高分子材料與工程專業(yè)虛擬實驗平臺的構(gòu)建及改進探究

宮貴貞　董黎明

摘? ?要：虛擬實驗克服了傳統(tǒng)實驗的時空限制、設(shè)備短缺、安全環(huán)保等不足，大大提高了實驗教學(xué)效果。本實驗探討了高分子材料與工程專業(yè)虛擬實驗平臺的構(gòu)建情況以及需要改進的問題。徐州工程學(xué)院高分子材料與工程專業(yè)虛擬實驗平臺主要基于虛擬展廳、仿真實驗及網(wǎng)絡(luò)課程等方面展開建設(shè)，各有所側(cè)重并相互融合、優(yōu)勢互補以滿足不同方面的需要。本文就目前虛擬實驗存在的局限性，對如何進行優(yōu)化改進進行了探討。

關(guān)鍵詞：高分子材料與工程;虛擬實驗平臺;構(gòu)建;改進

近年來，隨著高分子材料的迅猛發(fā)展，很多高校開設(shè)了高分子材料專業(yè)，徐州工程學(xué)院為滿足社會的需要，也于2010年申請了高分子材料與工程專業(yè)，2011年開始招生。該專業(yè)屬于工科，是應(yīng)用性和實踐性很強的專業(yè)，要求學(xué)生理論聯(lián)系實際，在實驗中培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力、分析能力和動手操作能力。實驗教學(xué)作為理論教學(xué)的一個補充，對提升教學(xué)質(zhì)量有著非常重要的影響，故在整個教育體系中占有越來越重要的位置。高分子材料與工程專業(yè)包括很多實驗類課程，如“無機化學(xué)實驗”、“有機化學(xué)實驗”、“物理化學(xué)實驗”、“高分子化學(xué)實驗”、“高分子物理實驗”、“分析與測試”等。傳統(tǒng)的化學(xué)實驗教學(xué)要用到很多化學(xué)試劑、儀器設(shè)備，同時也要考慮教學(xué)課時、安全、環(huán)保方面的因素。故傳統(tǒng)實驗教學(xué)常受到實驗設(shè)備短缺，教學(xué)儀器不足，實驗課時少，實驗場所相對較小，實驗層次偏低，操作安全性不強和污染隱患等問題，導(dǎo)致學(xué)生在實踐環(huán)節(jié)中主體定位出現(xiàn)偏差，學(xué)習(xí)興趣不高，學(xué)生缺乏實際操作能力，實踐技能零碎，導(dǎo)致缺乏創(chuàng)新思維，無法實現(xiàn)綜合素質(zhì)的培養(yǎng)[1-2]。在此情況下，虛擬實驗應(yīng)運而生。虛擬實驗是指借助多媒體、仿真和虛擬現(xiàn)實等技術(shù)，在計算機上營造虛擬的實驗環(huán)境，模擬真實實驗的操作過程和實驗現(xiàn)象，實驗者可以像在真實實驗環(huán)境中一樣完成實驗項目[3]。本項目就徐州工程學(xué)院高分子材料與工程專業(yè)虛擬實驗平臺的建立與完善情況進行探討。

1? ? 虛擬實驗平臺構(gòu)建框架

虛擬實驗是相對于真實實驗而言的，一般認為通過通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及傳感技術(shù)等能提供等同于真實實驗體驗的實驗環(huán)境和系統(tǒng)，均可稱之為虛擬實驗[3]。故徐州工程學(xué)院從多個方面著手建立高分子材料與工程虛擬實驗平臺，建設(shè)框架，如圖1所示。

在實驗大樓、仿真實驗室等展廳屏幕采用滾動字幕的形式播放與實驗相關(guān)的一些常識，如實驗室安全常識，常用儀器的使用、維護、清洗等事項，學(xué)科前沿知識等，以增加學(xué)生的專業(yè)文化素養(yǎng)。仿真實驗側(cè)重基礎(chǔ)單元操作，具體產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝流程及實驗室、工廠安全與環(huán)保等仿真模擬，而網(wǎng)絡(luò)平臺則側(cè)重不同實驗課程內(nèi)容進行相應(yīng)建設(shè)。3種虛擬實驗平臺相互融合、優(yōu)勢互補，從而大大提高了實驗教學(xué)的效果。

