高分子材料课程设计虚拟仿真技术应用

关键词：虚拟仿真；实验教学；高分子材料课程设计

引言

近年来，以虚拟现实(VR)和增强现实(AR)技术为代表的计算机虚拟仿真技术实现了无与伦比的真实感和交互性，正得到人们越来越多的关注和认同，迅速地走进我们的生活，也必将会深刻地影响我们的教育与教学。2018年教育部在《关于加快建设高水平本科教育全面提高人才培养能力的意见》(教高〔2018〕2号)(简称“高教40条”)的文件中提出要推进现代信息技术与教育教学深度融合，助力提高教师的教学水平，其中明确指出要大力推进虚拟仿真实验建设[1]。这是因为实验教学是实现理论与实践相结合必不可少的环节，对于培养学生的动手实践能力和基本科学素养来说至关重要。而当前虚拟仿真技术正逐渐走进大学的实验室，日益改变传统的实验教学方式，塑造了新的实验教学面貌，推动教育教学改革不断向更高层次发展。因此如何将这种先进技术更好地融入到我们的实验课程教学中，并不断提高学生的学习成效是每一位实验任课教师都需要认真思考和探索的课题[2-3]。

1高分子材料课程设计课程传统实验教学存在的问题

1.1实验条件不足

高分子材料课程设计课程传统实验中需要用到许多仪器设备，包括用于高分子材料加工成型的密炼机、硫化机、注塑机和挤出机等大型设备，以及用于材料性能分析表征的万能拉伸试验机、流变仪、热分析仪等精密仪器设备。它们大都价格不菲而且占用实验室场地大，因此大部分高校购置的此类仪器的数量通常很少[4]。甚至在有些高校中，由于仪器设备和实验场所等条件所限，导致这一门原本应当锻炼学生的动手操作能力和综合运用所学知识分析解决实际问题能力的实践课程，变成了一门综述型设计课程[5]。在这个改变中，存在着不少可以理解的现实困难：从长时间的聚合反应过程，到需要大量样品的加工成型过程，再到昂贵的精密测试仪器。实验组织困难和成本消耗高成为阻碍培养学生综合能力的拦路虎[6]。

1.2教学目标难实现

高分子材料课程设计是一门以化学合成、成型加工和分析表征高分子材料全过程的综合性工程实践课程，旨在培养学生的专业知识积累、迁移和应用的能力。一方面，它对于巩固和加深对高分子材料、高分子化学、高分子材料成型加工原理和材料测试技术等课程知识的认知与理解，是十分重要的一环；另一方面，它更贴近实际生产，为培养既能适应高分子材料生产需要又具有工程设计能力的专业技术人才打下坚实的基础[7]。然而，对于加工成型设备来说，普遍需要在高温条件下操作，为避免因人多拥挤、安全措施不到位等因素而发生学生烫伤等意外事故，老师们不得不采取分组演示的教学方式。而对于昂贵且精密的分析表征设备来说，则往往出于保护设备的目的，只允许每组中选出一名同学作为代表来操作，其他同学则围观学习。总之，在这样一门十分重要的实践课程中，却无法保证每一位同学都可以从头到尾地亲手操作所有的仪器设备，亲身参与全部的实验过程，因此学生作为旁观者而非参与者自然很难对课程设计的作用和意义有深刻认识和理解，更别提锻炼他们的动手实操能力和分析解决实际问题的能力了。可想而知，这样一来本门课程的教学效果肯定大打折扣。

2虚拟仿真技术在高分子材料课程设计课程实验

教学中的优势走马观花式的实践教学注定难以实现设定的课程目标，因此虚拟仿真软件和在此基础上发展起来的虚拟仿真云平台，正是在某些传统实验教学面临困难的背景下应运而生，并得到了快速发展。具体说来，虚拟仿真技术在本实验课程的教学中有如下的优势。

2.1实验过程更细致

将虚拟仿真技术应用到高分子材料课程设计的全部流程，从模拟聚合反应过程(如：苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯等不同聚合单体的悬浮聚合、乳液聚合等)，到高分子材料成型加工(如：注射模塑成型、挤出成型等)，再到材料性能分析表征(如：力学拉伸性能、熔融指数、热稳

