基于虛擬仿真實驗的《高分子材料成型加工》教學改革探討

張嬌霞，周海駿，郭偉杰，李世云，劉 文

（江蘇科技大學 材料科學與工程學院，江蘇 鎮江 212003）

高分子材料成型加工是在高分子物理和高分子化學的基礎上，通過學習高分子材料成型加工使學生了解高分子材料成型加工的基本原理、生產制造方法和工藝過程，培養具備高分子材料與工程知識高級技術人才，為其從事為高分子材料的合成制備、改性、結構、性能和加工應用等領域打下堅實的基礎［1］。本課程依據高分子材料成型加工原理使學生理解掌握擠出、注射、壓延和橡膠加工過程及在加工過程中各種操作因素及在這個過程中所發生的物理化學變化對制品的結構性能的影響，因此高分子材料成形加工具有很強的實踐性。學生在實驗過程中可以更深刻的加深對加工原理的認識，并能很好的培養學生的動手操作和創新能力［2］。但是隨著工業互聯網、大數據、人工智能和虛擬仿真技術的發展，目前傳統的教學模式已無法滿足學生們的需求，如何通過改進課程教學使高分子相關專業的學生適應這種變化，切實提高學生的實踐創新能力，是新時代技術背景下該門課程實驗教學所面臨的挑戰。

1 高分子材料成型加工實驗過程存在的問題

目前我校高分子材料成型加工實驗課程主要采用教師準備原材料、利用學校現有設備對其進行加工與成型，進一步對其結構與性能進行表征測試。然而隨著行業技術的發展與整合，傳統的高分子材料成型加工實驗課程存在如下問題：（1） 課程內容更新速度慢，存在與行業技術設備發展脫節等現象。（2）成型加工的擠出機、注塑機、密煉機、壓延機和硫化機等，購置成本高且場地占用空間大，每個實驗所涉及的設備配套數量一般就一兩臺，因此經常采取分組的教學方式，并即便如此也很難實現每一位同學都可以上手操作所有的加工設備，另外出于安全考慮，很多時候學生無法實現從開始準備到實驗結束的完整實驗流程，更多的時候則只能采用圍觀式的教學，學生在這種被動式圍觀式的教學過程中很難對實驗過程有深刻認識，更難掌握背后的實驗原理。（3）教師對高分子材料成型加工實驗體系的教學效果評估主要依靠的是學生最后上交的實驗報告，而很難將學生的現場操作和理論學習聯系起來綜合評價［3］。因此必須對傳統的實驗課程教學模式進行教學改革，提高學生的主動學習能力，促進理論與實踐相結合的教學模式迫在眉睫。

2 虛擬仿真實驗室發展現狀

隨著工業互聯網、大數據、人工智能的發展，虛擬仿真技術因能夠完成許多傳統實驗教學無法操作實施的教學實驗，受到了越來越多高校的重視。

虛擬仿真實驗室是利用互聯網、人工智能和虛擬現實技術等建構的在一定場景下模擬真實型實驗設備的虛擬實驗軟件教學系統，利用該教學系統可以將真實的教學用實驗設備以及整個實驗流程進行虛擬化的呈現出來。學生憑借電腦或采用賬號的形式進入虛擬實驗軟件系統進行人機交互操作，學生有一種親身體驗的感覺。因此虛擬仿真實驗室不受時間和地點的限制，并且教學過程靈活，無需提供實驗設備與材料，而受到國內外高校的重視。例如最具代表的美國耶魯大學利用虛擬仿真實驗室的移動應用程序實現了對相關數據進行記錄和分析的相關實驗。英國開放科學實驗室開則可以通過遙控儀器實現遠程實驗，實現了在線共享虛擬儀器設備。

國內很多高校也實現了虛擬仿真實驗室的建立。北京大學依據光學位置追蹤系統構建了沉浸式虛擬現實展示交互實驗室。清華大學則在材料的快速成型技術方面實現了虛擬仿真實驗室的構建。北京化工大學則在2013 年就建立了化工安全與裝備虛擬仿真實驗教學中心，將虛實結合切實提高實踐教學能力，通過更加貼近真實的教學環境達到豐富實踐教學內容。

3 虛擬仿真實驗室在高分子材料成型加工實驗課中的優勢

高分子材料成型加工實驗是將高分子材料成型加工的基本原理與生產實踐相結合，實踐性非常強的一門操作訓練課程，在構建高分子成型加工實驗虛擬仿真實驗室，應以真實所需的實驗平臺為依據，構建實驗過程所需的虛擬場景，用其反應高分子材料加工所需的設備和加工過程。

課程內容方面可以跟蹤行業發展現狀與前沿技術，更新實驗內容并且可以設置真實實驗室沒有的新設備相關實驗。例如可以將機器人與設備相結合實現行業技術發展的無人車間，進一步引入在線監測操技術，拉近實驗與工業生產之間的關系。開設目前的熱點3D 打印技術相關實驗使得實驗課程緊跟前沿技術發展。值得注意的是，在整個實驗室的布局，設備及其組成零部件和工藝控制等方面，要力求反映高分子材料成型加工的真實過程。

在教學實施方面，虛擬仿真實驗室則不受時間、地點影響，學生甚至在課余時間可憑借仿真虛擬實驗室計算機或自己電腦上憑借賬號進入軟件系統進行相關的實驗學習，直觀認識設備的構造與組成、設置不同的工藝參數對高分子材料進行相應的成型加工，虛擬實驗過程如果遇到問題可以及時在線的通過管理系統進行反饋，教師可在線進行答疑。有效改善了真實實驗教學過程中圍觀式的被動局面，從而讓學生對依據理論知識進行的實際生產過程有更深刻的認識。

在教學效果評價方面，打破了傳統的依據實驗印象和實驗報告打分的局面，在仿真虛擬實驗室教師可查看學生的實驗操作過程，對學生綜合客觀的打分。

4 結 語

在計算機和互聯網、人工智能等技術的快速發展背景下，通過基于真實的高分子材料加工的實驗平臺構建虛擬仿真實驗室，可以實現不受時間地點限制的教學內容的靈活設置，實現實驗教學的全面科學的效果評估，促進理論教學與實踐教學的緊密聯合，突破真實實驗教學存在的圍觀式弊端，提高學生學習的積極性主動，最終使得學生對高分子材料成型加工原理和工藝過程有更深刻的認識。