全氟濾芯微孔膜虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用*

王 偉，付爭(zhēng)兵，朱 磊，肖祖峰，顏永斌，李 偉

(湖北工程學(xué)院，湖北 孝感 432000)

隨著現(xiàn)代材料技術(shù)的發(fā)展與新工科建設(shè)的完善，本科培養(yǎng)的現(xiàn)代材料行業(yè)的人才必須從實(shí)用型逐步向綜合性、創(chuàng)新型和多樣化方向轉(zhuǎn)變。實(shí)踐實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高分子材料專業(yè)本科教學(xué)的重要組成部分，是連通本學(xué)科的基礎(chǔ)知識(shí)與工業(yè)工廠實(shí)際應(yīng)用的重要渠道和橋梁，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際操作能力、工程意識(shí)和工程技術(shù)創(chuàng)新精神有及其重要的作用[1-3]。然而高分子材料專業(yè)涵蓋的知識(shí)面寬，知識(shí)跨度大、交叉性強(qiáng)，在實(shí)踐教學(xué)過程中面臨著一些工程類專業(yè)的共性問題，急需優(yōu)化實(shí)驗(yàn)課程來保障人才培養(yǎng)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)[4-6]。高分子材料加工與成型課程作為我院高分子材料工程專業(yè)學(xué)生的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，課程承前啟后，對(duì)實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)和畢業(yè)設(shè)計(jì)至關(guān)重要[7-8]。學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中存在對(duì)理論、大型測(cè)試儀器結(jié)構(gòu)、原理不熟悉，對(duì)材料微觀結(jié)構(gòu)缺乏感性認(rèn)識(shí)，同時(shí)由于常規(guī)設(shè)備占地大、大型測(cè)試儀器相對(duì)價(jià)格昂貴，儀器的臺(tái)套數(shù)嚴(yán)重不足，絕大多數(shù)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課上得不到親自操作儀器設(shè)備的機(jī)會(huì)，所以學(xué)生在學(xué)習(xí)專業(yè)知識(shí)時(shí)普遍會(huì)產(chǎn)生畏難情緒，嚴(yán)重的制約了學(xué)生動(dòng)手能力和獨(dú)立分析思考的能力的提高，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果較差。

2018年頒布的《教育信息化2.0行動(dòng)計(jì)劃》中要求：“加強(qiáng)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)環(huán)境建設(shè)，服務(wù)信息化教學(xué)需要；以國(guó)家精品在線開放課程、示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目等建設(shè)為載體，加強(qiáng)大容量智能教學(xué)資源建設(shè)”[9]。 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)結(jié)合傳統(tǒng)教學(xué)已成為高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的趨勢(shì)。近年來，湖北工程學(xué)院積極開展虛擬仿真平臺(tái)的建設(shè)和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的開發(fā)。在高分子材料加工與成型等實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入全氟濾芯微孔膜虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，有利于通過仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中的共性及個(gè)性問題的方法。

1 全氟濾芯微孔膜虛擬仿真實(shí)驗(yàn)概況

自2015年獲批湖北省材料化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心以來，湖北工程學(xué)院化材學(xué)院不斷加強(qiáng)虛仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的開發(fā)，2019年12月全氟濾芯微孔膜虛擬仿真實(shí)驗(yàn)正式上線(http：//hbeu.dlvrtec. com)，并作為高分子化學(xué)、高分子材料加工與成型和材料測(cè)試分析方法的備選實(shí)驗(yàn)。2020年疫情期間，該實(shí)驗(yàn)作為見習(xí)實(shí)驗(yàn)在大三年級(jí)進(jìn)行教學(xué)，取得了良好的教學(xué)效果。

該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)采取browser/server結(jié)構(gòu)，分布性較強(qiáng)，可擴(kuò)展，是一個(gè)高交互性、高仿真性、師生可全程參與的軟件。同時(shí)配套了相關(guān)的理論教學(xué)資料，供學(xué)生課外學(xué)習(xí)，協(xié)助學(xué)生對(duì)相關(guān)理論知識(shí)的理解。該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)以真實(shí)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為支撐，實(shí)驗(yàn)仿真的范圍包括膜材料的制備、膜材料性能檢測(cè)和乙腈純度的鑒定等環(huán)節(jié)(圖1)。第一部分聚四氟乙烯的制備(視頻學(xué)習(xí))；第二部分是聚四氟乙烯膜的制備及成型工藝條件的選擇：第三部分是聚四氟乙烯濾膜的表面結(jié)構(gòu)的表征；第四部分是過濾裝置的裝配及乙腈的提純；第五部分是使用質(zhì)譜儀檢測(cè)乙腈的純度。

