高分子材料虛擬仿真實驗教學(xué)探索與實踐

韓永軍　曹可生　曹云麗

摘 要：本研究結(jié)合新工科材料工程科學(xué)類人才質(zhì)量培養(yǎng)要求，構(gòu)建高分子材料工藝模擬實驗平臺，針對虛擬仿真實驗資源不足、虛擬仿真實驗教學(xué)師資隊伍能力待提高、虛擬仿真實驗教學(xué)平臺待完善三個方面進(jìn)行了探索與實踐，通過建設(shè)“虛實結(jié)合、以虛補(bǔ)實、以虛證實”類教學(xué)資源庫，打造“校企合作、專兼結(jié)合、雙師雙能”型教師隊伍，構(gòu)建“多方開發(fā)、資源多樣化、考核多維度”教學(xué)平臺。本研究的探索與實踐有益于材料類本科工程技術(shù)人才的培養(yǎng)，也為其他實踐類課程的教學(xué)提供了參考。

關(guān)鍵詞：高分子材料；虛擬仿真；教學(xué)

虛擬仿真是依托于信息技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、電子信息技術(shù)、數(shù)據(jù)庫等構(gòu)建形成的一種虛擬仿真系統(tǒng)。為貫徹落實工信部、教育部《虛擬現(xiàn)實與行業(yè)應(yīng)用融合發(fā)展行動計劃（2022—2026年）》關(guān)于建設(shè)一批虛擬現(xiàn)實課堂、教研室、實驗室與虛擬仿真實訓(xùn)基地的要求，推動教學(xué)模式向自主體驗升級，打造支持自主探究寫作學(xué)習(xí)的沉浸式新課堂，構(gòu)建“虛實結(jié)合、優(yōu)勢互補(bǔ)、交叉融合”的教學(xué)體系和運行機(jī)制，發(fā)揮虛擬仿真實驗的最大作用，為新工科背景下人才育人模式提供一定的實踐基礎(chǔ)，平頂山學(xué)院材料科學(xué)與工程專業(yè)將“現(xiàn)代信息技術(shù)與課程的深度融合”作為實踐教學(xué)改革的立足點，針對實踐教學(xué)中出現(xiàn)頻率高且操作難度大的大型儀器實驗，進(jìn)行了適用于線上、線下以及線上線下混合式教學(xué)的材料科學(xué)與工程專業(yè)虛擬仿真實驗開發(fā)。開發(fā)相關(guān)虛擬仿真實驗課程項目為本科生教學(xué)提供了有力支持。

高分子材料加工工藝學(xué)是平頂山學(xué)院材料科學(xué)與工程專業(yè)的必修課程，配套實驗需要消耗大量原材料，存在高危險、高成本、高消耗、極端環(huán)境、不可逆操作等問題，因此有必要建設(shè)虛擬仿真實驗室，推動實驗教學(xué)。對學(xué)生而言，通過課程學(xué)習(xí)可以深入學(xué)習(xí)高分子材料加工工藝的理論知識，將理論知識簡單化、直觀化；對教師而言，開展模擬實驗教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維、實踐能力的有效途徑。

一、高分子材料工藝模擬實驗教學(xué)現(xiàn)狀

（一）虛擬仿真實驗資源有待進(jìn)一步開發(fā)

根據(jù)平頂山學(xué)院應(yīng)用型人才培養(yǎng)需求和專業(yè)特色，需要學(xué)生具備跨專業(yè)能力、多學(xué)科知識融合能力。高分子材料工藝模擬實驗需要對高分子材料生產(chǎn)過程中的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證，特別是學(xué)校要緊密結(jié)合地方企業(yè)的尼龍行業(yè)特色，但相關(guān)數(shù)據(jù)匱乏，數(shù)據(jù)來源類型各異，最終實驗效果及數(shù)據(jù)處理差別較大，不利于學(xué)生深入理解相關(guān)知識點。同時，高分子材料工藝模擬實驗教學(xué)體系下知識點分散，缺乏系統(tǒng)性，因此在后續(xù)教學(xué)過程中需要對教學(xué)體系進(jìn)行重構(gòu)整合，以學(xué)生為中心，使實踐教學(xué)能夠更加接近工業(yè)生產(chǎn)實際，提升學(xué)生的實踐應(yīng)用能力。

