“高分子物理實驗”虛擬仿真教學(xué)模式建設(shè)實踐

[摘 要] “高分子物理實驗”是工科高分子材料與工程專業(yè)學(xué)生全面學(xué)習(xí)高分子材料表征的一門必修課，但是在實際學(xué)習(xí)中普遍存在過度依賴精密儀器、課程設(shè)計受限、教學(xué)中斷等問題，嚴(yán)重影響課程教學(xué)質(zhì)量。同時，依據(jù)工程教育專業(yè)認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)、教育教學(xué)改革的發(fā)展，“高分子物理實驗”教學(xué)也應(yīng)與時俱進(jìn)，特別是新冠肺炎疫情期間，“停課不停學(xué)”“在線教學(xué)”促進(jìn)了“高分子物理實驗”的教學(xué)改革。通過“高分子物理實驗”虛擬仿真教學(xué)模式建設(shè)，解決了實操教學(xué)的主要問題，融入了工程教育專業(yè)認(rèn)證的新要求，也促進(jìn)了實驗教學(xué)與信息化的融合，適應(yīng)國情與教育教學(xué)改革。

[關(guān)鍵詞] 高分子物理實驗;工程教育專業(yè)認(rèn)證;虛擬仿真實驗;教學(xué)模式改革

[中圖分類號] G642 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A[文章編號] 1674-9324（2022）13-0042-04 [收稿日期] 2021-01-26

引言

教學(xué)是高等學(xué)校培養(yǎng)人才的主要渠道，優(yōu)秀人才應(yīng)是知識、素質(zhì)、能力的融合體。對學(xué)生來講，實驗課是獨立實踐的舞臺，可以獨立地構(gòu)建知識;對教師來講，實驗教學(xué)是一種以“案例教學(xué)”為課程組織特征的教學(xué)形態(tài)[1]，是對學(xué)生的實踐能力、創(chuàng)新思維進(jìn)行訓(xùn)練和培養(yǎng)的有效途徑。

“高分子物理實驗”是一門匹配于工科高分子材料與工程專業(yè)必修課程“高分子物理”的實驗操作課程，是高分子學(xué)科學(xué)生全面學(xué)習(xí)高分子材料表征的一門必修課程，也可為材料科學(xué)與工程、應(yīng)用化學(xué)、材料化學(xué)、化學(xué)工程與工藝等專業(yè)的學(xué)生提供參考[2]。“高分子物理實驗”強調(diào)操作性和實踐性，通過實驗的操作和實驗現(xiàn)象的觀察加深對高分子物理概念和原理的理解。在實驗教學(xué)中，結(jié)合生活、科研和企業(yè)實際應(yīng)用需求，涉及聚合物的溶液性質(zhì)、聚合物的結(jié)構(gòu)分析、聚合物的力學(xué)性能、聚合物的流變特性、聚合物的熱性能、電學(xué)性能，以及一些聚合物鑒別和分離剖析等綜合設(shè)計實驗，開發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新和綜合應(yīng)用思維及意識，是培養(yǎng)學(xué)生綜合實驗?zāi)芰Φ闹匾h(huán)節(jié)[3]。

工程教育是我國高等教育的重要組成部分，在高等教育體系中“三分天下有其一”。工程教育專業(yè)認(rèn)證的核心就是要確認(rèn)工科專業(yè)畢業(yè)生達(dá)到行業(yè)認(rèn)可的既定質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求，是一種以培養(yǎng)目標(biāo)和畢業(yè)出口要求為導(dǎo)向的合格性評價。其要求專業(yè)課程體系設(shè)置、師資隊伍配備、辦學(xué)條件配置等都圍繞學(xué)生畢業(yè)能力達(dá)成這一核心任務(wù)展開，并強調(diào)建立專業(yè)持續(xù)改進(jìn)機制和文化以保證專業(yè)教育質(zhì)量和專業(yè)教育活力[4]。高分子材料與工程是工科專業(yè)，各高校專業(yè)課程體系改革積極向工程教育專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)靠攏，隨著教育教學(xué)改革和信息化技術(shù)的發(fā)展，“高分子物理實驗”課程的教學(xué)模式、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法等方面也應(yīng)與時俱進(jìn)，特別是疫情期間，“停課不停學(xué)”“在線教學(xué)”也促進(jìn)了“高分子物理實驗”的教學(xué)改革。以虛擬仿真實驗為代表的在線實驗項目和開放課程發(fā)展迅猛，“高分子物理實驗”課程也需要跟上時代的步伐，開展教學(xué)改革與實踐。