圖1 全氟濾芯微孔膜虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K的組成Fig.1 The composition of the virtual simulation experiment module of the microporous membrane of the perfluorinated filter element

2 在教學(xué)重難點(diǎn)講解方面的應(yīng)用

在高分子化學(xué)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中學(xué)生已做過“苯乙烯懸浮聚合”和“甲基丙烯酸甲酯的乳液聚合”兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，所以全氟濾芯微孔膜虛擬實(shí)驗(yàn)中并未涉及聚四氟乙烯制備的仿真操作，僅以教學(xué)視頻讓學(xué)生回顧相關(guān)知識(shí)。進(jìn)行儀器仿真操作時(shí)，學(xué)生可以先看演示視頻，然后根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)提示的操作流程和步驟進(jìn)行練習(xí)。通過這種生動(dòng)直觀、互動(dòng)性強(qiáng)的虛擬教學(xué)，能有效縮減課堂教學(xué)時(shí)間，節(jié)約教學(xué)資源。

2.1 聚四氟乙烯膜的虛擬設(shè)計(jì)

聚四氟乙烯微孔膜的制備工藝選擇的是戈?duì)柗╗10]。虛擬實(shí)驗(yàn)制備工藝設(shè)計(jì)為混合工藝，預(yù)壓工藝，壓延工藝，脫脂工藝，拉伸工藝和熱定型工藝[11]。混合工藝：在低于20 ℃環(huán)境中，將已經(jīng)稱重的的樹脂倒入燒杯中，然后加入助擠劑混合均勻。預(yù)成型工藝：將混合液加入到擠壓機(jī)中預(yù)壓成為條狀，以增大樹脂顆粒間的粘合力。壓延工藝：將擠出的棒狀型材在雙輥壓延機(jī)中壓延，條狀聚四氟乙烯被延壓成片狀(如圖2所示)。脫脂工藝：將薄膜在高溫?zé)Y(jié)爐中進(jìn)行干燥，用以除去助擠劑。拉伸工藝：在高低溫拉伸機(jī)中，將膜拉伸成型。熱定型工藝：對(duì)膜進(jìn)行熱處理，使膜結(jié)晶定型。和傳統(tǒng)教學(xué)相同，課前學(xué)生先結(jié)合實(shí)驗(yàn)教材與實(shí)驗(yàn)資料庫中相關(guān)資料進(jìn)行預(yù)習(xí)，上課時(shí)教師再結(jié)合膜材料制備的各個(gè)知識(shí)點(diǎn)詳細(xì)講解原理、操作步驟和相關(guān)參數(shù)設(shè)定的意義。學(xué)生結(jié)合演示視頻進(jìn)行仿真操作，熟悉膜制備的常規(guī)方法、設(shè)備用途與特性，并及時(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行分析、消化，加深對(duì)工藝設(shè)計(jì)的認(rèn)識(shí)和理論知識(shí)的理解。

圖2 聚四氟乙烯延壓工藝模擬圖Fig.2 PTFE rolling process simulation diagram

2.2 聚四氟乙烯膜表征的虛擬設(shè)計(jì)

膜材料的表面形貌通過掃描電鏡獲得，膜材料的比表面積、孔容和孔徑等數(shù)據(jù)通過孔隙度分析儀得到[12]。本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)儀器以日本株式會(huì)社掃描電鏡(型號(hào)：JSM6010)和美國(guó)康塔儀器公司全自動(dòng)比表面積與孔隙度分析儀(Quadrasorb-SI)為設(shè)計(jì)模型。針對(duì)掃描電鏡、BET孔隙表面儀的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作原理較為復(fù)雜的特點(diǎn)，我們制作了相關(guān)儀器的三維構(gòu)造圖和工作原理的視頻供學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)較為客觀的模擬了樣品前處理、軟件參數(shù)設(shè)置和儀器操作。以全自動(dòng)比表面積與孔隙度分析儀(圖3)為例，仿真操作包括分析天平的使用、膜樣品的準(zhǔn)備與裝樣、樣品預(yù)處理、樣品管的安裝、氣瓶的操作、儀器的開機(jī)、操作軟件相關(guān)參數(shù)的設(shè)定和測(cè)試條件的選擇、數(shù)據(jù)保存、換樣和關(guān)機(jī)等操作。學(xué)生熟練操作后，學(xué)生可自行完成參數(shù)的設(shè)置、樣品選擇和數(shù)據(jù)的保存、分析等。通過仿真操作可以克服學(xué)生的畏難情緒，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，讓學(xué)生切身感受到儀器操作的新奇感。

