高分子材料課程設(shè)計(jì)虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用

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摘要：在當(dāng)前現(xiàn)代信息技術(shù)逐漸影響甚至塑造新的教育教學(xué)形態(tài)的大背景下，越來越多的高校開始重視信息化教學(xué)資源的建設(shè)，積極推動(dòng)虛擬仿真技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用。文章從高分子材料課程設(shè)計(jì)的角度，分析了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)所面臨的困境和虛擬仿真技術(shù)在本實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)中的優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；高分子材料課程設(shè)計(jì)

引言

近年來，以虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)技術(shù)為代表的計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)了無與倫比的真實(shí)感和交互性，正得到人們?cè)絹碓蕉嗟年P(guān)注和認(rèn)同，迅速地走進(jìn)我們的生活，也必將會(huì)深刻地影響我們的教育與教學(xué)。2018年教育部在《關(guān)于加快建設(shè)高水平本科教育全面提高人才培養(yǎng)能力的意見》(教高〔2018〕2號(hào))(簡(jiǎn)稱“高教40條”)的文件中提出要推進(jìn)現(xiàn)代信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合，助力提高教師的教學(xué)水平，其中明確指出要大力推進(jìn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)建設(shè)[1]。這是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)教學(xué)是實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐相結(jié)合必不可少的環(huán)節(jié)，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力和基本科學(xué)素養(yǎng)來說至關(guān)重要。而當(dāng)前虛擬仿真技術(shù)正逐漸走進(jìn)大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室，日益改變傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，塑造了新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)面貌，推動(dòng)教育教學(xué)改革不斷向更高層次發(fā)展。因此如何將這種先進(jìn)技術(shù)更好地融入到我們的實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)中，并不斷提高學(xué)生的學(xué)習(xí)成效是每一位實(shí)驗(yàn)任課教師都需要認(rèn)真思考和探索的課題[2-3]。

1高分子材料課程設(shè)計(jì)課程傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問題

1.1實(shí)驗(yàn)條件不足

高分子材料課程設(shè)計(jì)課程傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中需要用到許多儀器設(shè)備，包括用于高分子材料加工成型的密煉機(jī)、硫化機(jī)、注塑機(jī)和擠出機(jī)等大型設(shè)備，以及用于材料性能分析表征的萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)、流變儀、熱分析儀等精密儀器設(shè)備。它們大都價(jià)格不菲而且占用實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)地大，因此大部分高校購(gòu)置的此類儀器的數(shù)量通常很少[4]。甚至在有些高校中，由于儀器設(shè)備和實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所等條件所限，導(dǎo)致這一門原本應(yīng)當(dāng)鍛煉學(xué)生的動(dòng)手操作能力和綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)分析解決實(shí)際問題能力的實(shí)踐課程，變成了一門綜述型設(shè)計(jì)課程[5]。在這個(gè)改變中，存在著不少可以理解的現(xiàn)實(shí)困難：從長(zhǎng)時(shí)間的聚合反應(yīng)過程，到需要大量樣品的加工成型過程，再到昂貴的精密測(cè)試儀器。實(shí)驗(yàn)組織困難和成本消耗高成為阻礙培養(yǎng)學(xué)生綜合能力的攔路虎[6]。

1.2教學(xué)目標(biāo)難實(shí)現(xiàn)

高分子材料課程設(shè)計(jì)是一門以化學(xué)合成、成型加工和分析表征高分子材料全過程的綜合性工程實(shí)踐課程，旨在培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)知識(shí)積累、遷移和應(yīng)用的能力。一方面，它對(duì)于鞏固和加深對(duì)高分子材料、高分子化學(xué)、高分子材料成型加工原理和材料測(cè)試技術(shù)等課程知識(shí)的認(rèn)知與理解，是十分重要的一環(huán)；另一方面，它更貼近實(shí)際生產(chǎn)，為培養(yǎng)既能適應(yīng)高分子材料生產(chǎn)需要又具有工程設(shè)計(jì)能力的專業(yè)技術(shù)人才打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[7]。然而，對(duì)于加工成型設(shè)備來說，普遍需要在高溫條件下操作，為避免因人多擁擠、安全措施不到位等因素而發(fā)生學(xué)生燙傷等意外事故，老師們不得不采取分組演示的教學(xué)方式。而對(duì)于昂貴且精密的分析表征設(shè)備來說，則往往出于保護(hù)設(shè)備的目的，只允許每組中選出一名同學(xué)作為代表來操作，其他同學(xué)則圍觀學(xué)習(xí)?？傊?，在這樣一門十分重要的實(shí)踐課程中，卻無法保證每一位同學(xué)都可以從頭到尾地親手操作所有的儀器設(shè)備，親身參與全部的實(shí)驗(yàn)過程，因此學(xué)生作為旁觀者而非參與者自然很難對(duì)課程設(shè)計(jì)的作用和意義有深刻認(rèn)識(shí)和理解，更別提鍛煉他們的動(dòng)手實(shí)操能力和分析解決實(shí)際問題的能力了?？上攵?，這樣一來本門課程的教學(xué)效果肯定大打折扣。