一、“高分子物理實驗”傳統(tǒng)教學(xué)模式存在的主要問題

（一）過度依賴精密儀器

“高分子物理實驗”除了溶解分級實驗、定性鑒別實驗等少數(shù)實驗外，大部分實驗依賴于精密儀器設(shè)備，特別是大型貴重儀器。貴重儀器設(shè)備普遍價格昂貴，高等院校配備臺套數(shù)少?！案叻肿游锢韺嶒灐苯虒W(xué)以貴重儀器為載體，卻困于儀器設(shè)備的臺套數(shù)限制，以教師講述、學(xué)生代表操作為主，剩余學(xué)生不能真正上手操作，學(xué)生參與度低，學(xué)習(xí)效果欠佳。

（二）課程設(shè)計局限

“高分子物理實驗”一般與“高分子物理”相配套，內(nèi)容涵蓋高分子物理的所有核心知識點。內(nèi)容包括聚合物的溶液性質(zhì)、聚合物的結(jié)構(gòu)分析、聚合物的力學(xué)性能、聚合物的流變特性、聚合物的熱性能和電學(xué)性能及綜合設(shè)計實驗，以上各類性能的實驗教學(xué)均依靠對應(yīng)的貴重儀器。但并非所有高等院校的高分子學(xué)科都配足相關(guān)儀器，課程開設(shè)僅限于已有的貴重儀器。課程設(shè)計局限，難以系統(tǒng)性、綜合性地培養(yǎng)學(xué)生必須掌握的高分子物理實驗知識。

（三）教學(xué)中斷或教學(xué)結(jié)果不準(zhǔn)確

由于貴重儀器在服務(wù)教學(xué)的同時，還需服務(wù)科研、服務(wù)社會，充分發(fā)揮其使用價值。設(shè)備使用就會存在損壞和老舊的現(xiàn)象。實驗教學(xué)也可能因為誤操作使實驗設(shè)備突發(fā)故障而停止工作，實驗儀器維護(hù)不能實時同步，直接影響了實驗教學(xué)的開展。另外，儀器設(shè)備有其使用壽命，設(shè)備老舊，不能夠及時地更新?lián)Q代，獲取數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，重復(fù)性差，影響實驗結(jié)果的判斷，亦不利于實驗教學(xué)的順利開展。

二、工程教育專業(yè)認(rèn)證背景下“高分子物理實驗”虛擬仿真教學(xué)模式建設(shè)

在工程教育專業(yè)認(rèn)證的畢業(yè)要求中，要求學(xué)生熟練使用現(xiàn)代工具，熟練掌握高分子材料與工程領(lǐng)域常用的現(xiàn)代儀器、信息技術(shù)工具、工程工具和模擬軟件的使用原理和方法，能針對高分子材料與工程領(lǐng)域的復(fù)雜工程問題，開發(fā)、選擇與使用恰當(dāng)?shù)募夹g(shù)、資源、現(xiàn)代工程工具和信息技術(shù)工具，并能夠理解其局限性?，F(xiàn)有傳統(tǒng)教學(xué)模式存在的主要問題極大地限制了“高分子物理實驗”課程對這一畢業(yè)要求的支撐，必須進(jìn)行教學(xué)改革。

