虛擬仿真在高分子專業課程中的應用＊

梁 爽，王 鑫，孫占英

（河北科技大學材料科學與工程學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，在國民經濟發展中，其工業和研究體系發展為支柱性產業[1]。畢業生可在企業從事合成加工或技術管理，如塑料、橡膠、涂料等相關工作。而虛擬仿真實驗教學，是現代教育教學和信息技術深度融合的產物，也是教學改革工程和國家本科教學質量的關鍵組成部分，是高校實驗室建設創新改革的關鍵。通過應用虛擬仿真的形式，能夠推動高校實驗教學改革，提高學生的學習興趣，促進優質實驗教學資源的發展。

1 “高分子材料與工程”課程傳統教學的不足

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

需要注意，“高分子物理與化學實驗”“材料設計”“生產實習”等，均是本專業實驗實踐類課程教學形式。其中實驗學習的基本構架，主要經膠黏劑、化學纖維、橡膠、塑料、涂料等五大高分子材料實驗構成。但是以上課程主要針對學生選擇方向獨立展開，學生在日后就業時對研究外的材料了解度較低，相互間的關聯性較差，整體知識整合性不佳，且缺乏材料體系間相互串聯。在以后的工作生產中，因傳統實驗教學的單一驗證性特征，自身形成思維定式，難以把實踐和理論很好地連接起來，缺乏創新性特征。一些學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生相應的實驗環境，難以真正體會實驗的意義和目的，學生僅可從教師的教案或互聯網上了解到相關實驗，難以很好地鍛煉其動手動腦能力[2]。

2 虛擬實驗平臺構建及其專業課程教學設計思路

通常認為，經傳感器、信息和網絡技術等所提供的相似于真實實驗系統和環境，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的知識，增加學生專業文化素養。在具體的仿真實驗中，仿真模擬工廠、實驗室安全與環保，以及產品的生產工藝流程等仿真模擬，側重基礎單元操作。通過虛擬實驗平臺的優勢互補等，加強對實驗教學效果的顯著性提升。

在“高分子材料與工程”課程設計中，要求學生能夠實現對生產過程及實際實驗的獨立設計完成。學生在傳統教學中，積極創新設計高分子材料的工藝流程、設備、性能、結構、原料選擇、實驗室/車間布置等，同時撰寫設計報告。經傳統教學和虛擬仿真平臺的結合，能夠幫助學生很好地了解實驗設備原理、在線選擇，學生還能夠加強對真實實驗室/車間情景的仿真，構造出三維的空間環境[3]。除此之外，把預實驗和正式實驗模塊設置在虛擬仿真平臺中，學生能夠實現對相應實驗/生產過程的真實模擬，同時在線模擬實驗流程。

3 高分子專業課程虛擬仿真教學的作用

虛擬仿真，是一個虛擬現實世界，主要應用仿真技術和多媒體結合所形成，可以集合觸覺、嗅覺、視覺、聽覺等于一體，便于用戶產生身臨其境的體驗，感受虛擬空間中的客體，同時實施相應的互動交流。而虛擬仿真教學，打破高校傳統教學模式，是深度融合信息技術和學科專業教學的產物，也是對傳統教學的改進和相應的補充，實現了相應的改革創新。

因為實驗時間、資源、原料和場地等的原因，對于理工類的專業來說，學生的實驗次數受到一定的限制。除此之外，一些價格昂貴的實驗設備，會影響培養目標和學習效果的達成，難以在學校中開展實驗教學[4]。學生經過虛擬仿真平臺，能夠克服現實中實驗試驗、煩瑣的采購流程以及場地的限制，自主選擇實驗設備、原料，在短時間內實現對實驗/生產過程的模擬。通過這樣的方式，能夠提升學生的動手能力，創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，能夠更好地評價設計的合理性，了解相關注意事項和實際需求，設計出極佳的實驗/生產方案。經模塊設計虛擬仿真平臺，教師在其中發布任務，學生了解需完成的任務、各個環節的設計要求，最終完成實驗。教師還可通過這一平臺，及時為學生提供指導，了解學生的完成進度和構思。

4 高分子專業課程虛擬仿真教學應用情況

積極結合專業課程設計要求，把用戶登錄（學生+教師）、選題依據、課題名稱、原料選擇、設備選擇、預實驗、正式實驗、總結報告等主要模塊設計出來。以下將進行具體的解釋說明。

用戶登錄，主要是記錄好學生及教師的個人信息，做好相應的區分；選題依據，主要經查閱文獻和市場調研的方式，說明此課題相應的研究意義和背景；課題名稱，經學生自主設計或導師提供選題目錄，所以教師能夠積極審核課程設計的題目；原料選擇，把相關信息，像生產廠家、貨號、價格、試劑名稱、純度、危險性等錄入到其中；設備選擇，把常見的實驗設備在平臺中錄入，同時在具體的實驗/生產過程中，選擇使用的設備購置價值、類型和成本等，實現在線程序化操作完成反應釜、結構測試儀器、不同類型天平、攪拌器、性能測試儀器等[5]。

之后進行預實驗，實驗/生產過程，主要經虛擬仿真平臺進行模擬，展開預實驗，學生在這一過程中完成實際的操作，結合選擇的實驗裝置和原料等完成。例如，在設備上程序化操作產物的純化、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，學生能夠比較不同設計間的區別，把多個預實驗設計出來[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，通過結合之前進行的預實驗的結果，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，把專業課程設計取得的結果用自動化的方式導出，生成最后的總結報告。

5 結語

虛擬仿真教學盡管無法代替傳統的實踐教學，但是其作為一種全新的教育模式，能夠彌補傳統教學中的不足，實現傳統和仿真模擬教學兩者的有機結合，提升學生的創新能力和動手能力，積極調動學生的積極性與參與性，使學生在實驗的過程中優勢互補、共同提高，同時豐富了課堂教學案例，達到了培訓新教師目的。因此，虛擬仿真實驗教學的建設，需要不斷開發和完善，讓學生更加靈活地學習，學校鼓勵教師提升信息化素養，改善更新教學內容，推進學校一流大學建設。但是，在構建虛擬仿真平臺時，通常所用的成本教高，涉及到大量的互聯網和電子計算機技術，依舊需要教師和學生進行進一步的完善和探索，改善材料學科發展較為落后的現象，促進專業課程的教學質量，同時能夠提高學生的實踐性，對于高分子專業的理論學習也有一定的幫助。