宮貴貞　董黎明

摘? ?要：虛擬實(shí)驗(yàn)克服了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的時(shí)空限制、設(shè)備短缺、安全環(huán)保等不足，大大提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。本實(shí)驗(yàn)探討了高分子材料與工程專(zhuān)業(yè)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)建情況以及需要改進(jìn)的問(wèn)題。徐州工程學(xué)院高分子材料與工程專(zhuān)業(yè)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要基于虛擬展廳、仿真實(shí)驗(yàn)及網(wǎng)絡(luò)課程等方面展開(kāi)建設(shè)，各有所側(cè)重并相互融合、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)以滿(mǎn)足不同方面的需要。本文就目前虛擬實(shí)驗(yàn)存在的局限性，對(duì)如何進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：高分子材料與工程;虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái);構(gòu)建;改進(jìn)

近年來(lái)，隨著高分子材料的迅猛發(fā)展，很多高校開(kāi)設(shè)了高分子材料專(zhuān)業(yè)，徐州工程學(xué)院為滿(mǎn)足社會(huì)的需要，也于2010年申請(qǐng)了高分子材料與工程專(zhuān)業(yè)，2011年開(kāi)始招生。該專(zhuān)業(yè)屬于工科，是應(yīng)用性和實(shí)踐性很強(qiáng)的專(zhuān)業(yè)，要求學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際，在實(shí)驗(yàn)中培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力、分析能力和動(dòng)手操作能力。實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為理論教學(xué)的一個(gè)補(bǔ)充，對(duì)提升教學(xué)質(zhì)量有著非常重要的影響，故在整個(gè)教育體系中占有越來(lái)越重要的位置。高分子材料與工程專(zhuān)業(yè)包括很多實(shí)驗(yàn)類(lèi)課程，如“無(wú)機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)”、“有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)”、“物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)”、“高分子化學(xué)實(shí)驗(yàn)”、“高分子物理實(shí)驗(yàn)”、“分析與測(cè)試”等。傳統(tǒng)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)要用到很多化學(xué)試劑、儀器設(shè)備，同時(shí)也要考慮教學(xué)課時(shí)、安全、環(huán)保方面的因素。故傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)常受到實(shí)驗(yàn)設(shè)備短缺，教學(xué)儀器不足，實(shí)驗(yàn)課時(shí)少，實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所相對(duì)較小，實(shí)驗(yàn)層次偏低，操作安全性不強(qiáng)和污染隱患等問(wèn)題，導(dǎo)致學(xué)生在實(shí)踐環(huán)節(jié)中主體定位出現(xiàn)偏差，學(xué)習(xí)興趣不高，學(xué)生缺乏實(shí)際操作能力，實(shí)踐技能零碎，導(dǎo)致缺乏創(chuàng)新思維，無(wú)法實(shí)現(xiàn)綜合素質(zhì)的培養(yǎng)[1-2]。在此情況下，虛擬實(shí)驗(yàn)應(yīng)運(yùn)而生。虛擬實(shí)驗(yàn)是指借助多媒體、仿真和虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)，在計(jì)算機(jī)上營(yíng)造虛擬的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)的操作過(guò)程和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)者可以像在真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境中一樣完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目[3]。本項(xiàng)目就徐州工程學(xué)院高分子材料與工程專(zhuān)業(yè)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建立與完善情況進(jìn)行探討。

1? ? 虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建框架

虛擬實(shí)驗(yàn)是相對(duì)于真實(shí)實(shí)驗(yàn)而言的，一般認(rèn)為通過(guò)通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及傳感技術(shù)等能提供等同于真實(shí)實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境和系統(tǒng)，均可稱(chēng)之為虛擬實(shí)驗(yàn)[3]。故徐州工程學(xué)院從多個(gè)方面著手建立高分子材料與工程虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，建設(shè)框架，如圖1所示。

在實(shí)驗(yàn)大樓、仿真實(shí)驗(yàn)室等展廳屏幕采用滾動(dòng)字幕的形式播放與實(shí)驗(yàn)相關(guān)的一些常識(shí)，如實(shí)驗(yàn)室安全常識(shí)，常用儀器的使用、維護(hù)、清洗等事項(xiàng)，學(xué)科前沿知識(shí)等，以增加學(xué)生的專(zhuān)業(yè)文化素養(yǎng)。仿真實(shí)驗(yàn)側(cè)重基礎(chǔ)單元操作，具體產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝流程及實(shí)驗(yàn)室、工廠安全與環(huán)保等仿真模擬，而網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)則側(cè)重不同實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容進(jìn)行相應(yīng)建設(shè)。3種虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)相互融合、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，從而大大提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果。

2? ? 網(wǎng)絡(luò)課程平臺(tái)的建立

網(wǎng)絡(luò)課程以超星網(wǎng)絡(luò)課程平臺(tái)為基礎(chǔ)進(jìn)行建設(shè)，結(jié)構(gòu)如圖2所示。整個(gè)平臺(tái)包括課程門(mén)戶(hù)、資源、通知、作業(yè)、活動(dòng)等10個(gè)模塊，在所有模塊中，教師是建設(shè)、維護(hù)者，學(xué)生是使用者及一些模塊任務(wù)的執(zhí)行者。