2虛擬仿真技術(shù)在高分子材料課程設(shè)計(jì)課程實(shí)驗(yàn)

教學(xué)中的優(yōu)勢(shì)走馬觀花式的實(shí)踐教學(xué)注定難以實(shí)現(xiàn)設(shè)定的課程目標(biāo)，因此虛擬仿真軟件和在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來的虛擬仿真云平臺(tái)，正是在某些傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)面臨困難的背景下應(yīng)運(yùn)而生，并得到了快速發(fā)展。具體說來，虛擬仿真技術(shù)在本實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)中有如下的優(yōu)勢(shì)。

2.1實(shí)驗(yàn)過程更細(xì)致

將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用到高分子材料課程設(shè)計(jì)的全部流程，從模擬聚合反應(yīng)過程(如：苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯等不同聚合單體的懸浮聚合、乳液聚合等)，到高分子材料成型加工(如：注射模塑成型、擠出成型等)，再到材料性能分析表征(如：力學(xué)拉伸性能、熔融指數(shù)、熱穩(wěn)定性等)。學(xué)生在完成與實(shí)驗(yàn)相關(guān)的理論學(xué)習(xí)后，可以在高度近似真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的模擬場(chǎng)景中直觀而清楚地認(rèn)識(shí)各種以真實(shí)實(shí)驗(yàn)設(shè)備為藍(lán)本的虛擬儀器設(shè)備的構(gòu)造。除了具有和視頻影像資料相似的真實(shí)感之外，還可以以第一視角的體驗(yàn)與交互模式學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)操作的流程。以擠出成型模擬仿真實(shí)驗(yàn)為例，除了可以清楚看到雙螺桿或單螺桿擠出機(jī)的構(gòu)造，并了解擠出成型原理外，還可以學(xué)習(xí)擠出機(jī)操作步驟并通過改變進(jìn)料速度、各區(qū)溫度等參數(shù)來掌握這些參數(shù)對(duì)制品性能的影響。這不但可以避免真實(shí)場(chǎng)景中圍觀但看不仔細(xì)且參與感不強(qiáng)的情況，還可以讓學(xué)生自己動(dòng)手操作摸索出擠出成型加工的一般規(guī)律。在虛擬實(shí)驗(yàn)過程遇到問題可以及時(shí)通過線上管理系統(tǒng)或線下的方式向任課教師進(jìn)行反饋。更重要的是，可以突破現(xiàn)實(shí)中的限制，自由發(fā)揮想象力，在不同的聚合反應(yīng)、成型加工或性能表征虛擬仿真系統(tǒng)中任意更改條件或設(shè)置不同的參數(shù)，觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果會(huì)有何不同，或許會(huì)有新的發(fā)現(xiàn)，同時(shí)還無需擔(dān)心實(shí)驗(yàn)安全問題。

2.2實(shí)驗(yàn)時(shí)間更自由

通過使用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室里安裝有虛擬仿真軟件的計(jì)算機(jī)，學(xué)生可以在實(shí)驗(yàn)任課教師分配好的時(shí)間或提前預(yù)約好的時(shí)間內(nèi)，自主進(jìn)行軟件操作方法學(xué)習(xí)和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的操作。對(duì)于建設(shè)有虛擬仿真實(shí)驗(yàn)云平臺(tái)的高校來說，則可以在自己的電腦上通過賬號(hào)登錄的方式進(jìn)入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的軟件系統(tǒng)，隨時(shí)進(jìn)行學(xué)習(xí)和操作，這樣給了學(xué)生很大的學(xué)習(xí)自由度，顯著地提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極主動(dòng)性和獨(dú)立自主性。學(xué)生可以在每學(xué)期的規(guī)定截止日期以前，選擇在理論課學(xué)習(xí)之后合適的時(shí)間內(nèi)完成，促進(jìn)理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)的緊密聯(lián)合，使得學(xué)生對(duì)高分子材料的聚合反應(yīng)原理、加工工藝和性能特征等知識(shí)有更深刻的認(rèn)識(shí)和理解。

