張嬌霞，周海駿，郭偉杰，李世云，劉 文

（江蘇科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

高分子材料成型加工是在高分子物理和高分子化學(xué)的基礎(chǔ)上，通過學(xué)習(xí)高分子材料成型加工使學(xué)生了解高分子材料成型加工的基本原理、生產(chǎn)制造方法和工藝過程，培養(yǎng)具備高分子材料與工程知識高級技術(shù)人才，為其從事為高分子材料的合成制備、改性、結(jié)構(gòu)、性能和加工應(yīng)用等領(lǐng)域打下堅實的基礎(chǔ)［1］。本課程依據(jù)高分子材料成型加工原理使學(xué)生理解掌握擠出、注射、壓延和橡膠加工過程及在加工過程中各種操作因素及在這個過程中所發(fā)生的物理化學(xué)變化對制品的結(jié)構(gòu)性能的影響，因此高分子材料成形加工具有很強(qiáng)的實踐性。學(xué)生在實驗過程中可以更深刻的加深對加工原理的認(rèn)識，并能很好的培養(yǎng)學(xué)生的動手操作和創(chuàng)新能力［2］。但是隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能和虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展，目前傳統(tǒng)的教學(xué)模式已無法滿足學(xué)生們的需求，如何通過改進(jìn)課程教學(xué)使高分子相關(guān)專業(yè)的學(xué)生適應(yīng)這種變化，切實提高學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力，是新時代技術(shù)背景下該門課程實驗教學(xué)所面臨的挑戰(zhàn)。

1 高分子材料成型加工實驗過程存在的問題

目前我校高分子材料成型加工實驗課程主要采用教師準(zhǔn)備原材料、利用學(xué)?，F(xiàn)有設(shè)備對其進(jìn)行加工與成型，進(jìn)一步對其結(jié)構(gòu)與性能進(jìn)行表征測試。然而隨著行業(yè)技術(shù)的發(fā)展與整合，傳統(tǒng)的高分子材料成型加工實驗課程存在如下問題：（1） 課程內(nèi)容更新速度慢，存在與行業(yè)技術(shù)設(shè)備發(fā)展脫節(jié)等現(xiàn)象。（2）成型加工的擠出機(jī)、注塑機(jī)、密煉機(jī)、壓延機(jī)和硫化機(jī)等，購置成本高且場地占用空間大，每個實驗所涉及的設(shè)備配套數(shù)量一般就一兩臺，因此經(jīng)常采取分組的教學(xué)方式，并即便如此也很難實現(xiàn)每一位同學(xué)都可以上手操作所有的加工設(shè)備，另外出于安全考慮，很多時候?qū)W生無法實現(xiàn)從開始準(zhǔn)備到實驗結(jié)束的完整實驗流程，更多的時候則只能采用圍觀式的教學(xué)，學(xué)生在這種被動式圍觀式的教學(xué)過程中很難對實驗過程有深刻認(rèn)識，更難掌握背后的實驗原理。（3）教師對高分子材料成型加工實驗體系的教學(xué)效果評估主要依靠的是學(xué)生最后上交的實驗報告，而很難將學(xué)生的現(xiàn)場操作和理論學(xué)習(xí)聯(lián)系起來綜合評價［3］。因此必須對傳統(tǒng)的實驗課程教學(xué)模式進(jìn)行教學(xué)改革，提高學(xué)生的主動學(xué)習(xí)能力，促進(jìn)理論與實踐相結(jié)合的教學(xué)模式迫在眉睫。

2 虛擬仿真實驗室發(fā)展現(xiàn)狀

隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能的發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)因能夠完成許多傳統(tǒng)實驗教學(xué)無法操作實施的教學(xué)實驗，受到了越來越多高校的重視。

虛擬仿真實驗室是利用互聯(lián)網(wǎng)、人工智能和虛擬現(xiàn)實技術(shù)等建構(gòu)的在一定場景下模擬真實型實驗設(shè)備的虛擬實驗軟件教學(xué)系統(tǒng)，利用該教學(xué)系統(tǒng)可以將真實的教學(xué)用實驗設(shè)備以及整個實驗流程進(jìn)行虛擬化的呈現(xiàn)出來。學(xué)生憑借電腦或采用賬號的形式進(jìn)入虛擬實驗軟件系統(tǒng)進(jìn)行人機(jī)交互操作，學(xué)生有一種親身體驗的感覺。因此虛擬仿真實驗室不受時間和地點的限制，并且教學(xué)過程靈活，無需提供實驗設(shè)備與材料，而受到國內(nèi)外高校的重視。例如最具代表的美國耶魯大學(xué)利用虛擬仿真實驗室的移動應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)了對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和分析的相關(guān)實驗。英國開放科學(xué)實驗室開則可以通過遙控儀器實現(xiàn)遠(yuǎn)程實驗，實現(xiàn)了在線共享虛擬儀器設(shè)備。