錄制的視頻包括實(shí)驗(yàn)操作視頻、理論微課視頻等。視頻上傳后可設(shè)置防拖拽、防窗口切換等功能，以防止學(xué)生作弊，更好地了解學(xué)生視頻的學(xué)習(xí)情況。視頻任務(wù)點(diǎn)設(shè)置成功后，前面有橙色的標(biāo)記。視頻觀看不受時(shí)間和空間的限制，學(xué)生可反復(fù)觀摩，在提前預(yù)習(xí)和課后復(fù)習(xí)環(huán)節(jié)中起到重要作用。

管理模塊可以進(jìn)行多方面管理，如成績(jī)管理、學(xué)生增刪管理、督學(xué)管理等。學(xué)生訪問(wèn)量的管理，可以看出每天學(xué)生的訪問(wèn)情況，也可看出學(xué)生在某個(gè)時(shí)段的學(xué)習(xí)情況，可以幫助老師很好地了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，以便輔導(dǎo)和督學(xué)?；顒?dòng)模塊包括簽到、投票、選人、主題討論、問(wèn)卷、分組任務(wù)、直播、在線課堂、作業(yè)等，可以用于線上線下互動(dòng)。線下課堂教學(xué)中充分利用活動(dòng)中的模塊，可以充分調(diào)動(dòng)學(xué)生興趣，大大活躍課堂氣氛，也調(diào)動(dòng)了學(xué)生的積極性、參與性。

3? ? 仿真實(shí)驗(yàn)室的建立

在調(diào)研和借鑒國(guó)內(nèi)建設(shè)了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室高校的豐富經(jīng)驗(yàn)外，徐州工程學(xué)院根據(jù)實(shí)際情況，建立了具有自身特色的仿真實(shí)驗(yàn)室。仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要包括3個(gè)部分：?jiǎn)卧僮鞣抡婺M、典型產(chǎn)品的工藝流程仿真模擬、實(shí)驗(yàn)室及工廠安全與環(huán)保注意事項(xiàng)仿真模擬。單元操作仿真目前已有過(guò)濾、干燥、精餾、結(jié)晶、萃取、膜分離、常減壓工藝、固定床反應(yīng)器、流化床反應(yīng)器等實(shí)驗(yàn)及工廠一些常用基本操作;工藝流程包括一些原料及高分子材料的工藝流程，如甲醇合成及精制工藝、苯胺制備工藝、聚氯乙烯制備工藝;安全與環(huán)保仿真如加氫反應(yīng)系統(tǒng)安全應(yīng)急演練等。仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可用于仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)、實(shí)訓(xùn)模擬、學(xué)生競(jìng)賽培訓(xùn)、教師科研等，如徐州工程學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院學(xué)生在2017年全國(guó)大學(xué)生化工實(shí)驗(yàn)華東區(qū)賽獲得二等獎(jiǎng)、第五屆中國(guó)大學(xué)生高分子材料創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽獲得二等獎(jiǎng)，兩支參賽隊(duì)伍在第六屆中國(guó)大學(xué)生高分子材料創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽上獲得二等獎(jiǎng)、江蘇省聯(lián)盟杯大學(xué)生實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽特等獎(jiǎng)。

工業(yè)加氫工藝一般在高溫、高壓下操作，極易發(fā)生爆炸、著火事故，屬于化工裝置中的重大危險(xiǎn)源，一旦發(fā)生事故，將造成重大損失。故學(xué)生對(duì)該工藝安全操作流程的了解極為重要。通過(guò)對(duì)加氫反應(yīng)系統(tǒng)安全應(yīng)急演練3D仿真實(shí)訓(xùn)課程的學(xué)習(xí)，有助于增強(qiáng)學(xué)生的安全意識(shí)、掌握安全知識(shí)、熟悉事故發(fā)生時(shí)的應(yīng)急處理流程。加氫反應(yīng)系統(tǒng)安全應(yīng)急演練3D仿真實(shí)訓(xùn)包括原料油增壓泵密封泄漏著火、加氫反應(yīng)器入口管線焊縫破裂著火、高壓換熱器管束泄漏，分別從崗前安全知識(shí)講解，事故發(fā)生后警報(bào)觸發(fā)、啟動(dòng)預(yù)案、轉(zhuǎn)移傷員、設(shè)立警戒、緊急停車(chē)、消防滅火、環(huán)境監(jiān)測(cè)和警報(bào)解除等角度系統(tǒng)再現(xiàn)了整個(gè)應(yīng)急演練流程。通過(guò)該仿真實(shí)地演練有效促進(jìn)了學(xué)生對(duì)安全知識(shí)、現(xiàn)場(chǎng)閥門(mén)操作、應(yīng)急處理預(yù)案的學(xué)習(xí)和理解，培養(yǎng)了團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)以及嚴(yán)謹(jǐn)工程素養(yǎng)和創(chuàng)新能力等。