圖3 Quadrasorb-SI全自動(dòng)比表面積與孔隙度分析儀Fig.3 Simulation diagram of Quadrasorb-SI automatic specific surface area and porosity analyzer

2.3 乙腈的無塵室過濾工藝與超純乙醇的表征

工業(yè)乙腈的純化方法有很多，結(jié)合湖北弗頓科技有限公司的生產(chǎn)工藝，我們采用是“氧化-精餾-過濾”法[12]。前面“氧化-精餾”工藝要求學(xué)生通過國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目共享服務(wù)平臺(tái)-ilab實(shí)驗(yàn)空間，選擇兩個(gè)虛擬項(xiàng)目進(jìn)行學(xué)習(xí)：氯化氫催化氧化及反應(yīng)動(dòng)力學(xué)(中南大學(xué))和精餾綜合拓展3D虛擬仿真實(shí)驗(yàn)(天津大學(xué))。虛擬實(shí)驗(yàn)只選取了最后的過濾工藝：通過PFTE膜進(jìn)行過濾除去微量的顆粒物。該項(xiàng)目仿真內(nèi)容包括聚四氟乙烯濾膜的高溫高壓除菌、過濾膜安裝，乙腈過濾，收集及乙腈純度的表征，乙腈的過濾模擬如圖4所示。

圖4 乙醇的過濾模擬圖Fig.4 Simulation diagram of ethanol filtration

LC-MS質(zhì)譜檢測(cè)法是一種判斷溶劑是否為高純?cè)噭┑臋z測(cè)方法。仿真實(shí)驗(yàn)是以過濾后的乙腈用LC-MS質(zhì)譜儀進(jìn)行檢測(cè)分析。LC-MS質(zhì)譜儀仿真實(shí)驗(yàn)與前面的掃描電鏡類似，先觀察儀器的三維構(gòu)造圖和工作原理，然后根據(jù)實(shí)驗(yàn)教師的輔導(dǎo)和系統(tǒng)內(nèi)提示，進(jìn)行仿真操作練習(xí)，最后根據(jù)系統(tǒng)提供的質(zhì)譜圖分析乙腈的純度。

3 與學(xué)生實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)、學(xué)生技能大賽和金課建設(shè)相融合

3.1 與相關(guān)課程理論課教學(xué)融合

高分子材料加工與成型課程的理論教學(xué)一般是圍繞“高分子材料——加工工藝——產(chǎn)品性能”這條主線進(jìn)行[10]。利用虛擬仿真模擬材料的制備工藝，學(xué)生通過一步一步的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的仿真操作和演示，逐漸理解混合、預(yù)壓、擠出等加工方法的不同而對(duì)產(chǎn)品的性能產(chǎn)生不同的影響，不同成型設(shè)備也會(huì)影響材料的混合程度、結(jié)晶度和流變性能，通過這種類似身臨其境的感性認(rèn)識(shí)，梳理好“材料——加工工藝——產(chǎn)品性能”三者之間的邏輯關(guān)系。通過這種直觀方式進(jìn)行教學(xué)，延伸了課堂的內(nèi)容，同時(shí)也增加了理論教學(xué)的說服力，使學(xué)生較為牢固的掌握知識(shí)。利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)真實(shí)模擬檢測(cè)儀器，使學(xué)生對(duì)儀器的認(rèn)識(shí)不止停留在書本的介紹描述上，能讓學(xué)生對(duì)測(cè)試儀器的組成、基本原理等有更直觀、更深入的理解。結(jié)合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行教學(xué)，教師可以使理論教學(xué)更多放在其它知識(shí)點(diǎn)的講解上。通過本課程深化材料——加工工藝——性能三者的邏輯關(guān)系，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和邏輯思辨能力。從工程倫理、社會(huì)責(zé)任角度探討現(xiàn)實(shí)中的一些熱點(diǎn)問題的根本原因，勉勵(lì)學(xué)生樹立良好的職業(yè)素養(yǎng)[13]。

