虛擬仿真在高分子專業(yè)課程中的應(yīng)用＊

梁 爽，王 鑫，孫占英

（河北科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院高分子材料與工程系，河北 石家莊 050018）

“高分子材料與工程”具有廣闊的前景且充滿活力，在國民經(jīng)濟發(fā)展中，其工業(yè)和研究體系發(fā)展為支柱性產(chǎn)業(yè)[1]。畢業(yè)生可在企業(yè)從事合成加工或技術(shù)管理，如塑料、橡膠、涂料等相關(guān)工作。而虛擬仿真實驗教學(xué)，是現(xiàn)代教育教學(xué)和信息技術(shù)深度融合的產(chǎn)物，也是教學(xué)改革工程和國家本科教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵組成部分，是高校實驗室建設(shè)創(chuàng)新改革的關(guān)鍵。通過應(yīng)用虛擬仿真的形式，能夠推動高校實驗教學(xué)改革，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促進優(yōu)質(zhì)實驗教學(xué)資源的發(fā)展。

1 “高分子材料與工程”課程傳統(tǒng)教學(xué)的不足

“高分子材料與工程”課程有較高的實踐性和應(yīng)用性，所以通過實驗教學(xué)的方式，對本專業(yè)學(xué)生日后正式工作中應(yīng)對問題、應(yīng)用實踐的技巧和能力可以產(chǎn)生直接性的影響。但是傳統(tǒng)的教學(xué)方式存在著很多不足，難以滿足國家工業(yè)在新時代下的變化需求。

需要注意，“高分子物理與化學(xué)實驗”“材料設(shè)計”“生產(chǎn)實習(xí)”等，均是本專業(yè)實驗實踐類課程教學(xué)形式。其中實驗學(xué)習(xí)的基本構(gòu)架，主要經(jīng)膠黏劑、化學(xué)纖維、橡膠、塑料、涂料等五大高分子材料實驗構(gòu)成。但是以上課程主要針對學(xué)生選擇方向獨立展開，學(xué)生在日后就業(yè)時對研究外的材料了解度較低，相互間的關(guān)聯(lián)性較差，整體知識整合性不佳，且缺乏材料體系間相互串聯(lián)。在以后的工作生產(chǎn)中，因傳統(tǒng)實驗教學(xué)的單一驗證性特征，自身形成思維定式，難以把實踐和理論很好地連接起來，缺乏創(chuàng)新性特征。一些學(xué)校因為一些實驗存在污染大、能耗高、危險高的特點，不提供或缺乏條件給予學(xué)生相應(yīng)的實驗環(huán)境，難以真正體會實驗的意義和目的，學(xué)生僅可從教師的教案或互聯(lián)網(wǎng)上了解到相關(guān)實驗，難以很好地鍛煉其動手動腦能力[2]。

2 虛擬實驗平臺構(gòu)建及其專業(yè)課程教學(xué)設(shè)計思路

通常認為，經(jīng)傳感器、信息和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等所提供的相似于真實實驗系統(tǒng)和環(huán)境，便能夠被稱為是虛擬實驗。所以可通過滾動字幕的形式，在仿真實驗室和實驗大樓等展廳屏幕，播放像常用儀器的維護、清洗、使用等事項，以及實驗室安全常識等與實驗有關(guān)的知識，增加學(xué)生專業(yè)文化素養(yǎng)。在具體的仿真實驗中，仿真模擬工廠、實驗室安全與環(huán)保，以及產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝流程等仿真模擬，側(cè)重基礎(chǔ)單元操作。通過虛擬實驗平臺的優(yōu)勢互補等，加強對實驗教學(xué)效果的顯著性提升。

在“高分子材料與工程”課程設(shè)計中，要求學(xué)生能夠?qū)崿F(xiàn)對生產(chǎn)過程及實際實驗的獨立設(shè)計完成。學(xué)生在傳統(tǒng)教學(xué)中，積極創(chuàng)新設(shè)計高分子材料的工藝流程、設(shè)備、性能、結(jié)構(gòu)、原料選擇、實驗室/車間布置等，同時撰寫設(shè)計報告。經(jīng)傳統(tǒng)教學(xué)和虛擬仿真平臺的結(jié)合，能夠幫助學(xué)生很好地了解實驗設(shè)備原理、在線選擇，學(xué)生還能夠加強對真實實驗室/車間情景的仿真，構(gòu)造出三維的空間環(huán)境[3]。除此之外，把預(yù)實驗和正式實驗?zāi)K設(shè)置在虛擬仿真平臺中，學(xué)生能夠?qū)崿F(xiàn)對相應(yīng)實驗/生產(chǎn)過程的真實模擬，同時在線模擬實驗流程。

3 高分子專業(yè)課程虛擬仿真教學(xué)的作用

虛擬仿真，是一個虛擬現(xiàn)實世界，主要應(yīng)用仿真技術(shù)和多媒體結(jié)合所形成，可以集合觸覺、嗅覺、視覺、聽覺等于一體，便于用戶產(chǎn)生身臨其境的體驗，感受虛擬空間中的客體，同時實施相應(yīng)的互動交流。而虛擬仿真教學(xué)，打破高校傳統(tǒng)教學(xué)模式，是深度融合信息技術(shù)和學(xué)科專業(yè)教學(xué)的產(chǎn)物，也是對傳統(tǒng)教學(xué)的改進和相應(yīng)的補充，實現(xiàn)了相應(yīng)的改革創(chuàng)新。