（二）虛擬仿真實驗教學(xué)師資隊伍能力有待進(jìn)一步提高

虛擬仿真實驗對教師的綜合能力特別是信息化技術(shù)能力要求較高，目前師資隊伍中缺乏高端復(fù)合型人才，使得本專業(yè)教師需要花費一定的時間、精力學(xué)習(xí)虛擬仿真技術(shù)。同時，學(xué)校重視不夠、投入不足，未能組建專業(yè)化虛擬仿真實驗教學(xué)團(tuán)隊，未將虛擬仿真技術(shù)真正深入運用到高分子材料工藝模擬實驗教學(xué)中。

（三）虛擬仿真實驗教學(xué)平臺有待進(jìn)一步完善

社會上現(xiàn)有軟件公司提供的虛擬仿真軟件采用的通用模式，不符合尼龍類材料的工藝要求，專業(yè)特色不強(qiáng)。目前大多數(shù)高校的虛擬仿真實驗是依靠從軟件公司購買的軟件所建立，信息技術(shù)融入不夠，缺少分析、評估和決策功能，不能實現(xiàn)精準(zhǔn)個性化的教學(xué)目標(biāo)。仿真實驗教學(xué)隊伍應(yīng)根據(jù)學(xué)校高分子材料工藝模擬實驗特點，與企業(yè)合作開發(fā)適合的仿真實驗體系，知識產(chǎn)權(quán)共有，尋求產(chǎn)學(xué)研共同發(fā)展道路。

二、教學(xué)改革與實踐

（一）“虛實結(jié)合、以虛補(bǔ)實、以虛證實”類教學(xué)資源建設(shè)

依據(jù)新版材料科學(xué)與工程人才培養(yǎng)方案，將線下實驗難以完成的涉及高危或極端環(huán)境、不可及或不可逆的操作、高成本高消耗、大型或綜合訓(xùn)練等教學(xué)內(nèi)容采用虛擬仿真實驗教學(xué)，建設(shè)一套“虛實結(jié)合、以虛補(bǔ)實、以虛證實”類教學(xué)資源，完成教學(xué)大綱要求。

在教學(xué)資源建設(shè)過程中，引入尼龍行業(yè)案例，實體項目+虛擬仿真項目=實驗項目整體，缺一不可。實驗運行采取“虛實結(jié)合”，實現(xiàn)“實體實驗輪轉(zhuǎn)+虛擬仿真實驗輪轉(zhuǎn)”。在教學(xué)資源的整合上將理論知識與實際案例結(jié)合，豐富3D動畫演示，少文字多圖畫，虛擬注塑機(jī)器操作實際生產(chǎn)案例。將虛與實、驗證與拓展相結(jié)合，提高材料加工與設(shè)計的綜合能力。如利用Moldex3D、MoldFlow等塑料注塑成型仿真軟件，對尼龍塑料制品的注塑成型進(jìn)行模流分析，從材料各區(qū)溫度差異、材料厚度不均、材料各向異性等方面分析翹曲變形情況，分別進(jìn)行優(yōu)化，獲得最優(yōu)注塑條件，解決塑件在成型時發(fā)生翹曲變形問題，縮短模具設(shè)計周期，減少浪費，降低設(shè)計和原料成本。同時，結(jié)合現(xiàn)有注塑機(jī)器進(jìn)行實際驗證，優(yōu)化高分子材料的注塑件、注塑模具和注塑成型流程，最終實現(xiàn)高分子材料高品質(zhì)、低成本的注塑成型加工。

（二）“校企合作、專兼結(jié)合、雙師雙能”型師資隊伍建設(shè)

加強(qiáng)現(xiàn)有高分子材料工藝模擬實驗教學(xué)師資隊伍培訓(xùn)，派遣青年教師到國內(nèi)外訪問學(xué)習(xí)，提高教師科研水平。鼓勵青年教師到知名企業(yè)進(jìn)行實踐鍛煉，聘任相關(guān)化工行業(yè)專家、工程師兼職授課，打造“校企合作、專兼結(jié)合、雙師雙能”型師資隊伍。鼓勵教師走出校門，走進(jìn)企業(yè)，聯(lián)合進(jìn)行科技攻關(guān)，精心設(shè)計具有探究性、實踐性、創(chuàng)新性的虛擬仿真實驗課題，改進(jìn)和完善教學(xué)模式，實現(xiàn)科研實驗與教學(xué)實驗相互補(bǔ)充、共同發(fā)展。打造專業(yè)技術(shù)過硬、結(jié)構(gòu)合理穩(wěn)定的師資隊伍。

（三）“多方開發(fā)、資源多樣化、考核多維度”平臺建設(shè)

