全氟濾芯微孔膜虛擬仿真實驗的應用*

王 偉，付爭兵，朱 磊，肖祖峰，顏永斌，李 偉

(湖北工程學院，湖北 孝感 432000)

隨著現代材料技術的發展與新工科建設的完善，本科培養的現代材料行業的人才必須從實用型逐步向綜合性、創新型和多樣化方向轉變。實踐實驗教學是高分子材料專業本科教學的重要組成部分，是連通本學科的基礎知識與工業工廠實際應用的重要渠道和橋梁，對于培養學生的實際操作能力、工程意識和工程技術創新精神有及其重要的作用[1-3]。然而高分子材料專業涵蓋的知識面寬，知識跨度大、交叉性強，在實踐教學過程中面臨著一些工程類專業的共性問題，急需優化實驗課程來保障人才培養目標的實現[4-6]。高分子材料加工與成型課程作為我院高分子材料工程專業學生的一門專業基礎課程，課程承前啟后，對實習實訓和畢業設計至關重要[7-8]。學生在學習過程中存在對理論、大型測試儀器結構、原理不熟悉，對材料微觀結構缺乏感性認識，同時由于常規設備占地大、大型測試儀器相對價格昂貴，儀器的臺套數嚴重不足，絕大多數學生在實驗課上得不到親自操作儀器設備的機會，所以學生在學習專業知識時普遍會產生畏難情緒，嚴重的制約了學生動手能力和獨立分析思考的能力的提高，導致實驗教學效果較差。

2018年頒布的《教育信息化2.0行動計劃》中要求：“加強虛擬仿真實訓教學環境建設，服務信息化教學需要；以國家精品在線開放課程、示范性虛擬仿真實驗教學項目等建設為載體，加強大容量智能教學資源建設”[9]。 虛擬仿真實驗教學結合傳統教學已成為高校實驗教學改革的趨勢。近年來，湖北工程學院積極開展虛擬仿真平臺的建設和虛擬仿真實驗的開發。在高分子材料加工與成型等實驗教學中引入全氟濾芯微孔膜虛擬仿真實驗，有利于通過仿真實驗教學探索解決傳統實驗實踐教學環節中的共性及個性問題的方法。

1 全氟濾芯微孔膜虛擬仿真實驗概況

自2015年獲批湖北省材料化學虛擬仿真實驗教學中心以來，湖北工程學院化材學院不斷加強虛仿真實驗平臺的建設和虛擬仿真實驗的開發，2019年12月全氟濾芯微孔膜虛擬仿真實驗正式上線(http：//hbeu.dlvrtec. com)，并作為高分子化學、高分子材料加工與成型和材料測試分析方法的備選實驗。2020年疫情期間，該實驗作為見習實驗在大三年級進行教學，取得了良好的教學效果。

該虛擬仿真實驗采取browser/server結構，分布性較強，可擴展，是一個高交互性、高仿真性、師生可全程參與的軟件。同時配套了相關的理論教學資料，供學生課外學習，協助學生對相關理論知識的理解。該虛擬仿真實驗以真實實驗數據作為支撐，實驗仿真的范圍包括膜材料的制備、膜材料性能檢測和乙腈純度的鑒定等環節(圖1)。第一部分聚四氟乙烯的制備(視頻學習)；第二部分是聚四氟乙烯膜的制備及成型工藝條件的選擇：第三部分是聚四氟乙烯濾膜的表面結構的表征；第四部分是過濾裝置的裝配及乙腈的提純；第五部分是使用質譜儀檢測乙腈的純度。

圖1 全氟濾芯微孔膜虛擬仿真實驗模塊的組成Fig.1 The composition of the virtual simulation experiment module of the microporous membrane of the perfluorinated filter element

2 在教學重難點講解方面的應用

在高分子化學的實驗教學中學生已做過“苯乙烯懸浮聚合”和“甲基丙烯酸甲酯的乳液聚合”兩個實驗，所以全氟濾芯微孔膜虛擬實驗中并未涉及聚四氟乙烯制備的仿真操作，僅以教學視頻讓學生回顧相關知識。進行儀器仿真操作時，學生可以先看演示視頻，然后根據系統內提示的操作流程和步驟進行練習。通過這種生動直觀、互動性強的虛擬教學，能有效縮減課堂教學時間，節約教學資源。

