課程設計教學改革的探索[J].濰坊教育學院學報，2012,25(06):88-89,97.

[6]王士凡，堵錫華，董黎明，等.高分子材料與工程專業(yè)虛擬仿真實驗教學的探索[J].教育現代化，2019,6(42):132-133.

[7]鐘國倫，王永紅.應用型高?！陡叻肿硬牧稀氛n程實踐教學模式改革探索[J].高分子通報，2016(11):84-87.

作者：孫交通 張曉東 周丹 單位：長江師范學院材料科學與工程學院