對于整合好的教學(xué)資源，依據(jù)學(xué)科、專業(yè)、課程特色，聯(lián)合企業(yè)、省內(nèi)外院校共同開發(fā)高分子材料工藝模擬實驗課程網(wǎng)絡(luò)平臺，協(xié)調(diào)好不同課程資源的相互關(guān)系，使其具有層次化、模塊化的特點。首先將該實驗課程分為基本原理驗證模塊、基礎(chǔ)技能訓(xùn)練模塊和綜合設(shè)計創(chuàng)新實驗?zāi)K。針對每個模塊的學(xué)習(xí)內(nèi)容又大致分為預(yù)習(xí)、虛擬仿真操作、考核評價三個部分，每個部分又包括視頻、討論、作業(yè)、測試等多樣化的內(nèi)容。預(yù)習(xí)主要是通過學(xué)習(xí)視頻理論知識、明晰實驗?zāi)康募霸恚獣詫嶒灢襟E及內(nèi)容，掌握實驗的模擬操作流程。在預(yù)習(xí)過程中設(shè)置測試及討論題，學(xué)生可以通過測試了解自己的預(yù)習(xí)情況，對于有疑問的地方可以與教師在線討論，教師在線進(jìn)行解疑答惑。

虛擬仿真操作則包括實驗的整個流程。操作過程中平臺會隨機(jī)設(shè)置一些互動問題，學(xué)生在答對問題的基礎(chǔ)上才能進(jìn)行下一步的操作，利于學(xué)生掌握操作流程，留心操作細(xì)節(jié)及注意事項，利于保障學(xué)生在實驗室進(jìn)行實驗操作的規(guī)范性及標(biāo)準(zhǔn)化。

依據(jù)工程教育專業(yè)認(rèn)證理念，制定實踐教學(xué)大綱與實踐方案，規(guī)范實踐課程質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，將考核評價分為形成性評價與終結(jié)性評價。其中形成性評價主要針對平臺上學(xué)生任務(wù)點的學(xué)習(xí)及作業(yè)、測試成績。終結(jié)性評價主要指課程結(jié)束后的考核評價，包括平臺模擬操作評價及實驗室實操考核評價。

（四）“線上線下、課上課下、個人團(tuán)隊”教學(xué)模式

課前，教師進(jìn)行啟發(fā)式引導(dǎo)學(xué)習(xí)，將課堂重難點、學(xué)習(xí)資料、課前測試等提前發(fā)布到課程平臺上。學(xué)生在課程平臺上進(jìn)行課前預(yù)習(xí)、“小組協(xié)作+查找資料”、提出問題并引發(fā)思考，完成教師發(fā)布的課前測試任務(wù)等。

課中，學(xué)生通過課堂討論、體驗式學(xué)習(xí)等與實驗空間上的虛擬仿真課程相結(jié)合的方式進(jìn)行學(xué)習(xí)，從而完成前測回顧、問題導(dǎo)入、重難點解答、現(xiàn)實應(yīng)用、舉一反三、知識拓展、小結(jié)作業(yè)等一系列課堂學(xué)習(xí)流程。學(xué)生從線上線下混合式教學(xué)中獲得獨立思考能力和更積極的課堂參與感，從而進(jìn)一步提升教學(xué)效果。

課后，由教師主導(dǎo)復(fù)習(xí)鞏固提升，在交互學(xué)習(xí)平臺上發(fā)布教學(xué)反思、師生交互等內(nèi)容，并進(jìn)行個性化輔導(dǎo)。學(xué)生在交互學(xué)習(xí)平臺上進(jìn)行復(fù)習(xí)鞏固、討論交流、小組實踐和課后作業(yè)。及時鞏固所學(xué)知識點，加深對重難點的理解，實現(xiàn)由教到學(xué)的充分轉(zhuǎn)化。

三、結(jié)語

高分子材料工藝模擬實驗課程教學(xué)分別從教學(xué)資源、師資隊伍、教學(xué)平臺三個方面進(jìn)行了探索與實踐。將高分子材料工藝?yán)碚撝R與實際應(yīng)用相結(jié)合，深層次融入企業(yè)案例，兼顧學(xué)生創(chuàng)新能力與基礎(chǔ)技能培養(yǎng)。模擬實驗平臺的開發(fā)使原本難以在課堂上實現(xiàn)的高分子材料加工工藝設(shè)計訓(xùn)練成為可能，解決了課程拓展型和創(chuàng)新型實驗環(huán)節(jié)難以開展的難題。課題組的教學(xué)探索與實踐有益于材料類本科工程技術(shù)人才的培養(yǎng)，也為其他實踐類課程的教學(xué)提供了參考基礎(chǔ)。

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責(zé)編：應(yīng) 圖