李繼功 賀文杰 何小芳 曹新鑫 張敏

摘??要：隨著社會(huì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，新工科教育對(duì)高等工程教育提出了新的要求。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)具有實(shí)驗(yàn)不受時(shí)空限制、節(jié)約耗材、安全易行的優(yōu)點(diǎn)。高分子材料是支撐戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)和重大工程不可或缺的物質(zhì)基礎(chǔ)，將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)引入高分子材料課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)，實(shí)現(xiàn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和自主實(shí)驗(yàn)，加深對(duì)材料、紡織和服裝等纖維制造相關(guān)領(lǐng)域知識(shí)的融合理解，提升專業(yè)自信和崗位能力，為學(xué)生創(chuàng)建一個(gè)具有設(shè)備認(rèn)知、原理學(xué)習(xí)、模擬訓(xùn)練、實(shí)驗(yàn)操作、數(shù)據(jù)交互、綜合考核等功能綜合平臺(tái)，在教學(xué)中收到了良好的效果。

關(guān)鍵詞：?新工科??高分子材料??3D?打印??虛擬仿真??實(shí)驗(yàn)建設(shè)

中圖分類號(hào)：G434;TQ31-4

Construction?of?Simulation?Experiments?for?the?Polymer?Materials?Course?Under?the?Background?of?New?Engineering

—Taking?Virtual?Simulation?for?3D?Printing?as?an?Example

LI?Jigong1??HE?Wenjie1??HE?Xiaofang1??CAO?Xinxin1*??ZHANG?Min2

1.?School?of?Materials?Science?and?Engineering，Henan?Polytechnic?University;?2.?School?of?Mathematics?and?Information?Science，Henan?Polytechnic?University，?Jiaozuo，?Henan?Province，?454003?China

Abstract：?With?the?development?of?society?and?the?progress?of?science?and?technology，?new?engineering?education?has?put?forward?new?requirements?for?higher?engineering?education.?Virtual?simulation?experiments?have?the?advantages?of?not?being?limited?by?time?and?space，?saving?consumables?and?being?safe?and?easy?to?implement.?Polymer?materials?are?indispensable?material?foundations?for?supporting?strategic?emerging?industries?and?major?projects.?Virtual?simulation?experiments?are?introduced?into?the?experimental?teaching?of?the?Polymer?Materials?course，?so?as?to?achieve?students?independent?learning?and?experiments，?deepen?their?integrated?understanding?of?knowledge?in?the?related?fields?of?fiber?manufacturing?such?as?materials，?textiles?and?clothing，?enhance?their?professional?confidence?and?job?capabilities，?and?create?a?comprehensive?platform?with?the?functions?of?equipment?cognition，?principle?learning，?simulation?training，?experimental?operation，?data?interaction?and?comprehensive?assessment?for?students，?which?has?achieved?good?results?in?teaching.

Key?Words：?New?engineering;?Polymer?Materials;?3D?printing;?Virtual?simulation;?Experiment?construction

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是指依托計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體、人機(jī)交互等技術(shù)，構(gòu)建虛擬化實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對(duì)象，使學(xué)生在虛擬環(huán)境中進(jìn)行課程實(shí)驗(yàn)，達(dá)到培養(yǎng)目標(biāo)所要求的效果。近十幾年來，虛擬仿真在我國各個(gè)地區(qū)的高等院校實(shí)踐實(shí)驗(yàn)中得到了普遍的應(yīng)用和推廣[1]。2022年10月28日教育部、工業(yè)和信息化部、國家體育總局、文化和旅游部、國家廣播電視總局五部門印發(fā)了虛擬現(xiàn)實(shí)與行業(yè)應(yīng)用融合發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃（2022—2026年）[2]，計(jì)劃中明確指出要推動(dòng)教學(xué)模式向自主體驗(yàn)升級(jí)，打造支持自主探究、協(xié)作學(xué)習(xí)的沉浸式新課堂，推進(jìn)“虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)2.0”，支持建設(shè)一批虛擬仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)重點(diǎn)項(xiàng)目。

高分子材料是支撐戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)和重大工程不可或缺的物質(zhì)基礎(chǔ)，服務(wù)于國民經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展、國防建設(shè)和人民生活等領(lǐng)域，是制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的先導(dǎo)和基石。近些年，國家高度重視新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展，相關(guān)部委陸續(xù)推出了一系列政策文件。《河南省加快材料產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢再造換道領(lǐng)跑行動(dòng)計(jì)劃（2022—2025年）》指出：河南省將根據(jù)傳統(tǒng)優(yōu)勢，培育壯大電子功能材料、高性能纖維材料、新型動(dòng)力及儲(chǔ)能電池材料、生物醫(yī)用材料、節(jié)能降碳環(huán)保材料5個(gè)關(guān)鍵戰(zhàn)略材料產(chǎn)業(yè)，前瞻布局納米材料、增材制造材料、先進(jìn)復(fù)合材料等前沿新材料產(chǎn)業(yè)，其中多個(gè)領(lǐng)域均涉及高分子材料，人才需求量巨大。

