大學(xué)化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)
——以水性聚氨酯聚合及超臨界連續(xù)發(fā)泡虛擬仿真實(shí)驗(yàn)為例

滕鑫，唐頌超，楊曉玲，莊啟昕

華東理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，材料類國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，上海 200237

1 前言

1.1 研究背景

聚氨酯材料在當(dāng)下被廣泛應(yīng)用于家居、建筑、日用品、交通及家電等領(lǐng)域。其中水性聚氨酯更是由于其優(yōu)異的輕量化、更低的導(dǎo)熱系數(shù)、更高的強(qiáng)重比以及降噪緩震等特性，廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)。聚合及超臨界連續(xù)發(fā)泡更是材料學(xué)科中研究較深的經(jīng)典內(nèi)容，也是材料類專業(yè)本科生必須要掌握的專業(yè)基礎(chǔ)知識，相關(guān)研究對接國家新材料重大發(fā)展戰(zhàn)略需求。對于材料類專業(yè)本科生而言，水性聚氨酯聚合及超臨界連續(xù)發(fā)泡實(shí)驗(yàn)由于其本身高實(shí)踐性的特點(diǎn)，能夠加深學(xué)生對聚合物合成以及成型加工原理的了解認(rèn)識，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐操作與判斷聚氨酯配方合理性的創(chuàng)新能力。目前各大高校受限于各種特殊情況的發(fā)生，依托傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室實(shí)踐的教學(xué)方式已無法滿足師生的真實(shí)需求。同時(shí)，該實(shí)驗(yàn)所需條件嚴(yán)苛，聚合實(shí)驗(yàn)材料有毒性危險(xiǎn)，操作不當(dāng)容易造成傷亡事故。且實(shí)驗(yàn)溶劑不易回收、實(shí)驗(yàn)成本高。此外，水性聚氨酯的制備過程時(shí)間跨度長，尤其在后期的成型發(fā)泡過程中，各組分微小的變化都會(huì)得到不同狀態(tài)的產(chǎn)品，需要的時(shí)間、藥品的量非常龐大，實(shí)驗(yàn)門檻較高。因此，如何將人工智能、互聯(lián)網(wǎng)、虛擬仿真等技術(shù)運(yùn)用于此課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，滿足線上教學(xué)的需求，同時(shí)突破現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)條件限制，高效安全地開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)，切實(shí)提升學(xué)生實(shí)踐水平，是當(dāng)前高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)普遍面臨的挑戰(zhàn)。

1.2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)通過對實(shí)驗(yàn)設(shè)備及材料進(jìn)行模擬仿真，學(xué)生在電腦端或移動(dòng)端通過互聯(lián)網(wǎng)登錄系統(tǒng)，在高度逼真的環(huán)境下對各種虛擬儀器、虛擬元器件進(jìn)行人機(jī)交互操作[1]。同時(shí)，系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)資料的提供、實(shí)驗(yàn)考核的實(shí)現(xiàn)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告的提交、實(shí)驗(yàn)結(jié)果的批改和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)、答疑與交流等管理功能。與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方式相比，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程更加靈活，設(shè)備配置大多僅在電腦端或移動(dòng)數(shù)據(jù)端即可實(shí)現(xiàn)，旨在能夠讓學(xué)生在安全的環(huán)境下更加具有自主性地進(jìn)行課外拓展試驗(yàn)[2]，對采用線上授課方式的學(xué)生具有很大優(yōu)勢，并且更加能夠幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)能力的自我提升[3]。因此，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)通過為學(xué)生提供沉浸式較強(qiáng)的虛擬環(huán)境，依托人機(jī)交互技術(shù)提升學(xué)生的積極性和創(chuàng)造性，為解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)存在的弊端、完善實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系、專業(yè)教學(xué)改革提供了新方法、新思路。目前國內(nèi)許多高校都建立了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，例如北京大學(xué)依據(jù)光學(xué)位置追蹤系統(tǒng)構(gòu)建的沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)展示交互實(shí)驗(yàn)室、清華大學(xué)材料快速成型技術(shù)方面的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室、北京化工大學(xué)化工安全與裝備虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心等，都已實(shí)現(xiàn)了虛實(shí)結(jié)合，切實(shí)提高實(shí)踐教學(xué)效果的目的。

