韓永軍　曹可生　曹云麗

摘 要：本研究結合新工科材料工程科學類人才質量培養(yǎng)要求，構建高分子材料工藝模擬實驗平臺，針對虛擬仿真實驗資源不足、虛擬仿真實驗教學師資隊伍能力待提高、虛擬仿真實驗教學平臺待完善三個方面進行了探索與實踐，通過建設“虛實結合、以虛補實、以虛證實”類教學資源庫，打造“校企合作、專兼結合、雙師雙能”型教師隊伍，構建“多方開發(fā)、資源多樣化、考核多維度”教學平臺。本研究的探索與實踐有益于材料類本科工程技術人才的培養(yǎng)，也為其他實踐類課程的教學提供了參考。

關鍵詞：高分子材料；虛擬仿真；教學

虛擬仿真是依托于信息技術、互聯網技術、電子信息技術、數據庫等構建形成的一種虛擬仿真系統。為貫徹落實工信部、教育部《虛擬現實與行業(yè)應用融合發(fā)展行動計劃（2022—2026年）》關于建設一批虛擬現實課堂、教研室、實驗室與虛擬仿真實訓基地的要求，推動教學模式向自主體驗升級，打造支持自主探究寫作學習的沉浸式新課堂，構建“虛實結合、優(yōu)勢互補、交叉融合”的教學體系和運行機制，發(fā)揮虛擬仿真實驗的最大作用，為新工科背景下人才育人模式提供一定的實踐基礎，平頂山學院材料科學與工程專業(yè)將“現代信息技術與課程的深度融合”作為實踐教學改革的立足點，針對實踐教學中出現頻率高且操作難度大的大型儀器實驗，進行了適用于線上、線下以及線上線下混合式教學的材料科學與工程專業(yè)虛擬仿真實驗開發(fā)。開發(fā)相關虛擬仿真實驗課程項目為本科生教學提供了有力支持。

高分子材料加工工藝學是平頂山學院材料科學與工程專業(yè)的必修課程，配套實驗需要消耗大量原材料，存在高危險、高成本、高消耗、極端環(huán)境、不可逆操作等問題，因此有必要建設虛擬仿真實驗室，推動實驗教學。對學生而言，通過課程學習可以深入學習高分子材料加工工藝的理論知識，將理論知識簡單化、直觀化；對教師而言，開展模擬實驗教學是培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維、實踐能力的有效途徑。

一、高分子材料工藝模擬實驗教學現狀

（一）虛擬仿真實驗資源有待進一步開發(fā)

根據平頂山學院應用型人才培養(yǎng)需求和專業(yè)特色，需要學生具備跨專業(yè)能力、多學科知識融合能力。高分子材料工藝模擬實驗需要對高分子材料生產過程中的大量數據進行驗證，特別是學校要緊密結合地方企業(yè)的尼龍行業(yè)特色，但相關數據匱乏，數據來源類型各異，最終實驗效果及數據處理差別較大，不利于學生深入理解相關知識點。同時，高分子材料工藝模擬實驗教學體系下知識點分散，缺乏系統性，因此在后續(xù)教學過程中需要對教學體系進行重構整合，以學生為中心，使實踐教學能夠更加接近工業(yè)生產實際，提升學生的實踐應用能力。

（二）虛擬仿真實驗教學師資隊伍能力有待進一步提高

虛擬仿真實驗對教師的綜合能力特別是信息化技術能力要求較高，目前師資隊伍中缺乏高端復合型人才，使得本專業(yè)教師需要花費一定的時間、精力學習虛擬仿真技術。同時，學校重視不夠、投入不足，未能組建專業(yè)化虛擬仿真實驗教學團隊，未將虛擬仿真技術真正深入運用到高分子材料工藝模擬實驗教學中。

（三）虛擬仿真實驗教學平臺有待進一步完善

社會上現有軟件公司提供的虛擬仿真軟件采用的通用模式，不符合尼龍類材料的工藝要求，專業(yè)特色不強。目前大多數高校的虛擬仿真實驗是依靠從軟件公司購買的軟件所建立，信息技術融入不夠，缺少分析、評估和決策功能，不能實現精準個性化的教學目標。仿真實驗教學隊伍應根據學校高分子材料工藝模擬實驗特點，與企業(yè)合作開發(fā)適合的仿真實驗體系，知識產權共有，尋求產學研共同發(fā)展道路。

二、教學改革與實踐

（一）“虛實結合、以虛補實、以虛證實”類教學資源建設

依據新版材料科學與工程人才培養(yǎng)方案，將線下實驗難以完成的涉及高危或極端環(huán)境、不可及或不可逆的操作、高成本高消耗、大型或綜合訓練等教學內容采用虛擬仿真實驗教學，建設一套“虛實結合、以虛補實、以虛證實”類教學資源，完成教學大綱要求。

在教學資源建設過程中，引入尼龍行業(yè)案例，實體項目+虛擬仿真項目=實驗項目整體，缺一不可。實驗運行采取“虛實結合”，實現“實體實驗輪轉+虛擬仿真實驗輪轉”。在教學資源的整合上將理論知識與實際案例結合，豐富3D動畫演示，少文字多圖畫，虛擬注塑機器操作實際生產案例。將虛與實、驗證與拓展相結合，提高材料加工與設計的綜合能力。如利用Moldex3D、MoldFlow等塑料注塑成型仿真軟件，對尼龍塑料制品的注塑成型進行模流分析，從材料各區(qū)溫度差異、材料厚度不均、材料各向異性等方面分析翹曲變形情況，分別進行優(yōu)化，獲得最優(yōu)注塑條件，解決塑件在成型時發(fā)生翹曲變形問題，縮短模具設計周期，減少浪費，降低設計和原料成本。同時，結合現有注塑機器進行實際驗證，優(yōu)化高分子材料的注塑件、注塑模具和注塑成型流程，最終實現高分子材料高品質、低成本的注塑成型加工。