傳統(tǒng)的“高分子材料”專業(yè)課程，實(shí)驗(yàn)操作多消耗藥材大，同時(shí)對(duì)安全也有一定隱患，同時(shí)受限于實(shí)驗(yàn)場地大小，每批次所做實(shí)驗(yàn)學(xué)生人數(shù)有限，對(duì)學(xué)生的創(chuàng)新和實(shí)踐能力培養(yǎng)造成了一定障礙，在新工科人才培養(yǎng)的背景下，不利于培養(yǎng)新時(shí)代新工科創(chuàng)造型人才。因此，將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)引入“高分子材料”課程教學(xué)有迫切的現(xiàn)實(shí)需求。

1?虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與新工科和工程專業(yè)認(rèn)證的關(guān)系

河南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程專業(yè)2018年通過了工程教育專業(yè)認(rèn)證，2020年獲批國家級(jí)一流本科專業(yè)建設(shè)點(diǎn)，2019年10月，高分子材料系獲批河南省高等學(xué)校優(yōu)秀基層教學(xué)組織，“高分子材料”課程2023年獲批河南省新工科新形態(tài)教材建設(shè)立項(xiàng)。結(jié)合工程專業(yè)認(rèn)證和新工科建設(shè)要求，該校高分子材料課程建設(shè)思路如圖1所示。

新工科教育是一種新的教育理念和方法，旨在培養(yǎng)具有全球視野、創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力的工程師和科學(xué)家。它強(qiáng)調(diào)跨學(xué)科的融合和實(shí)踐教育，注重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和實(shí)際操作能力。以教育部一流本科專業(yè)建設(shè)和材料科學(xué)與工程專業(yè)認(rèn)證為契機(jī)，依托材料科學(xué)與工程國家級(jí)一流專業(yè)、智能材料與結(jié)構(gòu)戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)專業(yè)的師資隊(duì)伍和軟硬件條件，遵循工程教育認(rèn)證“學(xué)生中心、產(chǎn)出導(dǎo)向、持續(xù)改進(jìn)”的三大教學(xué)理念，以“研究性教學(xué)”為核心，深入挖掘和充分利用科研項(xiàng)目對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力培養(yǎng)的重要價(jià)值，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新動(dòng)力，提高學(xué)生的科研能力[3]。其中專業(yè)實(shí)驗(yàn)是新工科和工程專業(yè)認(rèn)證的重要組成部分，進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)建設(shè)有助于新工科人才的培養(yǎng)。

結(jié)合我校材料專業(yè)“高分子材料”和“紡織材料學(xué)”兩門專業(yè)課程需求，首期建設(shè)可穿戴3D打印一體化纖維虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，本實(shí)驗(yàn)通過構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境讓學(xué)生在計(jì)算機(jī)終端訪問實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，進(jìn)行可穿戴3D打印一體化纖維加工以及耐形變-溫度能力之間關(guān)系的探究。2023年，該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)獲批河南省教育廳虛擬仿真項(xiàng)目，并于同年加入河南省紡織服裝設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心智能可穿戴纖維工藝設(shè)計(jì)虛擬仿真課程群，也是2023年河南省教育廳新工科新形態(tài)教材項(xiàng)目“高分子材料”的組成部分。

2?虛擬仿真實(shí)驗(yàn)建設(shè)原則

虛仿真擬實(shí)驗(yàn)以該校材料科學(xué)與工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心和國家級(jí)一流本科專業(yè)建設(shè)點(diǎn)為平臺(tái)支撐，堅(jiān)持“虛實(shí)結(jié)合、能實(shí)不虛、互為補(bǔ)充”的原則。隨著傳感技術(shù)、材料技術(shù)、交互技術(shù)的日益成熟，可穿戴設(shè)備得到了廣泛的發(fā)展，這一領(lǐng)域不但是中國智能制造的主要發(fā)展方向，是材料科學(xué)與工程等本科專業(yè)必修課程的重要內(nèi)容。