2.3實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)更合理

在以往的實(shí)驗(yàn)課程評(píng)價(jià)上，老師們大多停留在實(shí)驗(yàn)到勤情況和實(shí)驗(yàn)報(bào)告的撰寫情況兩個(gè)方面。因?yàn)楹芏鄬?shí)驗(yàn)中大部分學(xué)生都處在圍觀的狀態(tài)中，只有少數(shù)學(xué)生能有動(dòng)手操作的機(jī)會(huì)，因此考慮到公平性問題而無法對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作過程這一重要的中間環(huán)節(jié)進(jìn)行評(píng)判。而對(duì)于在最終成績(jī)中占比更大的實(shí)驗(yàn)報(bào)告來說，學(xué)生之間相互抄襲或從網(wǎng)絡(luò)上抄襲的情況屢見不鮮，這樣一來使得很少有學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課程中掛科，同時(shí)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)課成績(jī)沒有區(qū)分度。這進(jìn)而導(dǎo)致了學(xué)生不愿意認(rèn)真對(duì)待，學(xué)習(xí)的熱情自然也就不高。為了破除這種不公平不合理的評(píng)判規(guī)則，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中將更加重視過程性評(píng)價(jià)。虛擬仿真軟件或平臺(tái)可以對(duì)學(xué)生的操作過程進(jìn)行自動(dòng)記錄和評(píng)價(jià)，比如是否依照標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)操作流程進(jìn)行以及是否符合實(shí)驗(yàn)操作規(guī)范。教師可以通過軟件或平臺(tái)查看學(xué)生在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中各步驟的得分情況，結(jié)合最后的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，對(duì)學(xué)生進(jìn)行綜合打分評(píng)價(jià)，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果的科學(xué)評(píng)估。當(dāng)然，評(píng)價(jià)不是最終的目的，對(duì)于虛擬實(shí)驗(yàn)操作不達(dá)標(biāo)的學(xué)生，依然可以有重復(fù)學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)，這有助于提高課程設(shè)計(jì)的教學(xué)質(zhì)量，也使課程設(shè)計(jì)在應(yīng)用型人才培養(yǎng)過程中的作用更加突出。

3結(jié)語

和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室比較起來，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)成本相對(duì)較低，在應(yīng)對(duì)高危險(xiǎn)和高消耗實(shí)驗(yàn)方面有無可比擬的優(yōu)勢(shì)。除此以外，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中限制條件少，無論是實(shí)驗(yàn)時(shí)間上還是實(shí)驗(yàn)操作環(huán)節(jié)上學(xué)生都可以相對(duì)自由地做出選擇，能夠明顯提升學(xué)生的參與感，對(duì)提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和主動(dòng)性有很大的幫助，更重要的是可以鍛煉學(xué)生的獨(dú)立操作、獨(dú)立思考和分析問題的能力。另外，對(duì)于學(xué)生的學(xué)習(xí)效果評(píng)價(jià)也更公平，最終取得比單獨(dú)進(jìn)行傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)更好的教學(xué)效果。當(dāng)然這并不意味著用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)完全替代傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，而是要將虛擬仿真技術(shù)的優(yōu)勢(shì)充分發(fā)揮出來，同時(shí)也要虛實(shí)結(jié)合、取長(zhǎng)補(bǔ)短，不可偏廢。在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)之外，也要通過操作演示真實(shí)的儀器設(shè)備或工廠實(shí)地考察參觀等方式彌補(bǔ)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的不足。只有將兩者深度融合，有機(jī)地統(tǒng)一起來，才能真正提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，使實(shí)驗(yàn)學(xué)科更好地適應(yīng)人才培養(yǎng)的要求，培養(yǎng)出社會(huì)所需要的人才。

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作者：孫交通 張曉東 周丹 單位：長(zhǎng)江師范學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院