2 水性聚氨酯聚合及超臨界連續(xù)發(fā)泡虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)構(gòu)建

2.1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)目的

為突破水性聚氨酯制備過程實(shí)驗(yàn)條件嚴(yán)苛、時(shí)間跨度長、場地面積要求大、部分高?；瘜W(xué)品操作不當(dāng)易造成傷亡事故等實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)的瓶頸，推動(dòng)教育信息化改革，華東理工大學(xué)材料類國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心實(shí)驗(yàn)教學(xué)團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一套具有自主知識產(chǎn)權(quán)的適合本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)《水性聚氨酯聚合及超臨界連續(xù)發(fā)泡虛擬仿真實(shí)驗(yàn)》(軟著登字第5972290)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的構(gòu)建，一方面應(yīng)用新型信息技術(shù)安全有效地開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)，另一方面也是材料學(xué)院實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革和發(fā)展的一次探索。本仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目運(yùn)用其他高分子材料對水性聚氨酯進(jìn)行改性提高綜合性能。利用現(xiàn)有的丙烯酸樹脂、環(huán)氧樹脂、有機(jī)硅等材料對其改性的研究，可以短時(shí)間讓本專業(yè)學(xué)生對如何提升聚氨酯這類產(chǎn)品的力學(xué)性能有初步的理解[4]。將最新科研成果融入教學(xué)，拓展學(xué)生視野，深化實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，極大地提高了學(xué)生對材料學(xué)科的興趣。該平臺(tái)可有效節(jié)約教學(xué)成本，提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率，改善實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，提高其綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

本仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的目的主要包括以下方面：通過實(shí)驗(yàn)使學(xué)生了解聚氨酯的制備步驟以及實(shí)驗(yàn)操作步驟；嘗試各種配方設(shè)計(jì)，擺脫實(shí)際實(shí)驗(yàn)條件限制，加深理解各組分的作用；為學(xué)有余力的學(xué)生提供反復(fù)操作、提升的平臺(tái)，深刻理解聚氨酯泡沫的制備原理及各原料配方對泡沫性能的影響；了解水性聚氨酯成膜原理及實(shí)驗(yàn)過程中脫膜的操作；了解聚氨酯發(fā)泡工程化過程，了解不同配方的發(fā)泡過程在模具內(nèi)部的變化；結(jié)合思想政治教育目標(biāo)，激發(fā)學(xué)習(xí)研究興趣、擴(kuò)展視野、培養(yǎng)創(chuàng)新精神，彰顯勤奮求實(shí)、教書育人意義；為社會(huì)相關(guān)材料類企業(yè)人員免費(fèi)提供專業(yè)化的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對接好學(xué)校與企業(yè)之間的人才通道。

2.2 仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境搭建

在本項(xiàng)目中，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行以教學(xué)管理平臺(tái)為支撐，通過構(gòu)建教學(xué)管理平臺(tái)并將其數(shù)據(jù)接口與仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行對接，使得用戶得以通過如電腦、手機(jī)等終端來對項(xiàng)目進(jìn)行查閱與操作[5]。同時(shí)，教學(xué)管理平臺(tái)設(shè)置了較為人性化的智能操作引導(dǎo)，以及在用戶進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)過后自動(dòng)評估分析與檢測的自動(dòng)批改模塊，旨在能夠讓用戶在任何時(shí)間進(jìn)行自主的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，提升本項(xiàng)目的開放式服務(wù)體驗(yàn)。為保障平臺(tái)能夠擁有較為優(yōu)秀的交互性與拓展性，本項(xiàng)目教學(xué)管理平臺(tái)的構(gòu)建共分為五層，分別是數(shù)據(jù)層、支撐層、服務(wù)層、仿真層以及應(yīng)用層[6]。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

2.3 仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容

本實(shí)驗(yàn)分為制備無水丙酮、制備聚氨酯、聚氨酯乳化、聚氨酯成膜、聚氨酯發(fā)泡五個(gè)模塊進(jìn)行。在構(gòu)建虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容過程中采用了Unity3D、3D Studio Max、Visual Studio等相關(guān)工具及軟件進(jìn)行開發(fā)，以達(dá)到在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)過程中模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)原理的效果，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目架構(gòu)如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目架構(gòu)

