高分子材料虚拟仿真实验教学探索与实践

韩永军　曹可生　曹云丽

摘 要：本研究结合新工科材料工程科学类人才质量培养要求，构建高分子材料工艺模拟实验平台，针对虚拟仿真实验资源不足、虚拟仿真实验教学师资队伍能力待提高、虚拟仿真实验教学平台待完善三个方面进行了探索与实践，通过建设“虚实结合、以虚补实、以虚证实”类教学资源库，打造“校企合作、专兼结合、双师双能”型教师队伍，构建“多方开发、资源多样化、考核多维度”教学平台。本研究的探索与实践有益于材料类本科工程技术人才的培养，也为其他实践类课程的教学提供了参考。

关键词：高分子材料；虚拟仿真；教学

虚拟仿真是依托于信息技术、互联网技术、电子信息技术、数据库等构建形成的一种虚拟仿真系统。为贯彻落实工信部、教育部《虚拟现实与行业应用融合发展行动计划（2022—2026年）》关于建设一批虚拟现实课堂、教研室、实验室与虚拟仿真实训基地的要求，推动教学模式向自主体验升级，打造支持自主探究写作学习的沉浸式新课堂，构建“虚实结合、优势互补、交叉融合”的教学体系和运行机制，发挥虚拟仿真实验的最大作用，为新工科背景下人才育人模式提供一定的实践基础，平顶山学院材料科学与工程专业将“现代信息技术与课程的深度融合”作为实践教学改革的立足点，针对实践教学中出现频率高且操作难度大的大型仪器实验，进行了适用于线上、线下以及线上线下混合式教学的材料科学与工程专业虚拟仿真实验开发。开发相关虚拟仿真实验课程项目为本科生教学提供了有力支持。

高分子材料加工工艺学是平顶山学院材料科学与工程专业的必修课程，配套实验需要消耗大量原材料，存在高危险、高成本、高消耗、极端环境、不可逆操作等问题，因此有必要建设虚拟仿真实验室，推动实验教学。对学生而言，通过课程学习可以深入学习高分子材料加工工艺的理论知识，将理论知识简单化、直观化；对教师而言，开展模拟实验教学是培养学生创新思维、实践能力的有效途径。

一、高分子材料工艺模拟实验教学现状

（一）虚拟仿真实验资源有待进一步开发

根据平顶山学院应用型人才培养需求和专业特色，需要学生具备跨专业能力、多学科知識融合能力。高分子材料工艺模拟实验需要对高分子材料生产过程中的大量数据进行验证，特别是学校要紧密结合地方企业的尼龙行业特色，但相关数据匮乏，数据来源类型各异，最终实验效果及数据处理差别较大，不利于学生深入理解相关知识点。同时，高分子材料工艺模拟实验教学体系下知识点分散，缺乏系统性，因此在后续教学过程中需要对教学体系进行重构整合，以学生为中心，使实践教学能够更加接近工业生产实际，提升学生的实践应用能力。

（二）虚拟仿真实验教学师资队伍能力有待进一步提高

虚拟仿真实验对教师的综合能力特别是信息化技术能力要求较高，目前师资队伍中缺乏高端复合型人才，使得本专业教师需要花费一定的时间、精力学习虚拟仿真技术。同时，学校重视不够、投入不足，未能组建专业化虚拟仿真实验教学团队，未将虚拟仿真技术真正深入运用到高分子材料工艺模拟实验教学中。

（三）虚拟仿真实验教学平台有待进一步完善

社会上现有软件公司提供的虚拟仿真软件采用的通用模式，不符合尼龙类材料的工艺要求，专业特色不强。目前大多数高校的虚拟仿真实验是依靠从软件公司购买的软件所建立，信息技术融入不够，缺少分析、评估和决策功能，不能实现精准个性化的教学目标。仿真实验教学队伍应根据学校高分子材料工艺模拟实验特点，与企业合作开发适合的仿真实验体系，知识产权共有，寻求产学研共同发展道路。

二、教学改革与实践

（一）“虚实结合、以虚补实、以虚证实”类教学资源建设

依据新版材料科学与工程人才培养方案，将线下实验难以完成的涉及高危或极端环境、不可及或不可逆的操作、高成本高消耗、大型或综合训练等教学内容采用虚拟仿真实验教学，建设一套“虚实结合、以虚补实、以虚证实”类教学资源，完成教学大纲要求。