2.1 聚四氟乙烯膜的虛擬設計

聚四氟乙烯微孔膜的制備工藝選擇的是戈爾法[10]。虛擬實驗制備工藝設計為混合工藝，預壓工藝，壓延工藝，脫脂工藝，拉伸工藝和熱定型工藝[11]?；旌瞎に嚕涸诘陀?0 ℃環境中，將已經稱重的的樹脂倒入燒杯中，然后加入助擠劑混合均勻。預成型工藝：將混合液加入到擠壓機中預壓成為條狀，以增大樹脂顆粒間的粘合力。壓延工藝：將擠出的棒狀型材在雙輥壓延機中壓延，條狀聚四氟乙烯被延壓成片狀(如圖2所示)。脫脂工藝：將薄膜在高溫燒結爐中進行干燥，用以除去助擠劑。拉伸工藝：在高低溫拉伸機中，將膜拉伸成型。熱定型工藝：對膜進行熱處理，使膜結晶定型。和傳統教學相同，課前學生先結合實驗教材與實驗資料庫中相關資料進行預習，上課時教師再結合膜材料制備的各個知識點詳細講解原理、操作步驟和相關參數設定的意義。學生結合演示視頻進行仿真操作，熟悉膜制備的常規方法、設備用途與特性，并及時對實驗內容進行分析、消化，加深對工藝設計的認識和理論知識的理解。

圖2 聚四氟乙烯延壓工藝模擬圖Fig.2 PTFE rolling process simulation diagram

2.2 聚四氟乙烯膜表征的虛擬設計

膜材料的表面形貌通過掃描電鏡獲得，膜材料的比表面積、孔容和孔徑等數據通過孔隙度分析儀得到[12]。本虛擬仿真實驗儀器以日本株式會社掃描電鏡(型號：JSM6010)和美國康塔儀器公司全自動比表面積與孔隙度分析儀(Quadrasorb-SI)為設計模型。針對掃描電鏡、BET孔隙表面儀的內部結構、工作原理較為復雜的特點，我們制作了相關儀器的三維構造圖和工作原理的視頻供學生進行學習。虛擬仿真實驗較為客觀的模擬了樣品前處理、軟件參數設置和儀器操作。以全自動比表面積與孔隙度分析儀(圖3)為例，仿真操作包括分析天平的使用、膜樣品的準備與裝樣、樣品預處理、樣品管的安裝、氣瓶的操作、儀器的開機、操作軟件相關參數的設定和測試條件的選擇、數據保存、換樣和關機等操作。學生熟練操作后，學生可自行完成參數的設置、樣品選擇和數據的保存、分析等。通過仿真操作可以克服學生的畏難情緒，激發學生學習的興趣，讓學生切身感受到儀器操作的新奇感。

圖3 Quadrasorb-SI全自動比表面積與孔隙度分析儀Fig.3 Simulation diagram of Quadrasorb-SI automatic specific surface area and porosity analyzer

2.3 乙腈的無塵室過濾工藝與超純乙醇的表征

工業乙腈的純化方法有很多，結合湖北弗頓科技有限公司的生產工藝，我們采用是“氧化-精餾-過濾”法[12]。前面“氧化-精餾”工藝要求學生通過國家虛擬仿真實驗教學項目共享服務平臺-ilab實驗空間，選擇兩個虛擬項目進行學習：氯化氫催化氧化及反應動力學(中南大學)和精餾綜合拓展3D虛擬仿真實驗(天津大學)。虛擬實驗只選取了最后的過濾工藝：通過PFTE膜進行過濾除去微量的顆粒物。該項目仿真內容包括聚四氟乙烯濾膜的高溫高壓除菌、過濾膜安裝，乙腈過濾，收集及乙腈純度的表征，乙腈的過濾模擬如圖4所示。

圖4 乙醇的過濾模擬圖Fig.4 Simulation diagram of ethanol filtration

LC-MS質譜檢測法是一種判斷溶劑是否為高純試劑的檢測方法。仿真實驗是以過濾后的乙腈用LC-MS質譜儀進行檢測分析。LC-MS質譜儀仿真實驗與前面的掃描電鏡類似，先觀察儀器的三維構造圖和工作原理，然后根據實驗教師的輔導和系統內提示，進行仿真操作練習，最后根據系統提供的質譜圖分析乙腈的純度。

