基于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的《高分子材料成型加工》教學(xué)改革探討

張嬌霞，周海駿，郭偉杰，李世云，劉 文

（江蘇科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

高分子材料成型加工是在高分子物理和高分子化學(xué)的基礎(chǔ)上，通過學(xué)習(xí)高分子材料成型加工使學(xué)生了解高分子材料成型加工的基本原理、生產(chǎn)制造方法和工藝過程，培養(yǎng)具備高分子材料與工程知識(shí)高級(jí)技術(shù)人才，為其從事為高分子材料的合成制備、改性、結(jié)構(gòu)、性能和加工應(yīng)用等領(lǐng)域打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)［1］。本課程依據(jù)高分子材料成型加工原理使學(xué)生理解掌握擠出、注射、壓延和橡膠加工過程及在加工過程中各種操作因素及在這個(gè)過程中所發(fā)生的物理化學(xué)變化對(duì)制品的結(jié)構(gòu)性能的影響，因此高分子材料成形加工具有很強(qiáng)的實(shí)踐性。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中可以更深刻的加深對(duì)加工原理的認(rèn)識(shí)，并能很好的培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手操作和創(chuàng)新能力［2］。但是隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能和虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展，目前傳統(tǒng)的教學(xué)模式已無法滿足學(xué)生們的需求，如何通過改進(jìn)課程教學(xué)使高分子相關(guān)專業(yè)的學(xué)生適應(yīng)這種變化，切實(shí)提高學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力，是新時(shí)代技術(shù)背景下該門課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)所面臨的挑戰(zhàn)。

1 高分子材料成型加工實(shí)驗(yàn)過程存在的問題

目前我校高分子材料成型加工實(shí)驗(yàn)課程主要采用教師準(zhǔn)備原材料、利用學(xué)?，F(xiàn)有設(shè)備對(duì)其進(jìn)行加工與成型，進(jìn)一步對(duì)其結(jié)構(gòu)與性能進(jìn)行表征測(cè)試。然而隨著行業(yè)技術(shù)的發(fā)展與整合，傳統(tǒng)的高分子材料成型加工實(shí)驗(yàn)課程存在如下問題：（1） 課程內(nèi)容更新速度慢，存在與行業(yè)技術(shù)設(shè)備發(fā)展脫節(jié)等現(xiàn)象。（2）成型加工的擠出機(jī)、注塑機(jī)、密煉機(jī)、壓延機(jī)和硫化機(jī)等，購(gòu)置成本高且場(chǎng)地占用空間大，每個(gè)實(shí)驗(yàn)所涉及的設(shè)備配套數(shù)量一般就一兩臺(tái)，因此經(jīng)常采取分組的教學(xué)方式，并即便如此也很難實(shí)現(xiàn)每一位同學(xué)都可以上手操作所有的加工設(shè)備，另外出于安全考慮，很多時(shí)候?qū)W生無法實(shí)現(xiàn)從開始準(zhǔn)備到實(shí)驗(yàn)結(jié)束的完整實(shí)驗(yàn)流程，更多的時(shí)候則只能采用圍觀式的教學(xué)，學(xué)生在這種被動(dòng)式圍觀式的教學(xué)過程中很難對(duì)實(shí)驗(yàn)過程有深刻認(rèn)識(shí)，更難掌握背后的實(shí)驗(yàn)原理。（3）教師對(duì)高分子材料成型加工實(shí)驗(yàn)體系的教學(xué)效果評(píng)估主要依靠的是學(xué)生最后上交的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，而很難將學(xué)生的現(xiàn)場(chǎng)操作和理論學(xué)習(xí)聯(lián)系起來綜合評(píng)價(jià)［3］。因此必須對(duì)傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)模式進(jìn)行教學(xué)改革，提高學(xué)生的主動(dòng)學(xué)習(xí)能力，促進(jìn)理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)模式迫在眉睫。

2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室發(fā)展現(xiàn)狀

隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能的發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)因能夠完成許多傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)無法操作實(shí)施的教學(xué)實(shí)驗(yàn)，受到了越來越多高校的重視。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室是利用互聯(lián)網(wǎng)、人工智能和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等建構(gòu)的在一定場(chǎng)景下模擬真實(shí)型實(shí)驗(yàn)設(shè)備的虛擬實(shí)驗(yàn)軟件教學(xué)系統(tǒng)，利用該教學(xué)系統(tǒng)可以將真實(shí)的教學(xué)用實(shí)驗(yàn)設(shè)備以及整個(gè)實(shí)驗(yàn)流程進(jìn)行虛擬化的呈現(xiàn)出來。學(xué)生憑借電腦或采用賬號(hào)的形式進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)軟件系統(tǒng)進(jìn)行人機(jī)交互操作，學(xué)生有一種親身體驗(yàn)的感覺。因此虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室不受時(shí)間和地點(diǎn)的限制，并且教學(xué)過程靈活，無需提供實(shí)驗(yàn)設(shè)備與材料，而受到國(guó)內(nèi)外高校的重視。例如最具代表的美國(guó)耶魯大學(xué)利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的移動(dòng)應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)了對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和分析的相關(guān)實(shí)驗(yàn)。英國(guó)開放科學(xué)實(shí)驗(yàn)室開則可以通過遙控儀器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了在線共享虛擬儀器設(shè)備。