3.2 與相關(guān)課程實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)融合

常規(guī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)一般是學(xué)生先按實(shí)驗(yàn)書進(jìn)行預(yù)習(xí)，老師講解，老師按照實(shí)驗(yàn)步驟——已經(jīng)設(shè)定好的原料配比、溫度、設(shè)備的其他參數(shù)演示實(shí)驗(yàn)。學(xué)生全程觀看，參與度低。這種狀況下學(xué)生對(duì)于實(shí)驗(yàn)的操作規(guī)范、實(shí)驗(yàn)中相關(guān)參數(shù)的設(shè)定等問題都來不及進(jìn)行消化，導(dǎo)致教學(xué)效果差。虛仿綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)苡行лo助實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)，突破儀器臺(tái)套數(shù)、學(xué)習(xí)時(shí)間的限制。學(xué)生除了能反復(fù)練習(xí)操作，還可以嘗試修改實(shí)驗(yàn)預(yù)設(shè)的參數(shù)，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬分析。教師可根據(jù)實(shí)驗(yàn)的后臺(tái)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，針對(duì)學(xué)生的薄弱點(diǎn)重點(diǎn)講解輔導(dǎo)，做到有的放矢。通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)也有利于分層教學(xué)。對(duì)部分實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Σ睢⒒蛘邔?duì)知識(shí)理解不深的學(xué)生，督促他們利用課外時(shí)間進(jìn)行虛仿實(shí)驗(yàn)操作練習(xí)，鼓勵(lì)他們遇到問題與教師進(jìn)行溝通、探討，提高他們學(xué)習(xí)的興趣；對(duì)于學(xué)有余力的同學(xué)，借助ilabx一實(shí)驗(yàn)空間中的虛擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行練習(xí)，拓寬自身的知識(shí)面。

3.3 與企業(yè)的實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)、企業(yè)員工培養(yǎng)相融合

實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)是我院高年級(jí)學(xué)生的必修課，是工科技能型人才培養(yǎng)的一種途徑。由于實(shí)習(xí)時(shí)間較短(一般為3～5個(gè)星期)，很多學(xué)生實(shí)習(xí)完后仍然對(duì)實(shí)習(xí)單位的生產(chǎn)過程中涉及的操作流程和質(zhì)量控制等不了解，學(xué)生的實(shí)習(xí)效果不佳。從2020年起，我院要求去湖北弗頓科技有限公司實(shí)習(xí)的學(xué)生，實(shí)習(xí)前必須完成全氟濾芯微孔膜虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，同時(shí)鼓勵(lì)學(xué)生在實(shí)習(xí)期間積極參與企業(yè)的生產(chǎn)實(shí)踐、與企業(yè)生產(chǎn)技術(shù)人員共同探討實(shí)際生產(chǎn)中的技術(shù)問題，使學(xué)生對(duì)材料的成型、工藝控制及質(zhì)量管理有更加深入的體會(huì)。湖北弗頓科技有限公司的員工也能將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)當(dāng)做操作培訓(xùn)項(xiàng)目。公司員工通過我院的儀器操作考核后，就能獨(dú)立操作如LC-MS質(zhì)譜儀等測(cè)量?jī)x器。

3.4 與化工設(shè)計(jì)大賽等競(jìng)賽相融合

借助ilabx一實(shí)驗(yàn)空間與我院的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，引導(dǎo)學(xué)生在課外開展生產(chǎn)工程工藝設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提高他們的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力，協(xié)助他們?cè)谌珖?guó)化工設(shè)計(jì)大賽、全國(guó)金相大賽等實(shí)驗(yàn)操作技能大賽中取得好成績(jī)。

3.5 與金課建設(shè)及教學(xué)改革相融合

隨著新工科建設(shè)和卓越計(jì)劃的推進(jìn)，高校教學(xué)改革逐步深入，優(yōu)化高分子材料學(xué)科建設(shè)迫在眉睫。引入全氟濾芯微孔膜虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，一方面可以推動(dòng)師生對(duì)現(xiàn)代教育技術(shù)媒體的使用，另一方面也可以提升教師生對(duì)化學(xué)儀器的操作水平，同時(shí)還能夠作為優(yōu)質(zhì)線上資源輔助其它課程的課程建設(shè)，是深化教學(xué)信息化改革的重要表現(xiàn)。

4 結(jié) 語

在高分子化學(xué)、高分子材料加工與成型、材料測(cè)試與分析等課程中，引入聚全氟濾芯微孔膜仿真實(shí)驗(yàn)，能夠?qū)崿F(xiàn)跨地區(qū)、跨時(shí)間的教與學(xué)，增強(qiáng)教師與學(xué)生的有效交流，提升學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)造潛能，切實(shí)了提高教學(xué)質(zhì)量，有效地推動(dòng)了我院的高分子材料專業(yè)的課程建設(shè)和工程認(rèn)證工作。后期，我們會(huì)進(jìn)一步完善該仿真實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步強(qiáng)化理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)操作、生產(chǎn)實(shí)訓(xùn)的融匯融合，真正實(shí)現(xiàn)產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合。