江峰 隋坤艷 袁華 張小艷 譚業(yè)強

[摘 要] 隨著信息技術(shù)的發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)也逐漸應(yīng)用于教學(xué)中，與傳統(tǒng)教學(xué)的有機結(jié)合極大地豐富和改革了傳統(tǒng)的教學(xué)手段。依托青島大學(xué)開發(fā)的“海洋生物質(zhì)纖維成形虛擬仿真”實驗項目，結(jié)合項目運行周期中遇到的問題，探索虛擬仿真實驗高階性內(nèi)涵與創(chuàng)新性教學(xué)，闡述了虛擬仿真技術(shù)在濕法紡絲實驗中的應(yīng)用，總結(jié)了虛擬仿真線上教學(xué)和實體實驗線下教學(xué)的結(jié)合，并將課程思政內(nèi)容滲入實驗教學(xué)中，總結(jié)了相關(guān)的教學(xué)方法，提高了學(xué)習(xí)效率和教學(xué)效果。

[關(guān)鍵詞] 海洋生物;虛擬仿真;課程思政

[基金項目] 2018年度山東省研究生教育優(yōu)質(zhì)課程“材料物理化學(xué)”建設(shè)項目（SDYKC18049）;2018 年度山東省研究生導(dǎo)師指導(dǎo)能力提升項目“服務(wù)未來綠色化纖/紡織行業(yè)的工程碩士培養(yǎng)研究與實踐”（SDYY18072）;2020年度青島大學(xué)創(chuàng)新型教學(xué)實驗室研究項目“金課背景下‘海洋生物質(zhì)纖維成型實驗線上線下教學(xué)模式構(gòu)建”

[作者簡介] 江 峰（1970—），女，山東青島人，博士，青島大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院講師，主要從事濕法紡絲成型工藝研究;

隋坤艷（1969—），女，山東青島人，博士，青島大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院院長，教授（通信作者），主要從事海藻纖維加工工藝研究。

[中圖分類號] G640? ? [文獻標(biāo)識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2021）39-0144-04? ? [收稿日期] 2021-05-08

一、引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、虛擬現(xiàn)實等信息的快速發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)已經(jīng)滲入各個領(lǐng)域[1]。在日新月異的新形勢下，高等教育必須適應(yīng)新時代人才培養(yǎng)的需要，將新技術(shù)與實踐教學(xué)相結(jié)合，強化學(xué)生理論知識的學(xué)習(xí)，提高實踐動手能力和解決實際問題的能力，從而提高人才培養(yǎng)質(zhì)量，更好地服務(wù)于社會與經(jīng)濟發(fā)展[2]。信息技術(shù)的快速發(fā)展為提高教學(xué)手段提供了充分的準(zhǔn)備。將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于實驗教學(xué)項目，是將現(xiàn)代信息技術(shù)融入實驗教學(xué)項目、拓展實驗教學(xué)內(nèi)容的廣度和深度、延伸實驗教學(xué)的時間和空間、提升實驗教學(xué)質(zhì)量和水平的重要舉措。以虛展實、以虛代實，從而快速響應(yīng)實驗教學(xué)的需求，拉近實驗教學(xué)與工程實踐的距離，促進學(xué)生自主學(xué)習(xí)和探究式學(xué)習(xí)，解決目前線下實驗中難以操作、難以實現(xiàn)的問題。2013年8月，教育部決定開展國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)[3]，充分體現(xiàn)了對虛擬仿真教學(xué)在高校實踐教學(xué)體系中應(yīng)用的重視。隨著虛擬仿真實驗教學(xué)從以信息化網(wǎng)絡(luò)平臺建設(shè)為重點的初始階段，進入以優(yōu)質(zhì)項目資源建設(shè)與應(yīng)用為重點的深入發(fā)展階段，注重以現(xiàn)代信息技術(shù)為依托，以相關(guān)專業(yè)急需的實驗教學(xué)內(nèi)容為指向，以完整的實驗教學(xué)項目為基礎(chǔ)，促進實驗教學(xué)質(zhì)量穩(wěn)步提高[4，5]。

本文通過分析濕法紡絲實驗虛擬仿真與線下教學(xué)的結(jié)合，探索促進學(xué)生掌握濕法紡絲理論知識、提高學(xué)生動手解決纖維濕紡生產(chǎn)中實際問題的能力、培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維的教學(xué)手段，以使實驗教學(xué)與工程實踐進一步拉近距離，培養(yǎng)出社會急需的具有實踐創(chuàng)新能力和解決復(fù)雜工程問題能力的一流人才。