在教学资源建设过程中，引入尼龙行业案例，实体项目+虚拟仿真项目=实验项目整体，缺一不可。实验运行采取“虚实结合”，实现“实体实验轮转+虚拟仿真实验轮转”。在教学资源的整合上将理论知识与实际案例结合，丰富3D动画演示，少文字多图画，虚拟注塑机器操作实际生产案例。将虚与实、验证与拓展相结合，提高材料加工与设计的综合能力。如利用Moldex3D、MoldFlow等塑料注塑成型仿真软件，对尼龙塑料制品的注塑成型进行模流分析，从材料各区温度差异、材料厚度不均、材料各向异性等方面分析翘曲变形情况，分别进行优化，获得最优注塑条件，解决塑件在成型时发生翘曲变形问题，缩短模具设计周期，减少浪费，降低设计和原料成本。同时，结合现有注塑机器进行实际验证，优化高分子材料的注塑件、注塑模具和注塑成型流程，最终实现高分子材料高品质、低成本的注塑成型加工。

（二）“校企合作、专兼结合、双师双能”型师资队伍建设

加强现有高分子材料工艺模拟实验教学师资队伍培训，派遣青年教师到国内外访问学习，提高教师科研水平。鼓励青年教师到知名企业进行实践锻炼，聘任相关化工行业专家、工程师兼职授课，打造“校企合作、专兼结合、双师双能”型师资队伍。鼓励教师走出校门，走进企业，联合进行科技攻关，精心设计具有探究性、实践性、创新性的虚拟仿真实验课题，改进和完善教学模式，实现科研实验与教学实验相互补充、共同发展。打造专业技术过硬、结构合理稳定的师资队伍。

（三）“多方开发、资源多样化、考核多维度”平台建设

对于整合好的教学资源，依据学科、专业、课程特色，联合企业、省内外院校共同开发高分子材料工艺模拟实验课程网络平台，协调好不同课程资源的相互关系，使其具有层次化、模块化的特点。首先将该实验课程分为基本原理验证模块、基础技能训练模块和综合设计创新实验模块。针对每个模块的学习内容又大致分为预习、虚拟仿真操作、考核评价三个部分，每个部分又包括视频、讨论、作业、测试等多样化的内容。预习主要是通过学习视频理论知识、明晰实验目的及原理，知晓实验步骤及内容，掌握实验的模拟操作流程。在预习过程中设置测试及讨论题，学生可以通过测试了解自己的预习情况，对于有疑问的地方可以与教师在线讨论，教师在线进行解疑答惑。

虚拟仿真操作则包括实验的整个流程。操作过程中平台会随机设置一些互动问题，学生在答对问题的基础上才能进行下一步的操作，利于学生掌握操作流程，留心操作细节及注意事项，利于保障学生在实验室进行实验操作的规范性及标准化。

依据工程教育专业认证理念，制定实践教学大纲与实践方案，规范实践课程质量标准，将考核评价分为形成性评价与终结性评价。其中形成性评价主要针对平台上学生任务点的学习及作业、测试成绩。终结性评价主要指课程结束后的考核评价，包括平台模拟操作评价及实验室实操考核评价。

（四）“线上线下、课上课下、个人团队”教学模式

课前，教师进行启发式引导学习，将课堂重难点、学习资料、课前测试等提前发布到课程平台上。学生在课程平台上进行课前预习、“小组协作+查找资料”、提出问题并引发思考，完成教师发布的课前测试任务等。

课中，学生通过课堂讨论、体验式学习等与实验空间上的虚擬仿真课程相结合的方式进行学习，从而完成前测回顾、问题导入、重难点解答、现实应用、举一反三、知识拓展、小结作业等一系列课堂学习流程。学生从线上线下混合式教学中获得独立思考能力和更积极的课堂参与感，从而进一步提升教学效果。

课后，由教师主导复习巩固提升，在交互学习平台上发布教学反思、师生交互等内容，并进行个性化辅导。学生在交互学习平台上进行复习巩固、讨论交流、小组实践和课后作业。及时巩固所学知识点，加深对重难点的理解，实现由教到学的充分转化。

三、结语

高分子材料工艺模拟实验课程教学分别从教学资源、师资队伍、教学平台三个方面进行了探索与实践。将高分子材料工艺理论知识与实际应用相结合，深层次融入企业案例，兼顾学生创新能力与基础技能培养。模拟实验平台的开发使原本难以在课堂上实现的高分子材料加工工艺设计训练成为可能，解决了课程拓展型和创新型实验环节难以开展的难题。课题组的教学探索与实践有益于材料类本科工程技术人才的培养，也为其他实践类课程的教学提供了参考基础。

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责编：应 图