动态模拟仿真在高校工科教学中的探索与应用

李颖+张亮+后振中+张立+鲁杰+梁晨+魏启兵

摘要：本文介绍了动态模拟仿真在教学中的应用，提出现有教学存在的问题，以高校工科的教学为特点，从学生的需求出发，以现有教学条件为基础，采用动态模拟仿真的教学方法，解决单一讲授、黑板平面演示等传统单一、不生动的静态教学方式，探索了以研发和生产能力相关专业教学模式的改革，讨论了将动态模拟仿真这种新的教学理念引入教学环节的效果和意义。这说明改变以往的理论授课方式，利用动态的三维立体图像能使学生极大程度的掌握生产流程，弥补学生无法及时深入生产第一线的不足;激发了学生的学习兴趣，强化了学生的工程意识，培养了学生思考和解决问题的能力。利用教学反馈不断的改进教学方法提高课堂教学水平，培养适应本专业发展潮流的高素质专业人才，取得了良好的教学效果。

关键词：动态演示;流程模拟;教学模式;生产流程;课堂互动

中图分类号：G642.0     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2015）20-0130-02

动态模拟仿真技术（Simulation）是一门包含多学科的综合性技术，它以控制论、系统论、相似原理和信息技术为基础，以计算机和专用设备为工具，利用系统模型对实际的或设想的系统进行动态演示[1-3]。仿真技术主要是以某种对象为参考蓝本，利用机械制作或手工组装将对象模拟一个实体的技术[4，5]。其诞生之初系用于军事科研用途，其后运用于各个领域，包括高聚物反应过程的仿真模拟。用动态仿真的动画流程全面展现高聚物反应过程[6-8]，模拟高聚物的合成现场，使学生对学习理论知识不感到枯燥，反而有强烈的兴趣。切实领导好学生的思考过程，发展学生的逻辑思维能力和独立获取知识、运用知识的能力。

一、教学过程中存在的问题

1.在传统的高校工科专业教学中，学生从属于被动的地位，教师授课以平面授课为主，讲解方式单一。特别是专业课程，由于涉及的内容较多，学生之前所学的基础知识不同，教材中所介绍的示例内容较为简单，对相关的实践环节的知识点也没有过多提及，学生不能很好地理解所叙述的例子。

2.急于求成的现象。现代工程领域中，高度的自动化、连续化和集成化，甚至有些行业易燃、易爆、危险性大，生产过程在严密的监控下实施。

3.对于大多数的生产流程不能在课堂上重现，因此在工科教学的环节中，学生只能根据教材被动的看，被动的听，只是接收平面、二维、静态的画面，无法提高学生理论联系实际、分析问题和解决问题以及动手的能力，更难以深入实际。这也是工科教学中长期面临的一个问题，为此急需一种适用的教学模式和教学手段来解决这一问题，进行教学改革，以期提高教学效果。

二、动态模拟仿真

随着计算机的问世与科技的进一步发展，对高等教育和教学提出了不同以往的挑战与要求。教学大纲的反复修订对教师的授课模式有新的规划，如何将经典、传统的授课内容形象化，激发学生的学习热情是摆在教师面前的首要问题。计算机仿真技术的问世与应用，改变了高校教育模式。全流程仿真技术的运用就是基于其原本的综合呈现这一属性，将机械仿真技术和计算机成像技术结合，通过合理的画面演示及计算机图像呈现，把对象主体活生生地展现出来[9，10]。这种技术在聚合物反应过程演示中运用得日益广泛。通过模拟真实的现场工艺过程，逼真地将枯燥的生产环节及分析仪器等形象呈现于学生面前，让学生感受真实的化工生产环境，极大程度地调动了学生的学习积极性和主动性，这种互动教学的课堂氛围无疑提高了学生的学习兴趣及对知识的掌握程度。

三、动态模拟仿真技术在教学中的应用

按照社会和企业的要求解构现行的学科课程体系，整合重构建立突出研发和生产能力培养的课程体系。根据职业能力的要求，确定教学项目，包括学习项目和拓展项目，采用小型生产进实验室，大型生产采用全流程仿真系统模拟的形式，整个学习过程中知识和能力的训练安排体现渐进性。以聚合物合成这一课程为例，阐述动态模拟仿真技术在教学中的应用。学生通过该课程的学习，弄清高聚物聚合原理与合成工艺的关系，对学生进行生产工艺观点的培养，达到培养学生在教学科研和生产活动中分析问题、解决问题的能力的目的，同时对今后更深入的学习其他专业课打好基础，具有重要意义。

1.理清聚合物合成的总的反应流程，如图1所示。

2.具体再根据每一种聚合物的聚合特点，设计反应流程。以悬浮聚合为例，设计反应流程，如图2所示。

3.最后建立聚合物合成动态仿真系统，设立专业教学资源库。以计算机技术为依托，以文本资源、视频资源和图片资源为后盾，在学习课本知识的基础上，观摩动态仿真的流程，可使学生真正了解聚合物合成的过程，并留下深刻印象，学以致用。以前述步骤为基础，创建聚合物合成动态模拟仿真系统，表1所示全流程动态仿真系统资源来源。

根据悬浮聚合的反应流程，设计如下仿真动态流程，视频截图如图3所示。

为了更为形象具体的描述悬浮聚合的过程，采用聚氯乙烯的悬浮聚合样本，绘制模拟仿真流程图。

4.动态模拟仿真教学的总结。随着现代社会行业结构的多样化，对人才的需求提出了更高的要求，更注重人才素质的专一化、综合化和个性化。这样的就业需求对传统的教学模式、人才培养方式提出了新的要求。就我们采用动态模拟仿真流程的教学过程中总结体会到，工科教学中仍然采用传统的纯黑板教学模式，十分的枯燥、单一，无法调动学生的学习积极性和主动性。采用动态模拟仿真的教学方式，使学生仿佛置身于生产流程的仿真环境之中，教与学互动，充分调动了学生的学习兴趣和热情，学习效率明显提高，使枯燥的理论教学生动化、形象化，极大程度地加深了学生对工艺流程及设备的印象，学习效果事半功倍。

参考文献：

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