4? ? 存在問(wèn)題及改進(jìn)措施

4.1? 減少“認(rèn)知摩擦”

美國(guó)設(shè)計(jì)師Alan Cooper把“當(dāng)人類(lèi)智力遭遇隨問(wèn)題變化而變化的復(fù)雜系統(tǒng)規(guī)則時(shí)遇到的阻力”定義為認(rèn)知摩擦，即技術(shù)的應(yīng)用和功能的堆砌使產(chǎn)品變得復(fù)雜、難于理解和使用，用戶(hù)很難通過(guò)感官來(lái)預(yù)期操作的結(jié)果。其原因歸結(jié)為產(chǎn)品設(shè)計(jì)不良所造成。目前，大多仿真虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)人員與教學(xué)人員脫節(jié)，軟件設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)人員一般是計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)而不是專(zhuān)業(yè)教學(xué)人員，缺乏實(shí)際教學(xué)方面的知識(shí)，故設(shè)計(jì)的仿真實(shí)驗(yàn)軟件更注重技術(shù)、功能性，在實(shí)際應(yīng)用方面則有所欠缺，即存在認(rèn)知摩擦。如何使軟件減少用戶(hù)的認(rèn)知摩擦，人性化、使用性更強(qiáng)，從而使用戶(hù)更容易掌握以提高學(xué)生的興趣性、互動(dòng)性，是現(xiàn)階段仿真實(shí)驗(yàn)軟件開(kāi)發(fā)需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題[4-5]。

4.2? 虛擬實(shí)驗(yàn)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)相互融合

無(wú)論是網(wǎng)絡(luò)課程平臺(tái)還是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，都只能提供同學(xué)們反復(fù)看的功能，而化學(xué)實(shí)驗(yàn)側(cè)重動(dòng)手能力，只有學(xué)生真正地在實(shí)驗(yàn)室動(dòng)手操作，才能有更深的體會(huì)，才能發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。虛擬實(shí)驗(yàn)和真實(shí)實(shí)驗(yàn)不能完全替代對(duì)方，使虛擬實(shí)驗(yàn)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)相互融合、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)達(dá)到最佳的效果是需要思考的問(wèn)題[6]。經(jīng)過(guò)幾個(gè)班級(jí)的實(shí)踐，研究發(fā)現(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)在前期預(yù)習(xí)、后期復(fù)習(xí)階段可以發(fā)揮較大作用。虛擬實(shí)驗(yàn)可以把晦澀難懂的實(shí)驗(yàn)機(jī)理形象地展現(xiàn)出來(lái)，學(xué)生更有興趣觀看并掌握;經(jīng)過(guò)觀看虛擬視頻對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程有所了解，心中有數(shù)，避免真實(shí)操作的時(shí)候感到迷茫，不知從何做起，同時(shí)也可減少操作錯(cuò)誤和實(shí)驗(yàn)失誤。不應(yīng)僅停留在虛擬實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)，有條件地應(yīng)盡量把大綱要求的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行真實(shí)實(shí)驗(yàn)操作。受主觀、客觀因素影響，不同學(xué)生做實(shí)驗(yàn)可能會(huì)出現(xiàn)不同的現(xiàn)象、結(jié)果，這就要求學(xué)生針對(duì)不同情況找出問(wèn)題的癥結(jié)，有助于培養(yǎng)學(xué)生的探究精神，這是虛擬實(shí)驗(yàn)所不能體驗(yàn)到的。

4.3? 人文情感不能缺失

在最大程度發(fā)揮虛擬實(shí)驗(yàn)作用的同時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致一些人文情感的缺失，這也是在運(yùn)用虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的過(guò)程中要考慮到的問(wèn)題[7]。真實(shí)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，有老師、同學(xué)在場(chǎng)，遇到問(wèn)題，彼此可以進(jìn)行探討，當(dāng)面及時(shí)解決。這個(gè)過(guò)程能使學(xué)生增強(qiáng)交流溝通、激發(fā)斗志、探究、人際交往等綜合能力得到鍛煉。特別是對(duì)于內(nèi)向、不擅長(zhǎng)交際的同學(xué)尤為重要。而虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)壳安荒苓_(dá)到這個(gè)效果，需要繼續(xù)改進(jìn)、優(yōu)化。在虛擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，可以增加互動(dòng)，與老師同學(xué)交流、探討，以減少自己在孤立環(huán)境中的感受。

5? ? 結(jié)語(yǔ)

基于虛擬展廳、仿真實(shí)驗(yàn)及網(wǎng)絡(luò)課程的高分子材料與工程虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)，各有側(cè)重并相互融合、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)以滿(mǎn)足不同方面的需要?？朔藗鹘y(tǒng)實(shí)驗(yàn)的時(shí)空限制、設(shè)備短缺、安全環(huán)保等不足，提高了學(xué)生的興趣、積極性、參與性及創(chuàng)新能力。

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