基于虚拟仿真实验的《高分子材料成型加工》教学改革探讨

张娇霞，周海骏，郭伟杰，李世云，刘 文

（江苏科技大学 材料科学与工程学院，江苏 镇江 212003）

高分子材料成型加工是在高分子物理和高分子化学的基础上，通过学习高分子材料成型加工使学生了解高分子材料成型加工的基本原理、生产制造方法和工艺过程，培养具备高分子材料与工程知识高级技术人才，为其从事为高分子材料的合成制备、改性、结构、性能和加工应用等领域打下坚实的基础［1］。本课程依据高分子材料成型加工原理使学生理解掌握挤出、注射、压延和橡胶加工过程及在加工过程中各种操作因素及在这个过程中所发生的物理化学变化对制品的结构性能的影响，因此高分子材料成形加工具有很强的实践性。学生在实验过程中可以更深刻的加深对加工原理的认识，并能很好的培养学生的动手操作和创新能力［2］。但是随着工业互联网、大数据、人工智能和虚拟仿真技术的发展，目前传统的教学模式已无法满足学生们的需求，如何通过改进课程教学使高分子相关专业的学生适应这种变化，切实提高学生的实践创新能力，是新时代技术背景下该门课程实验教学所面临的挑战。

1 高分子材料成型加工实验过程存在的问题

目前我校高分子材料成型加工实验课程主要采用教师准备原材料、利用学校现有设备对其进行加工与成型，进一步对其结构与性能进行表征测试。然而随着行业技术的发展与整合，传统的高分子材料成型加工实验课程存在如下问题：（1） 课程内容更新速度慢，存在与行业技术设备发展脱节等现象。（2）成型加工的挤出机、注塑机、密炼机、压延机和硫化机等，购置成本高且场地占用空间大，每个实验所涉及的设备配套数量一般就一两台，因此经常采取分组的教学方式，并即便如此也很难实现每一位同学都可以上手操作所有的加工设备，另外出于安全考虑，很多时候学生无法实现从开始准备到实验结束的完整实验流程，更多的时候则只能采用围观式的教学，学生在这种被动式围观式的教学过程中很难对实验过程有深刻认识，更难掌握背后的实验原理。（3）教师对高分子材料成型加工实验体系的教学效果评估主要依靠的是学生最后上交的实验报告，而很难将学生的现场操作和理论学习联系起来综合评价［3］。因此必须对传统的实验课程教学模式进行教学改革，提高学生的主动学习能力，促进理论与实践相结合的教学模式迫在眉睫。

2 虚拟仿真实验室发展现状

随着工业互联网、大数据、人工智能的发展，虚拟仿真技术因能够完成许多传统实验教学无法操作实施的教学实验，受到了越来越多高校的重视。

虚拟仿真实验室是利用互联网、人工智能和虚拟现实技术等建构的在一定场景下模拟真实型实验设备的虚拟实验软件教学系统，利用该教学系统可以将真实的教学用实验设备以及整个实验流程进行虚拟化的呈现出来。学生凭借电脑或采用账号的形式进入虚拟实验软件系统进行人机交互操作，学生有一种亲身体验的感觉。因此虚拟仿真实验室不受时间和地点的限制，并且教学过程灵活，无需提供实验设备与材料，而受到国内外高校的重视。例如最具代表的美国耶鲁大学利用虚拟仿真实验室的移动应用程序实现了对相关数据进行记录和分析的相关实验。英国开放科学实验室开则可以通过遥控仪器实现远程实验，实现了在线共享虚拟仪器设备。

国内很多高校也实现了虚拟仿真实验室的建立。北京大学依据光学位置追踪系统构建了沉浸式虚拟现实展示交互实验室。清华大学则在材料的快速成型技术方面实现了虚拟仿真实验室的构建。北京化工大学则在2013 年就建立了化工安全与装备虚拟仿真实验教学中心，将虚实结合切实提高实践教学能力，通过更加贴近真实的教学环境达到丰富实践教学内容。

3 虚拟仿真实验室在高分子材料成型加工实验课中的优势

高分子材料成型加工实验是将高分子材料成型加工的基本原理与生产实践相结合，实践性非常强的一门操作训练课程，在构建高分子成型加工实验虚拟仿真实验室，应以真实所需的实验平台为依据，构建实验过程所需的虚拟场景，用其反应高分子材料加工所需的设备和加工过程。

课程内容方面可以跟踪行业发展现状与前沿技术，更新实验内容并且可以设置真实实验室没有的新设备相关实验。例如可以将机器人与设备相结合实现行业技术发展的无人车间，进一步引入在线监测操技术，拉近实验与工业生产之间的关系。开设目前的热点3D 打印技术相关实验使得实验课程紧跟前沿技术发展。值得注意的是，在整个实验室的布局，设备及其组成零部件和工艺控制等方面，要力求反映高分子材料成型加工的真实过程。

在教学实施方面，虚拟仿真实验室则不受时间、地点影响，学生甚至在课余时间可凭借仿真虚拟实验室计算机或自己电脑上凭借账号进入软件系统进行相关的实验学习，直观认识设备的构造与组成、设置不同的工艺参数对高分子材料进行相应的成型加工，虚拟实验过程如果遇到问题可以及时在线的通过管理系统进行反馈，教师可在线进行答疑。有效改善了真实实验教学过程中围观式的被动局面，从而让学生对依据理论知识进行的实际生产过程有更深刻的认识。

在教学效果评价方面，打破了传统的依据实验印象和实验报告打分的局面，在仿真虚拟实验室教师可查看学生的实验操作过程，对学生综合客观的打分。

4 结 语

在计算机和互联网、人工智能等技术的快速发展背景下，通过基于真实的高分子材料加工的实验平台构建虚拟仿真实验室，可以实现不受时间地点限制的教学内容的灵活设置，实现实验教学的全面科学的效果评估，促进理论教学与实践教学的紧密联合，突破真实实验教学存在的围观式弊端，提高学生学习的积极性主动，最终使得学生对高分子材料成型加工原理和工艺过程有更深刻的认识。