除此之外，在工程教育專業(yè)認(rèn)證的畢業(yè)要求中，要求學(xué)生能夠基于高分子科學(xué)原理并用材料科學(xué)方法對高分子材料的合成、結(jié)構(gòu)、性能等復(fù)雜工程問題進(jìn)行研究，能夠設(shè)計研究內(nèi)容，選擇研究路線，確立研究方法和具體的研究方案，分析與解釋數(shù)據(jù)，并通過信息綜合得到有效的結(jié)論，需要培養(yǎng)學(xué)生的動手操作能力、創(chuàng)新思維、創(chuàng)新能力和綜合分析能力。因此，實際操作的高分子物理實驗必須要通過課程體系、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和教學(xué)過程的改革與實踐來實現(xiàn)這一要求。同時，新冠肺炎疫情的暴發(fā)此起彼伏，對教育體系帶來嚴(yán)重影響。教育部應(yīng)對疫情提出指導(dǎo)意見，要求各高校充分利用線上教學(xué)資源，積極開展線上教學(xué)活動。在工程教育專業(yè)認(rèn)證背景下，“高分子物理實驗”線上虛擬仿真教學(xué)模式的實踐和探索勢在必行，刻不容緩。

虛擬仿真意同虛擬現(xiàn)實，簡稱VR或靈境技術(shù)，是用一個系統(tǒng)模仿另一個真實系統(tǒng)的技術(shù)。為了不斷加強高等教育實驗教學(xué)優(yōu)質(zhì)資源建設(shè)與應(yīng)用，2017年教育部辦公廳發(fā)布了《關(guān)于2017—2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)的通知》，以現(xiàn)代信息技術(shù)為依托，將實驗難度較大、實驗成本較高、危險因素較多、環(huán)境污染嚴(yán)重等實驗項目進(jìn)行改革，使學(xué)生對于知識的掌握和實驗操作的能力得到較大提升，也大大提高了實驗教學(xué)的質(zhì)量[5，6]。

（一）“高分子物理實驗”虛擬仿真教學(xué)模式建設(shè)的內(nèi)容

1.實驗項目確定。按照工程教育專業(yè)認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)，高分子材料與工程專業(yè)的設(shè)置、課程的設(shè)置旨為培養(yǎng)能夠在高分子材料化工、汽車、電子等領(lǐng)域從事科學(xué)研究、技術(shù)開發(fā)服務(wù)、質(zhì)量管理與企業(yè)運營等方面工作的高級工程技術(shù)人才。根據(jù)該主旨，“高分子物理實驗”課程特制定其實驗教學(xué)大綱，確定實驗學(xué)時、課程目標(biāo)、教學(xué)環(huán)節(jié)、實驗項目、目標(biāo)評價等內(nèi)容?！案叻肿游锢韺嶒灐闭n程包含40學(xué)時，一個教學(xué)實驗對應(yīng)4學(xué)時，共開設(shè)10個教學(xué)實驗，包括熱重分析法檢測聚合物的熱穩(wěn)定性、差示掃描量熱法測定聚合物的轉(zhuǎn)變溫度、紅外光譜測定聚合物結(jié)構(gòu)、紫外光譜測定聚合物組成、光散射儀測定材料粒度、凝膠滲透色譜法測定聚合物的分子量和分子量分布、偏光顯微鏡觀察聚合物形態(tài)、聚合物材料疲勞試驗、聚合物拉伸等機械性能評價和粘度法測定聚合物分子量。

2.實驗內(nèi)容編制。針對上述實驗項目，編制虛擬仿真實驗教學(xué)內(nèi)容。由于每一項實驗均包含實驗?zāi)康摹嶒炘?、實驗設(shè)備及物品、實驗步驟、注意事項、實驗數(shù)據(jù)記錄和處理、思考題等，具有高度的相似性。因此，選取熱重分析法檢測聚合物的熱穩(wěn)定性為代表性實驗，開展“高分子物理實驗”虛擬仿真教學(xué)模式建設(shè)。

首先是素材收集、教學(xué)設(shè)計等前期準(zhǔn)備工作。對開展實驗的實地環(huán)境、實驗物品、儀器設(shè)備、實驗操作過程、數(shù)據(jù)處理過程等進(jìn)行詳細(xì)記錄，收集實際操作實驗的教學(xué)大綱和教學(xué)講義等數(shù)據(jù)。

其次是3D建模。根據(jù)前期準(zhǔn)備工作收集的數(shù)據(jù)，進(jìn)行模型建立、材質(zhì)貼圖、布置燈光和烘焙場景等工作，設(shè)計虛擬儀器，建立虛擬實驗環(huán)境。

