濕法紡絲實驗虛擬仿真教學與課程思政模式探索

江峰 隋坤艷 袁華 張小艷 譚業(yè)強

[摘 要] 隨著信息技術的發(fā)展，虛擬仿真技術也逐漸應用于教學中，與傳統(tǒng)教學的有機結合極大地豐富和改革了傳統(tǒng)的教學手段。依托青島大學開發(fā)的“海洋生物質纖維成形虛擬仿真”實驗項目，結合項目運行周期中遇到的問題，探索虛擬仿真實驗高階性內涵與創(chuàng)新性教學，闡述了虛擬仿真技術在濕法紡絲實驗中的應用，總結了虛擬仿真線上教學和實體實驗線下教學的結合，并將課程思政內容滲入實驗教學中，總結了相關的教學方法，提高了學習效率和教學效果。

[關鍵詞] 海洋生物;虛擬仿真;課程思政

[基金項目] 2018年度山東省研究生教育優(yōu)質課程“材料物理化學”建設項目（SDYKC18049）;2018 年度山東省研究生導師指導能力提升項目“服務未來綠色化纖/紡織行業(yè)的工程碩士培養(yǎng)研究與實踐”（SDYY18072）;2020年度青島大學創(chuàng)新型教學實驗室研究項目“金課背景下‘海洋生物質纖維成型實驗線上線下教學模式構建”

[作者簡介] 江 峰（1970—），女，山東青島人，博士，青島大學材料科學與工程學院講師，主要從事濕法紡絲成型工藝研究;

隋坤艷（1969—），女，山東青島人，博士，青島大學材料科學與工程學院院長，教授（通信作者），主要從事海藻纖維加工工藝研究。

[中圖分類號] G640? ? [文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2021）39-0144-04? ? [收稿日期] 2021-05-08

一、引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、虛擬現(xiàn)實等信息的快速發(fā)展，虛擬仿真技術已經(jīng)滲入各個領域[1]。在日新月異的新形勢下，高等教育必須適應新時代人才培養(yǎng)的需要，將新技術與實踐教學相結合，強化學生理論知識的學習，提高實踐動手能力和解決實際問題的能力，從而提高人才培養(yǎng)質量，更好地服務于社會與經(jīng)濟發(fā)展[2]。信息技術的快速發(fā)展為提高教學手段提供了充分的準備。將虛擬仿真技術應用于實驗教學項目，是將現(xiàn)代信息技術融入實驗教學項目、拓展實驗教學內容的廣度和深度、延伸實驗教學的時間和空間、提升實驗教學質量和水平的重要舉措。以虛展實、以虛代實，從而快速響應實驗教學的需求，拉近實驗教學與工程實踐的距離，促進學生自主學習和探究式學習，解決目前線下實驗中難以操作、難以實現(xiàn)的問題。2013年8月，教育部決定開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設[3]，充分體現(xiàn)了對虛擬仿真教學在高校實踐教學體系中應用的重視。隨著虛擬仿真實驗教學從以信息化網(wǎng)絡平臺建設為重點的初始階段，進入以優(yōu)質項目資源建設與應用為重點的深入發(fā)展階段，注重以現(xiàn)代信息技術為依托，以相關專業(yè)急需的實驗教學內容為指向，以完整的實驗教學項目為基礎，促進實驗教學質量穩(wěn)步提高[4，5]。

本文通過分析濕法紡絲實驗虛擬仿真與線下教學的結合，探索促進學生掌握濕法紡絲理論知識、提高學生動手解決纖維濕紡生產(chǎn)中實際問題的能力、培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維的教學手段，以使實驗教學與工程實踐進一步拉近距離，培養(yǎng)出社會急需的具有實踐創(chuàng)新能力和解決復雜工程問題能力的一流人才。

二、濕法紡絲虛擬仿真線上教學的構建

（一）濕法紡絲實驗課程介紹

化學纖維的濕法紡絲實驗課程是針對我校工科特色開設的一門面向高分子材料專業(yè)本科生的大型實驗課程，是培養(yǎng)本專業(yè)學生將理論知識與實踐工程聯(lián)系起來的重要教學環(huán)節(jié)。實驗的目的是以海藻纖維的成型過程為例，使學生了解化學纖維濕法紡絲的工藝流程，掌握海藻纖維紡絲的原理、方法、加工工藝及流程，進一步掌握和加深對濕法紡絲方法的理解，同時使學生了解濕法紡絲的設備組成和構造，并初步掌握濕法紡絲的基本操作步驟和技能。

化學纖維的濕法紡絲成型過程主要是針對分解溫度低于熔點的高聚物在紡絲時所采用的方法。不同于熔法紡絲的簡單形變過程，濕法紡絲時高聚物需要溶解在良溶劑中形成一定濃度的紡絲液，擠出成型后又需要去除并回收溶劑，因此濕法紡絲不僅工藝流程長，而且涉及多組分聚合物流體的形變及固化，使紡絲過程變得復雜。另一方面，濕法紡絲的紡前準備過程操作周期長。高聚物的溶解不同于小分子，其溶解時間特別長，聚合物要經(jīng)歷溶脹到溶解的過程，如海藻酸鈉在水中的溶解過程大約需要4個小時。紡絲過程要想順利進行，必須在紡前準備中經(jīng)過過濾、脫泡的過程，其中，脫泡的過程更是長達8小時以上。如此長時間的操作過程在現(xiàn)實條件下受到設備的限制，很難安排眾多學生親自完成，這就凸顯出了虛擬仿真的優(yōu)勢，使學生在虛擬環(huán)境下操作，真切地了解每個生產(chǎn)步驟的工藝條件，從而完整地掌握理論知識和生產(chǎn)工藝。

（二）濕法紡絲虛擬仿真教學的設計

1.自主學習模式。實驗開始前，首先讓學生進行自主學習，內容包括實驗室安全知識和基本操作，以及化學纖維濕法紡絲涉及的理論知識。例如，通過動畫演示滅火器和滅火毯的使用方法，使學生掌握這些基本安全操作。通過生動、形象的動畫形式激發(fā)學生的學習興趣，達到掌握知識的目的。其次，需要學生明確濕法紡絲實驗的目的，清楚本次實驗要完成的目標。了解高分子材料加工的概念和過程，熟悉和掌握濕法紡絲的工藝流程，對紡前準備、紡絲成型和后加工及卷繞等各個工序所涉及的原理和工藝進行學習。這些內容在虛擬仿真的知識點部分都會展示，學生可以一一點開按鈕，學習相關內容。另外，對生物質纖維，如海藻纖維和殼聚糖纖維的結構特性、發(fā)展現(xiàn)狀、儀器設備、加工流程及應用也做了相關介紹，學生可以點開獲得相關知識。

進入實驗操作步驟環(huán)節(jié)，軟件采用虛擬仿真的場景和設備，利用學生熟悉的游戲方式，通過提示并講解各個工藝步驟的條件和原理，引導學生將整個濕法紡絲流程操作一遍。為了便于學生反復學習，在一遍操作過程結束后，學生可以返回開始步驟，改變工藝條件，繼續(xù)進行操作，從而最終掌握生物質纖維濕法紡絲的工藝流程和紡絲原理。在每一步驟中，都為學生設計了相關的思考題，內容即為剛剛學習的理論知識，以期學生能夠將學習到的理論知識及時鞏固。思考題采用選擇題的形式，錯選會有提示，然后將正確答案顯示出來并做出解釋，進一步夯實學生的理論知識。