3 與學生實習實訓、學生技能大賽和金課建設相融合

3.1 與相關課程理論課教學融合

高分子材料加工與成型課程的理論教學一般是圍繞“高分子材料——加工工藝——產品性能”這條主線進行[10]。利用虛擬仿真模擬材料的制備工藝，學生通過一步一步的虛擬仿真實驗的仿真操作和演示，逐漸理解混合、預壓、擠出等加工方法的不同而對產品的性能產生不同的影響，不同成型設備也會影響材料的混合程度、結晶度和流變性能，通過這種類似身臨其境的感性認識，梳理好“材料——加工工藝——產品性能”三者之間的邏輯關系。通過這種直觀方式進行教學，延伸了課堂的內容，同時也增加了理論教學的說服力，使學生較為牢固的掌握知識。利用虛擬仿真實驗真實模擬檢測儀器，使學生對儀器的認識不止停留在書本的介紹描述上，能讓學生對測試儀器的組成、基本原理等有更直觀、更深入的理解。結合虛擬仿真實驗進行教學，教師可以使理論教學更多放在其它知識點的講解上。通過本課程深化材料——加工工藝——性能三者的邏輯關系，培養學生的科學思維和邏輯思辨能力。從工程倫理、社會責任角度探討現實中的一些熱點問題的根本原因，勉勵學生樹立良好的職業素養[13]。

3.2 與相關課程實驗實踐教學融合

常規實驗教學一般是學生先按實驗書進行預習，老師講解，老師按照實驗步驟——已經設定好的原料配比、溫度、設備的其他參數演示實驗。學生全程觀看，參與度低。這種狀況下學生對于實驗的操作規范、實驗中相關參數的設定等問題都來不及進行消化，導致教學效果差。虛仿綜合實驗能有效輔助實驗實踐教學，突破儀器臺套數、學習時間的限制。學生除了能反復練習操作，還可以嘗試修改實驗預設的參數，對實驗數據進行模擬分析。教師可根據實驗的后臺統計數據，針對學生的薄弱點重點講解輔導，做到有的放矢。通過虛擬仿真實驗也有利于分層教學。對部分實驗能力差、或者對知識理解不深的學生，督促他們利用課外時間進行虛仿實驗操作練習，鼓勵他們遇到問題與教師進行溝通、探討，提高他們學習的興趣；對于學有余力的同學，借助ilabx一實驗空間中的虛擬實驗進行練習，拓寬自身的知識面。

3.3 與企業的實習實訓、企業員工培養相融合

實習實訓是我院高年級學生的必修課，是工科技能型人才培養的一種途徑。由于實習時間較短(一般為3～5個星期)，很多學生實習完后仍然對實習單位的生產過程中涉及的操作流程和質量控制等不了解，學生的實習效果不佳。從2020年起，我院要求去湖北弗頓科技有限公司實習的學生，實習前必須完成全氟濾芯微孔膜虛擬仿真實驗項目，同時鼓勵學生在實習期間積極參與企業的生產實踐、與企業生產技術人員共同探討實際生產中的技術問題，使學生對材料的成型、工藝控制及質量管理有更加深入的體會。湖北弗頓科技有限公司的員工也能將虛擬仿真實驗當做操作培訓項目。公司員工通過我院的儀器操作考核后，就能獨立操作如LC-MS質譜儀等測量儀器。

3.4 與化工設計大賽等競賽相融合

借助ilabx一實驗空間與我院的虛擬仿真實驗平臺，引導學生在課外開展生產工程工藝設計，進一步提高他們的動手能力和創新能力，協助他們在全國化工設計大賽、全國金相大賽等實驗操作技能大賽中取得好成績。

3.5 與金課建設及教學改革相融合

隨著新工科建設和卓越計劃的推進，高校教學改革逐步深入，優化高分子材料學科建設迫在眉睫。引入全氟濾芯微孔膜虛擬仿真實驗，一方面可以推動師生對現代教育技術媒體的使用，另一方面也可以提升教師生對化學儀器的操作水平，同時還能夠作為優質線上資源輔助其它課程的課程建設，是深化教學信息化改革的重要表現。

4 結 語

在高分子化學、高分子材料加工與成型、材料測試與分析等課程中，引入聚全氟濾芯微孔膜仿真實驗，能夠實現跨地區、跨時間的教與學，增強教師與學生的有效交流，提升學生學習積極性，激發學生創造潛能，切實了提高教學質量，有效地推動了我院的高分子材料專業的課程建設和工程認證工作。后期，我們會進一步完善該仿真實驗，進一步強化理論教學、實驗操作、生產實訓的融匯融合，真正實現產學研相結合。