動態模擬仿真在高校工科教學中的探索與應用

李穎+張亮+后振中+張立+魯杰+梁晨+魏啟兵

摘要：本文介紹了動態模擬仿真在教學中的應用，提出現有教學存在的問題，以高校工科的教學為特點，從學生的需求出發，以現有教學條件為基礎，采用動態模擬仿真的教學方法，解決單一講授、黑板平面演示等傳統單一、不生動的靜態教學方式，探索了以研發和生產能力相關專業教學模式的改革，討論了將動態模擬仿真這種新的教學理念引入教學環節的效果和意義。這說明改變以往的理論授課方式，利用動態的三維立體圖像能使學生極大程度的掌握生產流程，彌補學生無法及時深入生產第一線的不足;激發了學生的學習興趣，強化了學生的工程意識，培養了學生思考和解決問題的能力。利用教學反饋不斷的改進教學方法提高課堂教學水平，培養適應本專業發展潮流的高素質專業人才，取得了良好的教學效果。

關鍵詞：動態演示;流程模擬;教學模式;生產流程;課堂互動

中圖分類號：G642.0 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2015）20-0130-02

動態模擬仿真技術（Simulation）是一門包含多學科的綜合性技術，它以控制論、系統論、相似原理和信息技術為基礎，以計算機和專用設備為工具，利用系統模型對實際的或設想的系統進行動態演示[1-3]。仿真技術主要是以某種對象為參考藍本，利用機械制作或手工組裝將對象模擬一個實體的技術[4，5]。其誕生之初系用于軍事科研用途，其后運用于各個領域，包括高聚物反應過程的仿真模擬。用動態仿真的動畫流程全面展現高聚物反應過程[6-8]，模擬高聚物的合成現場，使學生對學習理論知識不感到枯燥，反而有強烈的興趣。切實領導好學生的思考過程，發展學生的邏輯思維能力和獨立獲取知識、運用知識的能力。

一、教學過程中存在的問題

1.在傳統的高校工科專業教學中，學生從屬于被動的地位，教師授課以平面授課為主，講解方式單一。特別是專業課程，由于涉及的內容較多，學生之前所學的基礎知識不同，教材中所介紹的示例內容較為簡單，對相關的實踐環節的知識點也沒有過多提及，學生不能很好地理解所敘述的例子。

2.急于求成的現象?，F代工程領域中，高度的自動化、連續化和集成化，甚至有些行業易燃、易爆、危險性大，生產過程在嚴密的監控下實施。

3.對于大多數的生產流程不能在課堂上重現，因此在工科教學的環節中，學生只能根據教材被動的看，被動的聽，只是接收平面、二維、靜態的畫面，無法提高學生理論聯系實際、分析問題和解決問題以及動手的能力，更難以深入實際。這也是工科教學中長期面臨的一個問題，為此急需一種適用的教學模式和教學手段來解決這一問題，進行教學改革，以期提高教學效果。

二、動態模擬仿真

隨著計算機的問世與科技的進一步發展，對高等教育和教學提出了不同以往的挑戰與要求。教學大綱的反復修訂對教師的授課模式有新的規劃，如何將經典、傳統的授課內容形象化，激發學生的學習熱情是擺在教師面前的首要問題。計算機仿真技術的問世與應用，改變了高校教育模式。全流程仿真技術的運用就是基于其原本的綜合呈現這一屬性，將機械仿真技術和計算機成像技術結合，通過合理的畫面演示及計算機圖像呈現，把對象主體活生生地展現出來[9，10]。這種技術在聚合物反應過程演示中運用得日益廣泛。通過模擬真實的現場工藝過程，逼真地將枯燥的生產環節及分析儀器等形象呈現于學生面前，讓學生感受真實的化工生產環境，極大程度地調動了學生的學習積極性和主動性，這種互動教學的課堂氛圍無疑提高了學生的學習興趣及對知識的掌握程度。

三、動態模擬仿真技術在教學中的應用

按照社會和企業的要求解構現行的學科課程體系，整合重構建立突出研發和生產能力培養的課程體系。根據職業能力的要求，確定教學項目，包括學習項目和拓展項目，采用小型生產進實驗室，大型生產采用全流程仿真系統模擬的形式，整個學習過程中知識和能力的訓練安排體現漸進性。以聚合物合成這一課程為例，闡述動態模擬仿真技術在教學中的應用。學生通過該課程的學習，弄清高聚物聚合原理與合成工藝的關系，對學生進行生產工藝觀點的培養，達到培養學生在教學科研和生產活動中分析問題、解決問題的能力的目的，同時對今后更深入的學習其他專業課打好基礎，具有重要意義。

1.理清聚合物合成的總的反應流程，如圖1所示。

2.具體再根據每一種聚合物的聚合特點，設計反應流程。以懸浮聚合為例，設計反應流程，如圖2所示。

3.最后建立聚合物合成動態仿真系統，設立專業教學資源庫。以計算機技術為依托，以文本資源、視頻資源和圖片資源為后盾，在學習課本知識的基礎上，觀摩動態仿真的流程，可使學生真正了解聚合物合成的過程，并留下深刻印象，學以致用。以前述步驟為基礎，創建聚合物合成動態模擬仿真系統，表1所示全流程動態仿真系統資源來源。

根據懸浮聚合的反應流程，設計如下仿真動態流程，視頻截圖如圖3所示。

為了更為形象具體的描述懸浮聚合的過程，采用聚氯乙烯的懸浮聚合樣本，繪制模擬仿真流程圖。

4.動態模擬仿真教學的總結。隨著現代社會行業結構的多樣化，對人才的需求提出了更高的要求，更注重人才素質的專一化、綜合化和個性化。這樣的就業需求對傳統的教學模式、人才培養方式提出了新的要求。就我們采用動態模擬仿真流程的教學過程中總結體會到，工科教學中仍然采用傳統的純黑板教學模式，十分的枯燥、單一，無法調動學生的學習積極性和主動性。采用動態模擬仿真的教學方式，使學生仿佛置身于生產流程的仿真環境之中，教與學互動，充分調動了學生的學習興趣和熱情，學習效率明顯提高，使枯燥的理論教學生動化、形象化，極大程度地加深了學生對工藝流程及設備的印象，學習效果事半功倍。

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