2? ? 網(wǎng)絡(luò)課程平臺的建立

網(wǎng)絡(luò)課程以超星網(wǎng)絡(luò)課程平臺為基礎(chǔ)進行建設(shè)，結(jié)構(gòu)如圖2所示。整個平臺包括課程門戶、資源、通知、作業(yè)、活動等10個模塊，在所有模塊中，教師是建設(shè)、維護者，學(xué)生是使用者及一些模塊任務(wù)的執(zhí)行者。

錄制的視頻包括實驗操作視頻、理論微課視頻等。視頻上傳后可設(shè)置防拖拽、防窗口切換等功能，以防止學(xué)生作弊，更好地了解學(xué)生視頻的學(xué)習(xí)情況。視頻任務(wù)點設(shè)置成功后，前面有橙色的標(biāo)記。視頻觀看不受時間和空間的限制，學(xué)生可反復(fù)觀摩，在提前預(yù)習(xí)和課后復(fù)習(xí)環(huán)節(jié)中起到重要作用。

管理模塊可以進行多方面管理，如成績管理、學(xué)生增刪管理、督學(xué)管理等。學(xué)生訪問量的管理，可以看出每天學(xué)生的訪問情況，也可看出學(xué)生在某個時段的學(xué)習(xí)情況，可以幫助老師很好地了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，以便輔導(dǎo)和督學(xué)?；顒幽K包括簽到、投票、選人、主題討論、問卷、分組任務(wù)、直播、在線課堂、作業(yè)等，可以用于線上線下互動。線下課堂教學(xué)中充分利用活動中的模塊，可以充分調(diào)動學(xué)生興趣，大大活躍課堂氣氛，也調(diào)動了學(xué)生的積極性、參與性。

3? ? 仿真實驗室的建立

在調(diào)研和借鑒國內(nèi)建設(shè)了虛擬仿真實驗室高校的豐富經(jīng)驗外，徐州工程學(xué)院根據(jù)實際情況，建立了具有自身特色的仿真實驗室。仿真實驗系統(tǒng)主要包括3個部分：單元操作仿真模擬、典型產(chǎn)品的工藝流程仿真模擬、實驗室及工廠安全與環(huán)保注意事項仿真模擬。單元操作仿真目前已有過濾、干燥、精餾、結(jié)晶、萃取、膜分離、常減壓工藝、固定床反應(yīng)器、流化床反應(yīng)器等實驗及工廠一些常用基本操作;工藝流程包括一些原料及高分子材料的工藝流程，如甲醇合成及精制工藝、苯胺制備工藝、聚氯乙烯制備工藝;安全與環(huán)保仿真如加氫反應(yīng)系統(tǒng)安全應(yīng)急演練等。仿真實驗平臺可用于仿真實驗教學(xué)、實訓(xùn)模擬、學(xué)生競賽培訓(xùn)、教師科研等，如徐州工程學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院學(xué)生在2017年全國大學(xué)生化工實驗華東區(qū)賽獲得二等獎、第五屆中國大學(xué)生高分子材料創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽獲得二等獎，兩支參賽隊伍在第六屆中國大學(xué)生高分子材料創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽上獲得二等獎、江蘇省聯(lián)盟杯大學(xué)生實驗競賽特等獎。

工業(yè)加氫工藝一般在高溫、高壓下操作，極易發(fā)生爆炸、著火事故，屬于化工裝置中的重大危險源，一旦發(fā)生事故，將造成重大損失。故學(xué)生對該工藝安全操作流程的了解極為重要。通過對加氫反應(yīng)系統(tǒng)安全應(yīng)急演練3D仿真實訓(xùn)課程的學(xué)習(xí)，有助于增強學(xué)生的安全意識、掌握安全知識、熟悉事故發(fā)生時的應(yīng)急處理流程。加氫反應(yīng)系統(tǒng)安全應(yīng)急演練3D仿真實訓(xùn)包括原料油增壓泵密封泄漏著火、加氫反應(yīng)器入口管線焊縫破裂著火、高壓換熱器管束泄漏，分別從崗前安全知識講解，事故發(fā)生后警報觸發(fā)、啟動預(yù)案、轉(zhuǎn)移傷員、設(shè)立警戒、緊急停車、消防滅火、環(huán)境監(jiān)測和警報解除等角度系統(tǒng)再現(xiàn)了整個應(yīng)急演練流程。通過該仿真實地演練有效促進了學(xué)生對安全知識、現(xiàn)場閥門操作、應(yīng)急處理預(yù)案的學(xué)習(xí)和理解，培養(yǎng)了團隊合作意識以及嚴謹工程素養(yǎng)和創(chuàng)新能力等。