定性等)。学生在完成与实验相关的理论学习后，可以在高度近似真实实验环境的模拟场景中直观而清楚地认识各种以真实实验设备为蓝本的虚拟仪器设备的构造。除了具有和视频影像资料相似的真实感之外，还可以以第一视角的体验与交互模式学习实验操作的流程。以挤出成型模拟仿真实验为例，除了可以清楚看到双螺杆或单螺杆挤出机的构造，并了解挤出成型原理外，还可以学习挤出机操作步骤并通过改变进料速度、各区温度等参数来掌握这些参数对制品性能的影响。这不但可以避免真实场景中围观但看不仔细且参与感不强的情况，还可以让学生自己动手操作摸索出挤出成型加工的一般规律。在虚拟实验过程遇到问题可以及时通过线上管理系统或线下的方式向任课教师进行反馈。更重要的是，可以突破现实中的限制，自由发挥想象力，在不同的聚合反应、成型加工或性能表征虚拟仿真系统中任意更改条件或设置不同的参数，观察实验结果会有何不同，或许会有新的发现，同时还无需担心实验安全问题。

2.2实验时间更自由

通过使用虚拟仿真实验室里安装有虚拟仿真软件的计算机，学生可以在实验任课教师分配好的时间或提前预约好的时间内，自主进行软件操作方法学习和虚拟仿真实验的操作。对于建设有虚拟仿真实验云平台的高校来说，则可以在自己的电脑上通过账号登录的方式进入虚拟仿真实验教学中心的软件系统，随时进行学习和操作，这样给了学生很大的学习自由度，显著地提高学生学习的积极主动性和独立自主性。学生可以在每学期的规定截止日期以前，选择在理论课学习之后合适的时间内完成，促进理论教学与实践教学的紧密联合，使得学生对高分子材料的聚合反应原理、加工工艺和性能特征等知识有更深刻的认识和理解。

2.3实验评价更合理

在以往的实验课程评价上，老师们大多停留在实验到勤情况和实验报告的撰写情况两个方面。因为很多实验中大部分学生都处在围观的状态中，只有少数学生能有动手操作的机会，因此考虑到公平性问题而无法对学生的实验操作过程这一重要的中间环节进行评判。而对于在最终成绩中占比更大的实验报告来说，学生之间相互抄袭或从网络上抄袭的情况屡见不鲜，这样一来使得很少有学生在实验课程中挂科，同时学生的实验课成绩没有区分度。这进而导致了学生不愿意认真对待，学习的热情自然也就不高。为了破除这种不公平不合理的评判规则，虚拟仿真实验中将更加重视过程性评价。虚拟仿真软件或平台可以对学生的操作过程进行自动记录和评价，比如是否依照标准的实验操作流程进行以及是否符合实验操作规范。教师可以通过软件或平台查看学生在虚拟仿真实验中各步骤的得分情况，结合最后的实验报告，对学生进行综合打分评价，实现实验教学效果的科学评估。当然，评价不是最终的目的，对于虚拟实验操作不达标的学生，依然可以有重复学习的机会，这有助于提高课程设计的教学质量，也使课程设计在应用型人才培养过程中的作用更加突出。

3结语

和传统实验室比较起来，虚拟仿真实验室建设成本相对较低，在应对高危险和高消耗实验方面有无可比拟的优势。除此以外，虚拟仿真实验教学过程中限制条件少，无论是实验时间上还是实验操作环节上学生都可以相对自由地做出选择，能够明显提升学生的参与感，对提高学生的学习热情和主动性有很大的帮助，更重要的是可以锻炼学生的独立操作、独立思考和分析问题的能力。另外，对于学生的学习效果评价也更公平，最终取得比单独进行传统实验更好的教学效果。当然这并不意味着用虚拟仿真实验完全替代传统实验，而是要将虚拟仿真技术的优势充分发挥出来，同时也要虚实结合、取长补短，不可偏废。在虚拟仿真实验之外，也要通过操作演示真实的仪器设备或工厂实地考察参观等方式弥补虚拟仿真实验的不足。只有将两者深度融合，有机地统一起来，才能真正提升实验教学质量，使实验学科更好地适应人才培养的要求，培养出社会所需要的人才。