高分子材料与工程专业虚拟实验平台的构建及改进探究

宫贵贞　董黎明

摘   要：虚拟实验克服了传统实验的时空限制、设备短缺、安全环保等不足，大大提高了实验教学效果。本实验探讨了高分子材料与工程专业虚拟实验平台的构建情况以及需要改进的问题。徐州工程学院高分子材料与工程专业虚拟实验平台主要基于虚拟展厅、仿真实验及网络课程等方面展开建设，各有所侧重并相互融合、优势互补以满足不同方面的需要。本文就目前虚拟实验存在的局限性，对如何进行优化改进进行了探讨。

关键词：高分子材料与工程;虚拟实验平台;构建;改进

近年来，随着高分子材料的迅猛发展，很多高校开设了高分子材料专业，徐州工程学院为满足社会的需要，也于2010年申请了高分子材料与工程专业，2011年开始招生。该专业属于工科，是应用性和实践性很强的专业，要求学生理论联系实际，在实验中培养学生的观察能力、分析能力和动手操作能力。实验教学作为理论教学的一个补充，对提升教学质量有着非常重要的影响，故在整个教育体系中占有越来越重要的位置。高分子材料与工程专业包括很多实验类课程，如“无机化学实验”、“有机化学实验”、“物理化学实验”、“高分子化学实验”、“高分子物理实验”、“分析与测试”等。传统的化学实验教学要用到很多化学试剂、仪器设备，同时也要考虑教学课时、安全、环保方面的因素。故传统实验教学常受到实验设备短缺，教学仪器不足，实验课时少，实验场所相对较小，实验层次偏低，操作安全性不强和污染隐患等问题，导致学生在实践环节中主体定位出现偏差，学习兴趣不高，学生缺乏实际操作能力，实践技能零碎，导致缺乏创新思维，无法实现综合素质的培养[1-2]。在此情况下，虚拟实验应运而生。虚拟实验是指借助多媒体、仿真和虚拟现实等技术，在计算机上营造虚拟的实验环境，模拟真实实验的操作过程和实验现象，实验者可以像在真实实验环境中一样完成实验项目[3]。本项目就徐州工程学院高分子材料与工程专业虚拟实验平台的建立与完善情况进行探讨。

1    虚拟实验平台构建框架

虚拟实验是相对于真实实验而言的，一般认为通过通信技术、网络技术以及传感技术等能提供等同于真实实验体验的实验环境和系统，均可称之为虚拟实验[3]。故徐州工程学院从多个方面着手建立高分子材料与工程虚拟实验平台，建设框架，如图1所示。

在实验大楼、仿真实验室等展厅屏幕采用滚动字幕的形式播放与实验相关的一些常识，如实验室安全常识，常用仪器的使用、维护、清洗等事项，学科前沿知识等，以增加学生的专业文化素养。仿真实验侧重基础单元操作，具体产品的生产工艺流程及实验室、工厂安全与环保等仿真模拟，而网络平台则侧重不同实验课程内容进行相应建设。3种虚拟实验平台相互融合、优势互补，从而大大提高了实验教学的效果。

2    网络课程平台的建立

网络课程以超星网络课程平台为基础进行建设，结构如图2所示。整个平台包括课程门户、资源、通知、作业、活动等10个模块，在所有模块中，教师是建设、维护者，学生是使用者及一些模块任务的执行者。

录制的视频包括实验操作视频、理论微课视频等。视频上传后可设置防拖拽、防窗口切换等功能，以防止学生作弊，更好地了解学生视频的学习情况。视频任务点设置成功后，前面有橙色的标记。视频观看不受时间和空间的限制，学生可反复观摩，在提前预习和课后复习环节中起到重要作用。

管理模块可以进行多方面管理，如成绩管理、学生增删管理、督学管理等。学生访问量的管理，可以看出每天学生的访问情况，也可看出学生在某个时段的学习情况，可以帮助老師很好地了解学生的学习情况，以便辅导和督学。活动模块包括签到、投票、选人、主题讨论、问卷、分组任务、直播、在线课堂、作业等，可以用于线上线下互动。线下课堂教学中充分利用活动中的模块，可以充分调动学生兴趣，大大活跃课堂气氛，也调动了学生的积极性、参与性。

3    仿真实验室的建立

在调研和借鉴国内建设了虚拟仿真实验室高校的丰富经验外，徐州工程学院根据实际情况，建立了具有自身特色的仿真实验室。仿真实验系统主要包括3个部分：单元操作仿真模拟、典型产品的工艺流程仿真模拟、实验室及工厂安全与环保注意事项仿真模拟。单元操作仿真目前已有过滤、干燥、精馏、结晶、萃取、膜分离、常减压工艺、固定床反应器、流化床反应器等实验及工厂一些常用基本操作;工艺流程包括一些原料及高分子材料的工艺流程，如甲醇合成及精制工艺、苯胺制备工艺、聚氯乙烯制备工艺;安全与环保仿真如加氢反应系统安全应急演练等。仿真实验平台可用于仿真实验教学、实训模拟、学生竞赛培训、教师科研等，如徐州工程学院化学化工学院学生在2017年全国大学生化工实验华东区赛获得二等奖、第五届中国大学生高分子材料创新创业大赛获得二等奖，两支参赛队伍在第六届中国大学生高分子材料创新创业大赛上获得二等奖、江苏省联盟杯大学生实验竞赛特等奖。

