湿法纺丝实验虚拟仿真教学与课程思政模式探索

江峰 隋坤艳 袁华 张小艳 谭业强

[摘 要] 随着信息技术的发展，虚拟仿真技术也逐渐应用于教学中，与传统教学的有机结合极大地丰富和改革了传统的教学手段。依托青岛大学开发的“海洋生物质纤维成形虚拟仿真”实验项目，结合项目运行周期中遇到的问题，探索虚拟仿真实验高阶性内涵与创新性教学，阐述了虚拟仿真技术在湿法纺丝实验中的应用，总结了虚拟仿真线上教学和实体实验线下教学的结合，并将课程思政内容渗入实验教学中，总结了相关的教学方法，提高了学习效率和教学效果。

[关键词] 海洋生物;虚拟仿真;课程思政

[基金项目] 2018年度山东省研究生教育优质课程“材料物理化学”建设项目（SDYKC18049）;2018 年度山东省研究生导师指导能力提升项目“服务未来绿色化纤/纺织行业的工程硕士培养研究与实践”（SDYY18072）;2020年度青岛大学创新型教学实验室研究项目“金课背景下‘海洋生物质纤维成型实验线上线下教学模式构建”

[作者简介] 江 峰（1970—），女，山东青岛人，博士，青岛大学材料科学与工程学院讲师，主要从事湿法纺丝成型工艺研究;

隋坤艳（1969—），女，山东青岛人，博士，青岛大学材料科学与工程学院院长，教授（通信作者），主要从事海藻纤维加工工艺研究。

[中图分类号] G640    [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2021）39-0144-04    [收稿日期] 2021-05-08

一、引言

随着互联网、大数据、人工智能、虚拟现实等信息的快速发展，虚拟仿真技术已经渗入各个领域[1]。在日新月异的新形势下，高等教育必须适应新时代人才培养的需要，将新技术与实践教学相结合，强化学生理论知识的学习，提高实践动手能力和解决实际问题的能力，从而提高人才培养质量，更好地服务于社会与经济发展[2]。信息技术的快速发展为提高教学手段提供了充分的准备。将虚拟仿真技术应用于实验教学项目，是将现代信息技术融入实验教学项目、拓展实验教学内容的广度和深度、延伸实验教学的时间和空间、提升实验教学质量和水平的重要举措。以虚展实、以虚代实，从而快速响应实验教学的需求，拉近实验教学与工程实践的距离，促进学生自主学习和探究式学习，解决目前线下实验中难以操作、难以实现的问题。2013年8月，教育部决定开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设[3]，充分体现了对虚拟仿真教学在高校实践教学体系中应用的重视。随着虚拟仿真实验教学从以信息化网络平台建设为重点的初始阶段，进入以优质项目资源建设与应用为重点的深入发展阶段，注重以现代信息技术为依托，以相关专业急需的实验教学内容为指向，以完整的实验教学项目为基础，促进实验教学质量稳步提高[4，5]。

本文通过分析湿法纺丝实验虚拟仿真与线下教学的结合，探索促进学生掌握湿法纺丝理论知识、提高学生动手解决纤维湿纺生产中实际问题的能力、培养学生创新思维的教学手段，以使实验教学与工程实践进一步拉近距离，培养出社会急需的具有实践创新能力和解决复杂工程问题能力的一流人才。

二、湿法纺丝虚拟仿真线上教学的构建

（一）湿法纺丝实验课程介绍

化学纤维的湿法纺丝实验课程是针对我校工科特色开设的一门面向高分子材料专业本科生的大型实验课程，是培养本专业学生将理论知识与实践工程联系起来的重要教学环节。实验的目的是以海藻纤维的成型过程为例，使学生了解化学纤维湿法纺丝的工艺流程，掌握海藻纤维纺丝的原理、方法、加工工艺及流程，进一步掌握和加深对湿法纺丝方法的理解，同时使学生了解湿法纺丝的设备组成和构造，并初步掌握湿法纺丝的基本操作步骤和技能。

化学纤维的湿法纺丝成型过程主要是针对分解温度低于熔点的高聚物在纺丝时所采用的方法。不同于熔法纺丝的简单形变过程，湿法纺丝时高聚物需要溶解在良溶剂中形成一定浓度的纺丝液，挤出成型后又需要去除并回收溶剂，因此湿法纺丝不仅工艺流程长，而且涉及多组分聚合物流体的形变及固化，使纺丝过程变得复杂。另一方面，湿法纺丝的纺前准备过程操作周期长。高聚物的溶解不同于小分子，其溶解时间特别长，聚合物要经历溶胀到溶解的过程，如海藻酸钠在水中的溶解过程大约需要4个小时。纺丝过程要想顺利进行，必须在纺前准备中经过过滤、脱泡的过程，其中，脱泡的过程更是长达8小时以上。如此长时间的操作过程在现实条件下受到设备的限制，很难安排众多学生亲自完成，这就凸显出了虚拟仿真的优势，使学生在虚拟环境下操作，真切地了解每个生产步骤的工艺条件，从而完整地掌握理论知识和生产工艺。

（二）湿法纺丝虚拟仿真教学的设计

1.自主学习模式。实验开始前，首先让学生进行自主学习，内容包括实验室安全知识和基本操作，以及化学纤维湿法纺丝涉及的理论知识。例如，通过动画演示灭火器和灭火毯的使用方法，使学生掌握这些基本安全操作。通过生动、形象的动画形式激发学生的学习兴趣，达到掌握知识的目的。其次，需要学生明确湿法纺丝实验的目的，清楚本次实验要完成的目标。了解高分子材料加工的概念和过程，熟悉和掌握湿法纺丝的工艺流程，对纺前准备、纺丝成型和后加工及卷绕等各个工序所涉及的原理和工艺進行学习。这些内容在虚拟仿真的知识点部分都会展示，学生可以一一点开按钮，学习相关内容。另外，对生物质纤维，如海藻纤维和壳聚糖纤维的结构特性、发展现状、仪器设备、加工流程及应用也做了相关介绍，学生可以点开获得相关知识。

进入实验操作步骤环节，软件采用虚拟仿真的场景和设备，利用学生熟悉的游戏方式，通过提示并讲解各个工艺步骤的条件和原理，引导学生将整个湿法纺丝流程操作一遍。为了便于学生反复学习，在一遍操作过程结束后，学生可以返回开始步骤，改变工艺条件，继续进行操作，从而最终掌握生物质纤维湿法纺丝的工艺流程和纺丝原理。在每一步骤中，都为学生设计了相关的思考题，内容即为刚刚学习的理论知识，以期学生能够将学习到的理论知识及时巩固。思考题采用选择题的形式，错选会有提示，然后将正确答案显示出来并做出解释，进一步夯实学生的理论知识。