二、濕法紡絲虛擬仿真線上教學(xué)的構(gòu)建

（一）濕法紡絲實驗課程介紹

化學(xué)纖維的濕法紡絲實驗課程是針對我校工科特色開設(shè)的一門面向高分子材料專業(yè)本科生的大型實驗課程，是培養(yǎng)本專業(yè)學(xué)生將理論知識與實踐工程聯(lián)系起來的重要教學(xué)環(huán)節(jié)。實驗的目的是以海藻纖維的成型過程為例，使學(xué)生了解化學(xué)纖維濕法紡絲的工藝流程，掌握海藻纖維紡絲的原理、方法、加工工藝及流程，進一步掌握和加深對濕法紡絲方法的理解，同時使學(xué)生了解濕法紡絲的設(shè)備組成和構(gòu)造，并初步掌握濕法紡絲的基本操作步驟和技能。

化學(xué)纖維的濕法紡絲成型過程主要是針對分解溫度低于熔點的高聚物在紡絲時所采用的方法。不同于熔法紡絲的簡單形變過程，濕法紡絲時高聚物需要溶解在良溶劑中形成一定濃度的紡絲液，擠出成型后又需要去除并回收溶劑，因此濕法紡絲不僅工藝流程長，而且涉及多組分聚合物流體的形變及固化，使紡絲過程變得復(fù)雜。另一方面，濕法紡絲的紡前準(zhǔn)備過程操作周期長。高聚物的溶解不同于小分子，其溶解時間特別長，聚合物要經(jīng)歷溶脹到溶解的過程，如海藻酸鈉在水中的溶解過程大約需要4個小時。紡絲過程要想順利進行，必須在紡前準(zhǔn)備中經(jīng)過過濾、脫泡的過程，其中，脫泡的過程更是長達8小時以上。如此長時間的操作過程在現(xiàn)實條件下受到設(shè)備的限制，很難安排眾多學(xué)生親自完成，這就凸顯出了虛擬仿真的優(yōu)勢，使學(xué)生在虛擬環(huán)境下操作，真切地了解每個生產(chǎn)步驟的工藝條件，從而完整地掌握理論知識和生產(chǎn)工藝。

（二）濕法紡絲虛擬仿真教學(xué)的設(shè)計

1.自主學(xué)習(xí)模式。實驗開始前，首先讓學(xué)生進行自主學(xué)習(xí)，內(nèi)容包括實驗室安全知識和基本操作，以及化學(xué)纖維濕法紡絲涉及的理論知識。例如，通過動畫演示滅火器和滅火毯的使用方法，使學(xué)生掌握這些基本安全操作。通過生動、形象的動畫形式激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，達到掌握知識的目的。其次，需要學(xué)生明確濕法紡絲實驗的目的，清楚本次實驗要完成的目標(biāo)。了解高分子材料加工的概念和過程，熟悉和掌握濕法紡絲的工藝流程，對紡前準(zhǔn)備、紡絲成型和后加工及卷繞等各個工序所涉及的原理和工藝進行學(xué)習(xí)。這些內(nèi)容在虛擬仿真的知識點部分都會展示，學(xué)生可以一一點開按鈕，學(xué)習(xí)相關(guān)內(nèi)容。另外，對生物質(zhì)纖維，如海藻纖維和殼聚糖纖維的結(jié)構(gòu)特性、發(fā)展現(xiàn)狀、儀器設(shè)備、加工流程及應(yīng)用也做了相關(guān)介紹，學(xué)生可以點開獲得相關(guān)知識。

進入實驗操作步驟環(huán)節(jié)，軟件采用虛擬仿真的場景和設(shè)備，利用學(xué)生熟悉的游戲方式，通過提示并講解各個工藝步驟的條件和原理，引導(dǎo)學(xué)生將整個濕法紡絲流程操作一遍。為了便于學(xué)生反復(fù)學(xué)習(xí)，在一遍操作過程結(jié)束后，學(xué)生可以返回開始步驟，改變工藝條件，繼續(xù)進行操作，從而最終掌握生物質(zhì)纖維濕法紡絲的工藝流程和紡絲原理。在每一步驟中，都為學(xué)生設(shè)計了相關(guān)的思考題，內(nèi)容即為剛剛學(xué)習(xí)的理論知識，以期學(xué)生能夠?qū)W(xué)習(xí)到的理論知識及時鞏固。思考題采用選擇題的形式，錯選會有提示，然后將正確答案顯示出來并做出解釋，進一步夯實學(xué)生的理論知識。