最后是交互設(shè)置。通過導(dǎo)入模型和交互設(shè)計，最終發(fā)布虛擬仿真實驗運行軟件。建設(shè)的仿真實驗課程，涵蓋實驗學(xué)時、課程目標(biāo)、教學(xué)環(huán)節(jié)、實驗項目、目標(biāo)評價、實驗指導(dǎo)、在線演示、實驗指導(dǎo)書下載、開始實驗和教學(xué)評價等模塊。

3.仿真課程軟件線上運行。仿真課程分學(xué)生登錄和教師登錄兩個端口。每位學(xué)生可對實驗簡介等各個模塊進(jìn)行點開學(xué)習(xí)，熟悉實驗相關(guān)的教輔材料。同時，學(xué)生通過軟件可對實驗的整體環(huán)境和所用儀器的原理、結(jié)構(gòu)建立起直觀的認(rèn)識。儀器的關(guān)鍵部位可拆解，在調(diào)整中可以實時觀察儀器各種指標(biāo)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)動作的變化，增強對儀器原理的理解、對功能和使用方法的訓(xùn)練。在具體實驗中儀器實現(xiàn)了模塊化、學(xué)生在理解教學(xué)思想的基礎(chǔ)上可對儀器上的各種圖標(biāo)、各種程序設(shè)置進(jìn)行嘗試學(xué)習(xí)，用不同的方法完成同一實驗?zāi)繕?biāo)，培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計思考能力，并且通過對不同實驗方法的優(yōu)劣和誤差大小的比較，提高學(xué)生的判斷能力和實驗技術(shù)水平。這種線上課程不僅擺脫了對貴重儀器的依賴，極大地提高了學(xué)生的參與度，而且克服了實際實驗中出現(xiàn)的盲目操作導(dǎo)致的儀器損害，大大提高了實驗教學(xué)的質(zhì)量和水平。教師登錄后，可對實驗學(xué)時、課程目標(biāo)、教學(xué)環(huán)節(jié)、實驗項目、目標(biāo)評價、實驗指導(dǎo)等內(nèi)容進(jìn)行編寫和更新。通過在線演示和開始實驗等模塊，對虛擬課程進(jìn)行演練，確保實驗過程各項內(nèi)容無誤。通過虛擬課程，可在線追蹤學(xué)生的實驗過程，掌握教學(xué)情況，對學(xué)生提交的實驗報告線上評閱，實現(xiàn)無紙化教學(xué)，最終對實驗進(jìn)行教學(xué)評價并持續(xù)改進(jìn)。

4.借助虛擬仿真平臺完成課程目標(biāo)達(dá)成情況評價機制。按照工程教育專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，課程是支持本科畢業(yè)要求達(dá)成和能力培養(yǎng)的基本教學(xué)單元。課程目標(biāo)的達(dá)成情況決定了相應(yīng)畢業(yè)要求的達(dá)成情況。教師制定（修訂）課程教學(xué)大綱，課程考核結(jié)束后，依據(jù)教學(xué)大綱和考核結(jié)果對課程目標(biāo)達(dá)成度進(jìn)行評價與分析。為了充分發(fā)揮虛擬仿真實驗教學(xué)在工程教育專業(yè)認(rèn)證背景下的優(yōu)勢，“高分子物理實驗”評價考核數(shù)據(jù)的收集來源于線上課程內(nèi)容。從課前、課中、課后全過程全方位地收集考核材料，形成評價的原始資料，然后依據(jù)數(shù)據(jù)內(nèi)容和評分標(biāo)準(zhǔn)給出全過程評價。考核材料包括預(yù)習(xí)方案、實驗操作、實驗報告、客觀題測試等。

三、“高分子物理實驗”虛擬仿真教學(xué)模式建設(shè)的亮點

1.具備一器多用的特點，全面收集高分子物理實驗素材，建立對應(yīng)的虛擬仿真實驗，使得“高分子物理實驗”課程設(shè)計更加豐富靈活;同時，全面培養(yǎng)了學(xué)生熟練使用現(xiàn)代工具的能力。