實(shí)驗(yàn)的核心要素包括五個(gè)部分，第一部分是了解水性聚氨酯制備原理，以及對于其制備方法的選擇[7]。第二部分是熟練操作該程序并用于實(shí)際配方設(shè)計(jì)。第三部分是深刻理解聚氨酯泡沫的制備原理，并掌握各制備材料對聚氨酯泡沫性能的影響[8]。第四部分為了解水性聚氨酯成膜原理及各參數(shù)對成膜過程的影響。成膜原理可分為三個(gè)階段，第一階段聚合物乳液水分蒸發(fā)，同時(shí)乳液粒子緊密堆積，使得乳液粒子的空隙被填充；第二階段經(jīng)過水分蒸發(fā)導(dǎo)致聚合物乳液粒子保護(hù)層逐漸被破壞，并導(dǎo)致粒子變形，同時(shí)粒子間界面消失；第三階段乳液粒子中聚合物靠近同時(shí)鏈端相互擴(kuò)散，線團(tuán)結(jié)構(gòu)得以融合并產(chǎn)生連續(xù)的聚合物涂層[9]。第五部分為了解聚氨酯產(chǎn)品發(fā)泡生產(chǎn)的工程化過程。

2.4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)過程

在仿真平臺(tái)上，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)一共設(shè)置了4個(gè)系統(tǒng)，包括：視頻預(yù)習(xí)演示、學(xué)習(xí)、習(xí)題考核和實(shí)驗(yàn)報(bào)告。其中視頻預(yù)習(xí)系統(tǒng)類似于實(shí)驗(yàn)教材，有實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、原理、操作步驟、注意事項(xiàng)等。首先讓學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)全過程的教學(xué)錄像來對實(shí)驗(yàn)步驟有初步的了解與認(rèn)知；其后通過仿真平臺(tái)的學(xué)習(xí)系統(tǒng)，在例如文字指引、語音指引等智能化引導(dǎo)的幫助下，對學(xué)生的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)操作進(jìn)行引導(dǎo)；習(xí)題考核系統(tǒng)為無任何提示地進(jìn)行主觀題目解答[10]，答題結(jié)束后系統(tǒng)根據(jù)答題關(guān)鍵字對照預(yù)設(shè)答案自動(dòng)給出分?jǐn)?shù)；最后通過報(bào)告系統(tǒng)來將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的過程、目的、結(jié)果以及對結(jié)果數(shù)據(jù)的分析與評估進(jìn)行歸納整理最終出具實(shí)驗(yàn)報(bào)告以供教師進(jìn)行評閱[11]。實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)過程如圖3、4所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)過程

圖4 實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)過程演示

3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)考核及實(shí)施成效

3.1 教學(xué)考核標(biāo)準(zhǔn)

本仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中課程考核遵循工程教育認(rèn)證的基本要求，主要面向高分子材料與工程、材料科學(xué)與工程等專業(yè)本科三年級學(xué)生，兼顧應(yīng)用化學(xué)專業(yè)學(xué)生和其他從事化工材料生產(chǎn)的社會(huì)學(xué)習(xí)者，前修課程為有機(jī)化學(xué)、高分子化學(xué)、高分子化學(xué)實(shí)驗(yàn)[12,13]。課程考核特點(diǎn)是過程評價(jià)與結(jié)果評價(jià)并重，既能反映學(xué)生的知識掌握情況，也關(guān)注學(xué)生的科學(xué)探究能力與價(jià)值觀等素質(zhì)[14]。對于學(xué)生的學(xué)習(xí)成果，分別以預(yù)計(jì)階段、操作階段、實(shí)驗(yàn)的結(jié)果、最終出具的實(shí)踐報(bào)告這四個(gè)維度進(jìn)行綜合評價(jià)[15]。具體實(shí)驗(yàn)課程評價(jià)體系、考核要求、評分細(xì)則和比例見圖5、6。