（二）“校企合作、專兼結合、雙師雙能”型師資隊伍建設

加強現有高分子材料工藝模擬實驗教學師資隊伍培訓，派遣青年教師到國內外訪問學習，提高教師科研水平。鼓勵青年教師到知名企業(yè)進行實踐鍛煉，聘任相關化工行業(yè)專家、工程師兼職授課，打造“校企合作、專兼結合、雙師雙能”型師資隊伍。鼓勵教師走出校門，走進企業(yè)，聯合進行科技攻關，精心設計具有探究性、實踐性、創(chuàng)新性的虛擬仿真實驗課題，改進和完善教學模式，實現科研實驗與教學實驗相互補充、共同發(fā)展。打造專業(yè)技術過硬、結構合理穩(wěn)定的師資隊伍。

（三）“多方開發(fā)、資源多樣化、考核多維度”平臺建設

對于整合好的教學資源，依據學科、專業(yè)、課程特色，聯合企業(yè)、省內外院校共同開發(fā)高分子材料工藝模擬實驗課程網絡平臺，協調好不同課程資源的相互關系，使其具有層次化、模塊化的特點。首先將該實驗課程分為基本原理驗證模塊、基礎技能訓練模塊和綜合設計創(chuàng)新實驗模塊。針對每個模塊的學習內容又大致分為預習、虛擬仿真操作、考核評價三個部分，每個部分又包括視頻、討論、作業(yè)、測試等多樣化的內容。預習主要是通過學習視頻理論知識、明晰實驗目的及原理，知曉實驗步驟及內容，掌握實驗的模擬操作流程。在預習過程中設置測試及討論題，學生可以通過測試了解自己的預習情況，對于有疑問的地方可以與教師在線討論，教師在線進行解疑答惑。

虛擬仿真操作則包括實驗的整個流程。操作過程中平臺會隨機設置一些互動問題，學生在答對問題的基礎上才能進行下一步的操作，利于學生掌握操作流程，留心操作細節(jié)及注意事項，利于保障學生在實驗室進行實驗操作的規(guī)范性及標準化。

依據工程教育專業(yè)認證理念，制定實踐教學大綱與實踐方案，規(guī)范實踐課程質量標準，將考核評價分為形成性評價與終結性評價。其中形成性評價主要針對平臺上學生任務點的學習及作業(yè)、測試成績。終結性評價主要指課程結束后的考核評價，包括平臺模擬操作評價及實驗室實操考核評價。

（四）“線上線下、課上課下、個人團隊”教學模式

課前，教師進行啟發(fā)式引導學習，將課堂重難點、學習資料、課前測試等提前發(fā)布到課程平臺上。學生在課程平臺上進行課前預習、“小組協作+查找資料”、提出問題并引發(fā)思考，完成教師發(fā)布的課前測試任務等。

課中，學生通過課堂討論、體驗式學習等與實驗空間上的虛擬仿真課程相結合的方式進行學習，從而完成前測回顧、問題導入、重難點解答、現實應用、舉一反三、知識拓展、小結作業(yè)等一系列課堂學習流程。學生從線上線下混合式教學中獲得獨立思考能力和更積極的課堂參與感，從而進一步提升教學效果。

課后，由教師主導復習鞏固提升，在交互學習平臺上發(fā)布教學反思、師生交互等內容，并進行個性化輔導。學生在交互學習平臺上進行復習鞏固、討論交流、小組實踐和課后作業(yè)。及時鞏固所學知識點，加深對重難點的理解，實現由教到學的充分轉化。

三、結語

高分子材料工藝模擬實驗課程教學分別從教學資源、師資隊伍、教學平臺三個方面進行了探索與實踐。將高分子材料工藝理論知識與實際應用相結合，深層次融入企業(yè)案例，兼顧學生創(chuàng)新能力與基礎技能培養(yǎng)。模擬實驗平臺的開發(fā)使原本難以在課堂上實現的高分子材料加工工藝設計訓練成為可能，解決了課程拓展型和創(chuàng)新型實驗環(huán)節(jié)難以開展的難題。課題組的教學探索與實踐有益于材料類本科工程技術人才的培養(yǎng)，也為其他實踐類課程的教學提供了參考基礎。

參考文獻：

[1]呂向麗，劉春玲.虛擬仿真技術在化學實驗教學中的國內外研究現狀分析[J].云南化工，2022（8）.

[2]孫金芳，張侃，韓玉龍.虛擬仿真技術在物理實驗教學中的合理應用[J].興義民族師范學院學報，2022（3）.

[3]何濤，湯麗霞，王俊利.虛擬仿真實驗在臨床微生物學檢驗技術實驗教學中的應用[J].臨床檢驗雜志（電子版），2020（3）.

[4]王春.虛擬仿真技術在中學化學實驗教學中的應用探索[J].教育研究與裝備，2020（12）．

[5]劉婉穎，林元華，高婷艷，等.材料科學與工程專業(yè)虛擬仿真實驗教學項目建設現狀[J].高教學刊，2019（22）.

責編：應 圖