國(guó)內(nèi)很多高校也實(shí)現(xiàn)了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的建立。北京大學(xué)依據(jù)光學(xué)位置追蹤系統(tǒng)構(gòu)建了沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)展示交互實(shí)驗(yàn)室。清華大學(xué)則在材料的快速成型技術(shù)方面實(shí)現(xiàn)了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建。北京化工大學(xué)則在2013 年就建立了化工安全與裝備虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，將虛實(shí)結(jié)合切實(shí)提高實(shí)踐教學(xué)能力，通過更加貼近真實(shí)的教學(xué)環(huán)境達(dá)到豐富實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容。

3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室在高分子材料成型加工實(shí)驗(yàn)課中的優(yōu)勢(shì)

高分子材料成型加工實(shí)驗(yàn)是將高分子材料成型加工的基本原理與生產(chǎn)實(shí)踐相結(jié)合，實(shí)踐性非常強(qiáng)的一門操作訓(xùn)練課程，在構(gòu)建高分子成型加工實(shí)驗(yàn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，應(yīng)以真實(shí)所需的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為依據(jù)，構(gòu)建實(shí)驗(yàn)過程所需的虛擬場(chǎng)景，用其反應(yīng)高分子材料加工所需的設(shè)備和加工過程。

課程內(nèi)容方面可以跟蹤行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與前沿技術(shù)，更新實(shí)驗(yàn)內(nèi)容并且可以設(shè)置真實(shí)實(shí)驗(yàn)室沒有的新設(shè)備相關(guān)實(shí)驗(yàn)。例如可以將機(jī)器人與設(shè)備相結(jié)合實(shí)現(xiàn)行業(yè)技術(shù)發(fā)展的無人車間，進(jìn)一步引入在線監(jiān)測(cè)操技術(shù)，拉近實(shí)驗(yàn)與工業(yè)生產(chǎn)之間的關(guān)系。開設(shè)目前的熱點(diǎn)3D 打印技術(shù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)使得實(shí)驗(yàn)課程緊跟前沿技術(shù)發(fā)展。值得注意的是，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)室的布局，設(shè)備及其組成零部件和工藝控制等方面，要力求反映高分子材料成型加工的真實(shí)過程。

在教學(xué)實(shí)施方面，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室則不受時(shí)間、地點(diǎn)影響，學(xué)生甚至在課余時(shí)間可憑借仿真虛擬實(shí)驗(yàn)室計(jì)算機(jī)或自己電腦上憑借賬號(hào)進(jìn)入軟件系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)，直觀認(rèn)識(shí)設(shè)備的構(gòu)造與組成、設(shè)置不同的工藝參數(shù)對(duì)高分子材料進(jìn)行相應(yīng)的成型加工，虛擬實(shí)驗(yàn)過程如果遇到問題可以及時(shí)在線的通過管理系統(tǒng)進(jìn)行反饋，教師可在線進(jìn)行答疑。有效改善了真實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中圍觀式的被動(dòng)局面，從而讓學(xué)生對(duì)依據(jù)理論知識(shí)進(jìn)行的實(shí)際生產(chǎn)過程有更深刻的認(rèn)識(shí)。

在教學(xué)效果評(píng)價(jià)方面，打破了傳統(tǒng)的依據(jù)實(shí)驗(yàn)印象和實(shí)驗(yàn)報(bào)告打分的局面，在仿真虛擬實(shí)驗(yàn)室教師可查看學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作過程，對(duì)學(xué)生綜合客觀的打分。

4 結(jié) 語

在計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)的快速發(fā)展背景下，通過基于真實(shí)的高分子材料加工的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，可以實(shí)現(xiàn)不受時(shí)間地點(diǎn)限制的教學(xué)內(nèi)容的靈活設(shè)置，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的全面科學(xué)的效果評(píng)估，促進(jìn)理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)的緊密聯(lián)合，突破真實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的圍觀式弊端，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性主動(dòng)，最終使得學(xué)生對(duì)高分子材料成型加工原理和工藝過程有更深刻的認(rèn)識(shí)。