工业加氢工艺一般在高温、高压下操作，极易发生爆炸、着火事故，属于化工装置中的重大危险源，一旦发生事故，将造成重大损失。故学生对该工艺安全操作流程的了解极为重要。通过对加氢反应系统安全应急演练3D仿真实训课程的学习，有助于增强学生的安全意识、掌握安全知识、熟悉事故发生时的应急处理流程。加氢反应系统安全应急演练3D仿真实训包括原料油增压泵密封泄漏着火、加氢反应器入口管线焊缝破裂着火、高压换热器管束泄漏，分别从岗前安全知识讲解，事故发生后警报触发、启动预案、转移伤员、设立警戒、紧急停车、消防灭火、环境监测和警报解除等角度系统再现了整个应急演练流程。通过该仿真实地演练有效促进了学生对安全知识、现场阀门操作、应急处理预案的学习和理解，培养了团队合作意识以及严谨工程素养和创新能力等。

4    存在问题及改进措施

4.1  减少“认知摩擦”

美国设计师Alan Cooper把“当人类智力遭遇随问题变化而变化的复杂系统规则时遇到的阻力”定义为认知摩擦，即技术的应用和功能的堆砌使产品变得复杂、难于理解和使用，用户很难通过感官来预期操作的结果。其原因归结为产品设计不良所造成。目前，大多仿真虚拟实验设计人员与教学人员脱节，软件设计开发人员一般是计算机专业而不是专业教学人员，缺乏实际教学方面的知识，故设计的仿真实验软件更注重技术、功能性，在实际应用方面则有所欠缺，即存在认知摩擦。如何使软件减少用户的认知摩擦，人性化、使用性更强，从而使用户更容易掌握以提高学生的兴趣性、互动性，是现阶段仿真实验软件开发需要解决的关键问题[4-5]。

4.2  虚拟实验与真实实验教学相互融合

无论是网络课程平台还是虚拟仿真实验平台，都只能提供同学们反复看的功能，而化学实验侧重动手能力，只有学生真正地在实验室动手操作，才能有更深的体会，才能发现问题。虚拟实验和真实实验不能完全替代对方，使虚拟实验与真实实验教学相互融合、优势互补，使实验教学达到最佳的效果是需要思考的问题[6]。经过几个班级的实践，研究发现虚拟实验在前期预习、后期复习阶段可以发挥较大作用。虚拟实验可以把晦涩难懂的实验机理形象地展现出来，学生更有兴趣观看并掌握;经过观看虚拟视频对实验过程有所了解，心中有数，避免真实操作的时候感到迷茫，不知从何做起，同时也可减少操作错误和实验失误。不应仅停留在虚拟实验的学习，有条件地应尽量把大纲要求的实验内容进行真实实验操作。受主观、客观因素影响，不同学生做实验可能会出现不同的现象、结果，这就要求学生针对不同情况找出问题的症结，有助于培养学生的探究精神，这是虚拟实验所不能体验到的。

4.3  人文情感不能缺失

在最大程度发挥虚拟实验作用的同时，可能会导致一些人文情感的缺失，这也是在运用虚拟实验平台的过程中要考虑到的问题[7]。真实实验过程中，有老师、同学在场，遇到问题，彼此可以进行探讨，当面及时解决。这个过程能使学生增强交流沟通、激发斗志、探究、人际交往等综合能力得到锻炼。特别是对于内向、不擅长交际的同学尤为重要。而虚拟实验目前不能达到这个效果，需要继续改进、优化。在虚拟实验过程中，可以增加互动，与老师同学交流、探讨，以减少自己在孤立环境中的感受。

5    結语

基于虚拟展厅、仿真实验及网络课程的高分子材料与工程虚拟实验平台的建设，各有侧重并相互融合、优势互补以满足不同方面的需要。克服了传统实验的时空限制、设备短缺、安全环保等不足，提高了学生的兴趣、积极性、参与性及创新能力。

[参考文献]

[1]李 霞.材料力学虚拟仿真实验系统的开发[J].实验技术与管理，2016（12）：125-127.

[2]李 林，陈宇峰，李仲君，等.大规模在线虚拟实验教学平台的建设与实践[J].实验技术与管理，2018（7）：144-147.

[3]伍 婷，许苏宜，张亚鹏，等.虚拟实验技术在化学实验教学中的应用与实践[J].化学教育（中英文），2017（5）：58-61.

[4]朱 敏，刘鹏飞.虚拟实验在化学实验教学中的应用策略研究[J].软件导刊，2013（6）：166-168.

[5]魏书莉，杨 雪，傅 健.虚拟实验操作系统中的认知摩擦问题研究[J].现代教育技术，2009（9）：121-123，116.

[6]田 丰.虚拟实验与真实实验的整合研究[J].实验技术与管理，2005（11）：89-92.

[7]耿艳香，徐文超，张立毅，等.教学实践中虚拟实验的发展与完善[J].计算机教育，2014（24）：119-121.