因為實驗時間、資源、原料和場地等的原因，對于理工類的專業(yè)來說，學(xué)生的實驗次數(shù)受到一定的限制。除此之外，一些價格昂貴的實驗設(shè)備，會影響培養(yǎng)目標(biāo)和學(xué)習(xí)效果的達成，難以在學(xué)校中開展實驗教學(xué)[4]。學(xué)生經(jīng)過虛擬仿真平臺，能夠克服現(xiàn)實中實驗試驗、煩瑣的采購流程以及場地的限制，自主選擇實驗設(shè)備、原料，在短時間內(nèi)實現(xiàn)對實驗/生產(chǎn)過程的模擬。通過這樣的方式，能夠提升學(xué)生的動手能力，創(chuàng)新改革具體的實驗操作過程。除此之外，在具體的模擬過程中，能夠更好地評價設(shè)計的合理性，了解相關(guān)注意事項和實際需求，設(shè)計出極佳的實驗/生產(chǎn)方案。經(jīng)模塊設(shè)計虛擬仿真平臺，教師在其中發(fā)布任務(wù)，學(xué)生了解需完成的任務(wù)、各個環(huán)節(jié)的設(shè)計要求，最終完成實驗。教師還可通過這一平臺，及時為學(xué)生提供指導(dǎo)，了解學(xué)生的完成進度和構(gòu)思。

4 高分子專業(yè)課程虛擬仿真教學(xué)應(yīng)用情況

積極結(jié)合專業(yè)課程設(shè)計要求，把用戶登錄（學(xué)生+教師）、選題依據(jù)、課題名稱、原料選擇、設(shè)備選擇、預(yù)實驗、正式實驗、總結(jié)報告等主要模塊設(shè)計出來。以下將進行具體的解釋說明。

用戶登錄，主要是記錄好學(xué)生及教師的個人信息，做好相應(yīng)的區(qū)分；選題依據(jù)，主要經(jīng)查閱文獻和市場調(diào)研的方式，說明此課題相應(yīng)的研究意義和背景；課題名稱，經(jīng)學(xué)生自主設(shè)計或?qū)熖峁┻x題目錄，所以教師能夠積極審核課程設(shè)計的題目；原料選擇，把相關(guān)信息，像生產(chǎn)廠家、貨號、價格、試劑名稱、純度、危險性等錄入到其中；設(shè)備選擇，把常見的實驗設(shè)備在平臺中錄入，同時在具體的實驗/生產(chǎn)過程中，選擇使用的設(shè)備購置價值、類型和成本等，實現(xiàn)在線程序化操作完成反應(yīng)釜、結(jié)構(gòu)測試儀器、不同類型天平、攪拌器、性能測試儀器等[5]。

之后進行預(yù)實驗，實驗/生產(chǎn)過程，主要經(jīng)虛擬仿真平臺進行模擬，展開預(yù)實驗，學(xué)生在這一過程中完成實際的操作，結(jié)合選擇的實驗裝置和原料等完成。例如，在設(shè)備上程序化操作產(chǎn)物的純化、后處理，以及溶液的配制、進樣，甚至于原料的稱量、檢查等流程。在此過程中，學(xué)生能夠比較不同設(shè)計間的區(qū)別，把多個預(yù)實驗設(shè)計出來[6]。之后便能夠進行具體的、正式的實驗過程，積極修正好實驗流程，通過結(jié)合之前進行的預(yù)實驗的結(jié)果，選擇最佳方案，錄制操作視頻，完成正式的實驗過程。最后一道工序，就是進行報告的總結(jié)，把專業(yè)課程設(shè)計取得的結(jié)果用自動化的方式導(dǎo)出，生成最后的總結(jié)報告。

5 結(jié)語

虛擬仿真教學(xué)盡管無法代替?zhèn)鹘y(tǒng)的實踐教學(xué)，但是其作為一種全新的教育模式，能夠彌補傳統(tǒng)教學(xué)中的不足，實現(xiàn)傳統(tǒng)和仿真模擬教學(xué)兩者的有機結(jié)合，提升學(xué)生的創(chuàng)新能力和動手能力，積極調(diào)動學(xué)生的積極性與參與性，使學(xué)生在實驗的過程中優(yōu)勢互補、共同提高，同時豐富了課堂教學(xué)案例，達到了培訓(xùn)新教師目的。因此，虛擬仿真實驗教學(xué)的建設(shè)，需要不斷開發(fā)和完善，讓學(xué)生更加靈活地學(xué)習(xí)，學(xué)校鼓勵教師提升信息化素養(yǎng)，改善更新教學(xué)內(nèi)容，推進學(xué)校一流大學(xué)建設(shè)。但是，在構(gòu)建虛擬仿真平臺時，通常所用的成本教高，涉及到大量的互聯(lián)網(wǎng)和電子計算機技術(shù)，依舊需要教師和學(xué)生進行進一步的完善和探索，改善材料學(xué)科發(fā)展較為落后的現(xiàn)象，促進專業(yè)課程的教學(xué)質(zhì)量，同時能夠提高學(xué)生的實踐性，對于高分子專業(yè)的理論學(xué)習(xí)也有一定的幫助。