4? ? 存在問題及改進措施

4.1? 減少“認知摩擦”

美國設(shè)計師Alan Cooper把“當(dāng)人類智力遭遇隨問題變化而變化的復(fù)雜系統(tǒng)規(guī)則時遇到的阻力”定義為認知摩擦，即技術(shù)的應(yīng)用和功能的堆砌使產(chǎn)品變得復(fù)雜、難于理解和使用，用戶很難通過感官來預(yù)期操作的結(jié)果。其原因歸結(jié)為產(chǎn)品設(shè)計不良所造成。目前，大多仿真虛擬實驗設(shè)計人員與教學(xué)人員脫節(jié)，軟件設(shè)計開發(fā)人員一般是計算機專業(yè)而不是專業(yè)教學(xué)人員，缺乏實際教學(xué)方面的知識，故設(shè)計的仿真實驗軟件更注重技術(shù)、功能性，在實際應(yīng)用方面則有所欠缺，即存在認知摩擦。如何使軟件減少用戶的認知摩擦，人性化、使用性更強，從而使用戶更容易掌握以提高學(xué)生的興趣性、互動性，是現(xiàn)階段仿真實驗軟件開發(fā)需要解決的關(guān)鍵問題[4-5]。

4.2? 虛擬實驗與真實實驗教學(xué)相互融合

無論是網(wǎng)絡(luò)課程平臺還是虛擬仿真實驗平臺，都只能提供同學(xué)們反復(fù)看的功能，而化學(xué)實驗側(cè)重動手能力，只有學(xué)生真正地在實驗室動手操作，才能有更深的體會，才能發(fā)現(xiàn)問題。虛擬實驗和真實實驗不能完全替代對方，使虛擬實驗與真實實驗教學(xué)相互融合、優(yōu)勢互補，使實驗教學(xué)達到最佳的效果是需要思考的問題[6]。經(jīng)過幾個班級的實踐，研究發(fā)現(xiàn)虛擬實驗在前期預(yù)習(xí)、后期復(fù)習(xí)階段可以發(fā)揮較大作用。虛擬實驗可以把晦澀難懂的實驗機理形象地展現(xiàn)出來，學(xué)生更有興趣觀看并掌握;經(jīng)過觀看虛擬視頻對實驗過程有所了解，心中有數(shù)，避免真實操作的時候感到迷茫，不知從何做起，同時也可減少操作錯誤和實驗失誤。不應(yīng)僅停留在虛擬實驗的學(xué)習(xí)，有條件地應(yīng)盡量把大綱要求的實驗內(nèi)容進行真實實驗操作。受主觀、客觀因素影響，不同學(xué)生做實驗可能會出現(xiàn)不同的現(xiàn)象、結(jié)果，這就要求學(xué)生針對不同情況找出問題的癥結(jié)，有助于培養(yǎng)學(xué)生的探究精神，這是虛擬實驗所不能體驗到的。

4.3? 人文情感不能缺失

在最大程度發(fā)揮虛擬實驗作用的同時，可能會導(dǎo)致一些人文情感的缺失，這也是在運用虛擬實驗平臺的過程中要考慮到的問題[7]。真實實驗過程中，有老師、同學(xué)在場，遇到問題，彼此可以進行探討，當(dāng)面及時解決。這個過程能使學(xué)生增強交流溝通、激發(fā)斗志、探究、人際交往等綜合能力得到鍛煉。特別是對于內(nèi)向、不擅長交際的同學(xué)尤為重要。而虛擬實驗?zāi)壳安荒苓_到這個效果，需要繼續(xù)改進、優(yōu)化。在虛擬實驗過程中，可以增加互動，與老師同學(xué)交流、探討，以減少自己在孤立環(huán)境中的感受。

5? ? 結(jié)語

基于虛擬展廳、仿真實驗及網(wǎng)絡(luò)課程的高分子材料與工程虛擬實驗平臺的建設(shè)，各有側(cè)重并相互融合、優(yōu)勢互補以滿足不同方面的需要?？朔藗鹘y(tǒng)實驗的時空限制、設(shè)備短缺、安全環(huán)保等不足，提高了學(xué)生的興趣、積極性、參與性及創(chuàng)新能力。

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