虚拟仿真在高分子专业课程中的应用＊

梁 爽，王 鑫，孙占英

（河北科技大学材料科学与工程学院高分子材料与工程系，河北 石家庄 050018）

“高分子材料与工程”具有广阔的前景且充满活力，在国民经济发展中，其工业和研究体系发展为支柱性产业[1]。毕业生可在企业从事合成加工或技术管理，如塑料、橡胶、涂料等相关工作。而虚拟仿真实验教学，是现代教育教学和信息技术深度融合的产物，也是教学改革工程和国家本科教学质量的关键组成部分，是高校实验室建设创新改革的关键。通过应用虚拟仿真的形式，能够推动高校实验教学改革，提高学生的学习兴趣，促进优质实验教学资源的发展。

1 “高分子材料与工程”课程传统教学的不足

“高分子材料与工程”课程有较高的实践性和应用性，所以通过实验教学的方式，对本专业学生日后正式工作中应对问题、应用实践的技巧和能力可以产生直接性的影响。但是传统的教学方式存在着很多不足，难以满足国家工业在新时代下的变化需求。

需要注意，“高分子物理与化学实验”“材料设计”“生产实习”等，均是本专业实验实践类课程教学形式。其中实验学习的基本构架，主要经胶黏剂、化学纤维、橡胶、塑料、涂料等五大高分子材料实验构成。但是以上课程主要针对学生选择方向独立展开，学生在日后就业时对研究外的材料了解度较低，相互间的关联性较差，整体知识整合性不佳，且缺乏材料体系间相互串联。在以后的工作生产中，因传统实验教学的单一验证性特征，自身形成思维定式，难以把实践和理论很好地连接起来，缺乏创新性特征。一些学校因为一些实验存在污染大、能耗高、危险高的特点，不提供或缺乏条件给予学生相应的实验环境，难以真正体会实验的意义和目的，学生仅可从教师的教案或互联网上了解到相关实验，难以很好地锻炼其动手动脑能力[2]。

2 虚拟实验平台构建及其专业课程教学设计思路

通常认为，经传感器、信息和网络技术等所提供的相似于真实实验系统和环境，便能够被称为是虚拟实验。所以可通过滚动字幕的形式，在仿真实验室和实验大楼等展厅屏幕，播放像常用仪器的维护、清洗、使用等事项，以及实验室安全常识等与实验有关的知识，增加学生专业文化素养。在具体的仿真实验中，仿真模拟工厂、实验室安全与环保，以及产品的生产工艺流程等仿真模拟，侧重基础单元操作。通过虚拟实验平台的优势互补等，加强对实验教学效果的显著性提升。

在“高分子材料与工程”课程设计中，要求学生能够实现对生产过程及实际实验的独立设计完成。学生在传统教学中，积极创新设计高分子材料的工艺流程、设备、性能、结构、原料选择、实验室/车间布置等，同时撰写设计报告。经传统教学和虚拟仿真平台的结合，能够帮助学生很好地了解实验设备原理、在线选择，学生还能够加强对真实实验室/车间情景的仿真，构造出三维的空间环境[3]。除此之外，把预实验和正式实验模块设置在虚拟仿真平台中，学生能够实现对相应实验/生产过程的真实模拟，同时在线模拟实验流程。

3 高分子专业课程虚拟仿真教学的作用

虚拟仿真，是一个虚拟现实世界，主要应用仿真技术和多媒体结合所形成，可以集合触觉、嗅觉、视觉、听觉等于一体，便于用户产生身临其境的体验，感受虚拟空间中的客体，同时实施相应的互动交流。而虚拟仿真教学，打破高校传统教学模式，是深度融合信息技术和学科专业教学的产物，也是对传统教学的改进和相应的补充，实现了相应的改革创新。

因为实验时间、资源、原料和场地等的原因，对于理工类的专业来说，学生的实验次数受到一定的限制。除此之外，一些价格昂贵的实验设备，会影响培养目标和学习效果的达成，难以在学校中开展实验教学[4]。学生经过虚拟仿真平台，能够克服现实中实验试验、烦琐的采购流程以及场地的限制，自主选择实验设备、原料，在短时间内实现对实验/生产过程的模拟。通过这样的方式，能够提升学生的动手能力，创新改革具体的实验操作过程。除此之外，在具体的模拟过程中，能够更好地评价设计的合理性，了解相关注意事项和实际需求，设计出极佳的实验/生产方案。经模块设计虚拟仿真平台，教师在其中发布任务，学生了解需完成的任务、各个环节的设计要求，最终完成实验。教师还可通过这一平台，及时为学生提供指导，了解学生的完成进度和构思。

4 高分子专业课程虚拟仿真教学应用情况

积极结合专业课程设计要求，把用户登录（学生+教师）、选题依据、课题名称、原料选择、设备选择、预实验、正式实验、总结报告等主要模块设计出来。以下将进行具体的解释说明。

用户登录，主要是记录好学生及教师的个人信息，做好相应的区分；选题依据，主要经查阅文献和市场调研的方式，说明此课题相应的研究意义和背景；课题名称，经学生自主设计或导师提供选题目录，所以教师能够积极审核课程设计的题目；原料选择，把相关信息，像生产厂家、货号、价格、试剂名称、纯度、危险性等录入到其中；设备选择，把常见的实验设备在平台中录入，同时在具体的实验/生产过程中，选择使用的设备购置价值、类型和成本等，实现在线程序化操作完成反应釜、结构测试仪器、不同类型天平、搅拌器、性能测试仪器等[5]。

之后进行预实验，实验/生产过程，主要经虚拟仿真平台进行模拟，展开预实验，学生在这一过程中完成实际的操作，结合选择的实验装置和原料等完成。例如，在设备上程序化操作产物的纯化、后处理，以及溶液的配制、进样，甚至于原料的称量、检查等流程。在此过程中，学生能够比较不同设计间的区别，把多个预实验设计出来[6]。之后便能够进行具体的、正式的实验过程，积极修正好实验流程，通过结合之前进行的预实验的结果，选择最佳方案，录制操作视频，完成正式的实验过程。最后一道工序，就是进行报告的总结，把专业课程设计取得的结果用自动化的方式导出，生成最后的总结报告。

5 结语

虚拟仿真教学尽管无法代替传统的实践教学，但是其作为一种全新的教育模式，能够弥补传统教学中的不足，实现传统和仿真模拟教学两者的有机结合，提升学生的创新能力和动手能力，积极调动学生的积极性与参与性，使学生在实验的过程中优势互补、共同提高，同时丰富了课堂教学案例，达到了培训新教师目的。因此，虚拟仿真实验教学的建设，需要不断开发和完善，让学生更加灵活地学习，学校鼓励教师提升信息化素养，改善更新教学内容，推进学校一流大学建设。但是，在构建虚拟仿真平台时，通常所用的成本教高，涉及到大量的互联网和电子计算机技术，依旧需要教师和学生进行进一步的完善和探索，改善材料学科发展较为落后的现象，促进专业课程的教学质量，同时能够提高学生的实践性，对于高分子专业的理论学习也有一定的帮助。