圖5 實(shí)驗(yàn)課程評價(jià)體系

3.2 教學(xué)實(shí)施成效

本仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目于2021年10月在國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程共享平臺(tái)(https://www.ilab-x.com/)正式上線，基于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行的學(xué)習(xí)需要4學(xué)時(shí)，第1學(xué)時(shí)學(xué)習(xí)水性聚氨酯乳液的制備過程，第2學(xué)時(shí)學(xué)習(xí)水性聚氨酯乳化過程，第3學(xué)時(shí)學(xué)習(xí)水性聚氨酯成膜的過程，第4學(xué)時(shí)學(xué)習(xí)聚氨酯泡沫塑料發(fā)泡過程，掌握聚氨酯系列實(shí)驗(yàn)。在整個(gè)過程中，學(xué)生在操作提示下進(jìn)行操作。實(shí)驗(yàn)過程中如果遇到困難無法進(jìn)行下去，可以點(diǎn)擊提示按鈕，由系統(tǒng)進(jìn)行點(diǎn)亮處理并引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行正確的操作步驟。學(xué)生必須正確完成前一步操作，才能進(jìn)行后一步驟的實(shí)驗(yàn)操作。值得一提的是，實(shí)驗(yàn)分為相對獨(dú)立的五個(gè)模塊，學(xué)生可以單獨(dú)進(jìn)行各個(gè)模塊實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，學(xué)生需要完成系統(tǒng)給出的五道主觀題目，結(jié)合自己的實(shí)驗(yàn)過程及配方，提交答案，同時(shí)提交一份實(shí)驗(yàn)報(bào)告。截至2023年1月，實(shí)驗(yàn)瀏覽量已達(dá)1.4萬余人次，共有5405名學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；平均實(shí)驗(yàn)用時(shí)24 min，學(xué)生中實(shí)驗(yàn)成績達(dá)到60分以上的有5513人，占總?cè)藬?shù)比98.3%。成績達(dá)到85分以上的有2907人，占總?cè)藬?shù)比53.8%。

在完成實(shí)驗(yàn)的學(xué)生中，經(jīng)過描述性統(tǒng)計(jì)，其中成績最低者為64分，成績最高者為95分，中位數(shù)79分，具體分析結(jié)果如表1所示。

表1 描述性統(tǒng)計(jì)指標(biāo)

本次成績統(tǒng)計(jì)僅以學(xué)生最后一次實(shí)驗(yàn)成績作為納入標(biāo)準(zhǔn)，其中不少同學(xué)首次實(shí)驗(yàn)成績均不理想，但經(jīng)過多次學(xué)習(xí)并通過虛擬仿真平臺(tái)實(shí)踐后，最后成功達(dá)到優(yōu)秀。如圖7所示，學(xué)生通過反復(fù)實(shí)踐的結(jié)果充分證實(shí)了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)對于學(xué)生解決高分子材料領(lǐng)域問題能力提升有幫助作用。

圖7 學(xué)生多次實(shí)踐記錄

4 結(jié)語

以現(xiàn)有傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程作為基礎(chǔ)，構(gòu)建虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程并運(yùn)用其他高分子材料對水性聚氨酯進(jìn)行改性提高綜合性能?？梢詫⒎爆嵉膶郯滨ゲ牧细男苑矫娴闹R，融入到虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)當(dāng)中，讓學(xué)生可以在較短時(shí)間內(nèi)通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)來增強(qiáng)對相關(guān)知識的理解。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括制備無水丙酮、制備聚氨酯、聚氨酯乳化、聚氨酯成膜、聚氨酯發(fā)泡，主要面向高分子材料與工程、材料科學(xué)與工程等專業(yè)本科三年級學(xué)生，兼顧應(yīng)用化學(xué)專業(yè)學(xué)生和其他從事化工材料生產(chǎn)的社會(huì)學(xué)習(xí)者。根據(jù)實(shí)際使用效果，反映出虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以幫助本專業(yè)的學(xué)生解決專業(yè)領(lǐng)域的實(shí)際問題，特別是對聚氨酯材料性能改性方面的能力提升有著很強(qiáng)的輔助作用，通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)幫助學(xué)生拓展視野，通過反復(fù)的設(shè)計(jì)配方來深化實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，學(xué)生學(xué)習(xí)的效率及興趣得到了顯著提高。同時(shí)可以有效突破高?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)過程中的種種弊端，滿足線上教學(xué)要求，更好地達(dá)到實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。