國內(nèi)很多高校也實現(xiàn)了虛擬仿真實驗室的建立。北京大學(xué)依據(jù)光學(xué)位置追蹤系統(tǒng)構(gòu)建了沉浸式虛擬現(xiàn)實展示交互實驗室。清華大學(xué)則在材料的快速成型技術(shù)方面實現(xiàn)了虛擬仿真實驗室的構(gòu)建。北京化工大學(xué)則在2013 年就建立了化工安全與裝備虛擬仿真實驗教學(xué)中心，將虛實結(jié)合切實提高實踐教學(xué)能力，通過更加貼近真實的教學(xué)環(huán)境達(dá)到豐富實踐教學(xué)內(nèi)容。

3 虛擬仿真實驗室在高分子材料成型加工實驗課中的優(yōu)勢

高分子材料成型加工實驗是將高分子材料成型加工的基本原理與生產(chǎn)實踐相結(jié)合，實踐性非常強(qiáng)的一門操作訓(xùn)練課程，在構(gòu)建高分子成型加工實驗虛擬仿真實驗室，應(yīng)以真實所需的實驗平臺為依據(jù)，構(gòu)建實驗過程所需的虛擬場景，用其反應(yīng)高分子材料加工所需的設(shè)備和加工過程。

課程內(nèi)容方面可以跟蹤行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與前沿技術(shù)，更新實驗內(nèi)容并且可以設(shè)置真實實驗室沒有的新設(shè)備相關(guān)實驗。例如可以將機(jī)器人與設(shè)備相結(jié)合實現(xiàn)行業(yè)技術(shù)發(fā)展的無人車間，進(jìn)一步引入在線監(jiān)測操技術(shù)，拉近實驗與工業(yè)生產(chǎn)之間的關(guān)系。開設(shè)目前的熱點3D 打印技術(shù)相關(guān)實驗使得實驗課程緊跟前沿技術(shù)發(fā)展。值得注意的是，在整個實驗室的布局，設(shè)備及其組成零部件和工藝控制等方面，要力求反映高分子材料成型加工的真實過程。

在教學(xué)實施方面，虛擬仿真實驗室則不受時間、地點影響，學(xué)生甚至在課余時間可憑借仿真虛擬實驗室計算機(jī)或自己電腦上憑借賬號進(jìn)入軟件系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)的實驗學(xué)習(xí)，直觀認(rèn)識設(shè)備的構(gòu)造與組成、設(shè)置不同的工藝參數(shù)對高分子材料進(jìn)行相應(yīng)的成型加工，虛擬實驗過程如果遇到問題可以及時在線的通過管理系統(tǒng)進(jìn)行反饋，教師可在線進(jìn)行答疑。有效改善了真實實驗教學(xué)過程中圍觀式的被動局面，從而讓學(xué)生對依據(jù)理論知識進(jìn)行的實際生產(chǎn)過程有更深刻的認(rèn)識。

在教學(xué)效果評價方面，打破了傳統(tǒng)的依據(jù)實驗印象和實驗報告打分的局面，在仿真虛擬實驗室教師可查看學(xué)生的實驗操作過程，對學(xué)生綜合客觀的打分。

4 結(jié) 語

在計算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)的快速發(fā)展背景下，通過基于真實的高分子材料加工的實驗平臺構(gòu)建虛擬仿真實驗室，可以實現(xiàn)不受時間地點限制的教學(xué)內(nèi)容的靈活設(shè)置，實現(xiàn)實驗教學(xué)的全面科學(xué)的效果評估，促進(jìn)理論教學(xué)與實踐教學(xué)的緊密聯(lián)合，突破真實實驗教學(xué)存在的圍觀式弊端，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性主動，最終使得學(xué)生對高分子材料成型加工原理和工藝過程有更深刻的認(rèn)識。