2.擺脫了對貴重儀器的過度依賴，降低了儀器設(shè)備的損耗率，保障實驗教學(xué)順利開展，解決了高校實驗室普遍存在的儀器設(shè)備不足、損壞率過高、設(shè)備老舊等問題。

3.虛擬仿真實驗教學(xué)通過形象化描述抽象內(nèi)容，學(xué)生可自主上機操作，提高學(xué)生參與度，提升教學(xué)的直觀性，提高學(xué)習(xí)效果，培養(yǎng)學(xué)生的自主創(chuàng)新能力。

4.虛擬仿真實驗教學(xué)依托虛擬現(xiàn)實、人機交互和網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)，使學(xué)生在高度仿真的虛擬環(huán)境中開展實驗，降低實驗教學(xué)中的危險程度，使學(xué)生參與實驗的同時保證其安全。

5.虛擬仿真實驗教學(xué)能促進(jìn)先進(jìn)的技術(shù)和內(nèi)容盡快投入實驗教學(xué)，提高教師的教學(xué)水平。

6.虛擬仿真實驗教學(xué)能追蹤預(yù)習(xí)過程，記錄學(xué)生的實驗過程，并實時記錄實驗數(shù)據(jù)，翔實完成實驗報告，記錄客觀題準(zhǔn)確率，完成課程目標(biāo)達(dá)成情況評價機制。

結(jié)語

本文采用虛擬仿真的實驗方案來解決“高分子物理實驗”教學(xué)過程中存在的突出問題，借助于多媒體、仿真和虛擬現(xiàn)實等技術(shù)，在線上對傳統(tǒng)“高分子物理實驗”各操作環(huán)節(jié)進(jìn)行模擬和仿真，并將工程教育專業(yè)認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)和要求融入仿真教學(xué)。該方案既解決了貴重儀器對實驗教學(xué)的束縛，又可以讓學(xué)生在這一虛擬環(huán)境中自行設(shè)計實驗方案、擬定實驗參數(shù)、操作儀器、模擬真實的實驗過程，深入理解高分子物理知識。同時便于任課教師跟蹤教學(xué)過程，掌握教學(xué)情況，順利地完成課程目標(biāo)達(dá)成情況的評價，并持續(xù)改進(jìn)。工程教育專業(yè)認(rèn)證背景下“高分子物理實驗”虛擬仿真教學(xué)模式建設(shè)是高分子學(xué)科實驗教學(xué)的改革和實踐，為大面積開展在線虛擬教學(xué)提供了一種可行方案，可廣泛應(yīng)用于專業(yè)教學(xué)和開放性教學(xué)。

參考文獻(xiàn)

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[6]殷俊，柳青.VR視頻廣告的特色傳播方式[J].新媒體傳播，2016（7）：58-60.

Construction Practice of Virtual Simulation Teaching Mode of “Polymer Physics Experiment”

LI Gui-fei

（School of Materials Science and Engineering， Shanghai University， Shanghai 200444， China）

Abstract： Polymer Physics Experiment is a required course for students majoring in polymer materials and engineering to comprehensively learn the characterization of polymer materials. However， there are many problems in the actual learning， such as over-reliance on precision instruments， limited course design and teaching interruption， which seriously affect the teaching quality of the course. At the same time， according to the standards of engineering education professional certification and the development of education and teaching reform， the teaching of Polymer Physics Experiment should keep pace with the times， especially during the epidemic period when “suspension of school” and “online teaching” promote the teaching reform of Polymer Physics Experiment. Through the construction of virtual simulation teaching mode of Polymer Physics Experiment， the main problems of practical operation teaching are solved， the new requirements of engineering education certification are integrated， and the integration of experimental teaching and information technology is promoted to adapt to the national conditions， education and teaching reform.

Key words： Polymer Physics Experiment; engineering education professional certification; virtual simulation experiment; reform of teaching mode

[基金項目] 2021年度教育部高等教育司第一批產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項目“高分子物理實驗虛擬仿真教學(xué)模式建設(shè)”（202101003022）

[作者簡介] 李貴飛（1986—），女，山東臨沂人，上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院實驗師，主要從事高分子材料性能與表征研究。