本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)適應(yīng)我國紡織、材料和服裝行業(yè)的發(fā)展需求，以培養(yǎng)具有專業(yè)勝任能力和社會(huì)適應(yīng)能力的創(chuàng)新復(fù)合型人才為目標(biāo)。傳統(tǒng)工藝需要纖維制備和織造兩步法來制備可穿戴纖維材料。相比之下，3D打印可通過一步法就實(shí)現(xiàn)一體化柔性可穿戴纖維材料的快速制備，具有廣闊的應(yīng)用優(yōu)勢，同時(shí)幾乎沒有材料損耗，大大降低生產(chǎn)成本，為企業(yè)增加利潤創(chuàng)造條件。

可穿戴3D打印一體化纖維耐形變-溫度虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是材料工程基礎(chǔ)課程的重要組成部分，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生分析、解決材料、紡織和服裝等纖維制造相關(guān)領(lǐng)域復(fù)雜工程問題的能力具有十分重要的作用。然而，可穿戴3D打印一體化纖維耐形變-溫度虛擬仿真實(shí)驗(yàn)需要依賴高昂的3D打印設(shè)備和不可逆的打印漿料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，同時(shí)后期耐形變-溫度測試是一個(gè)連續(xù)反饋的長周期過程，受到成本、時(shí)間和環(huán)境等條件限制導(dǎo)致難以開展實(shí)體實(shí)驗(yàn)。

本團(tuán)隊(duì)從新材料行業(yè)發(fā)展對(duì)專業(yè)人才的需求與增強(qiáng)學(xué)生服務(wù)社會(huì)能力出發(fā)，為學(xué)生創(chuàng)建一個(gè)具有設(shè)備認(rèn)知、原理學(xué)習(xí)、模擬訓(xùn)練、實(shí)驗(yàn)操作、數(shù)據(jù)交互、綜合考核等功能綜合平臺(tái)，開發(fā)可穿戴3D打印一體化纖維耐形變-溫度虛擬仿真項(xiàng)目。

3?實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)

可穿戴3D打印一體化纖維是一種新型纖維材料，它能夠感知、傳遞和響應(yīng)外界的刺激，并且具有一定的計(jì)算和儲(chǔ)存能力?[4，5]?。與傳統(tǒng)纖維相比，智能纖維具有更多的功能和應(yīng)用潛力，使得可穿戴設(shè)備的使用更加智能和便捷。

本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)旨在確保學(xué)生熟悉并掌握可穿戴3D打印一體化纖維加工工藝及實(shí)際服役條件下形變-溫度的內(nèi)在規(guī)律。通過線下與線上相結(jié)合的方式，使學(xué)生能夠通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)將所學(xué)專業(yè)知識(shí)應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)中，并借助交互式虛擬實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)進(jìn)行自主學(xué)習(xí)、模擬練習(xí)，以及實(shí)際操作，最后給出綜合評(píng)價(jià)結(jié)果。

實(shí)驗(yàn)?zāi)康娜缦拢豪斫饣?D打印機(jī)的基本原理與關(guān)鍵技術(shù)，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)于材料、紡織和服裝等纖維制造相關(guān)領(lǐng)域知識(shí)的認(rèn)知能力和探索信心；掌握可穿戴3D打印一體化纖維的模型設(shè)計(jì)、3D打印漿料的制備及關(guān)鍵參數(shù)、3D打印一體化纖維形貌和結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵影響因素，支撐材料科學(xué)與工程等核心課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)；促進(jìn)學(xué)生對(duì)可穿戴纖維應(yīng)用技術(shù)的理解，加深對(duì)材料、紡織和服裝等纖維制造相關(guān)領(lǐng)域知識(shí)的融合理解，提升專業(yè)自信和崗位能力[6，7]。

4?虛擬實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

本仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)模擬了3D打印設(shè)備、一體化可穿戴纖維成型及其耐形變-溫度測試等場景，進(jìn)入主場景后進(jìn)行具體場景的選擇。隨后進(jìn)入可操作界面，進(jìn)行作業(yè)人員模式的操作，每個(gè)場景的任務(wù)完成后，可進(jìn)行知識(shí)測驗(yàn)，并選擇進(jìn)入下一個(gè)場景，在一體化可穿戴纖維耐形變-溫度任務(wù)完成后，進(jìn)行綜合測評(píng)和提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

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進(jìn)入3D打印設(shè)備認(rèn)知及原理學(xué)習(xí)模塊，如圖2所示。學(xué)生根據(jù)界面的提示進(jìn)行3D打印設(shè)備進(jìn)行初步的認(rèn)識(shí)，并且對(duì)3D打印的工作原理進(jìn)行學(xué)習(xí)。通過鼠標(biāo)在工作面中進(jìn)行漫游，見圖3。認(rèn)識(shí)3D打印設(shè)備的打印平臺(tái)、擠出裝置、控制裝置及其程序設(shè)置界面等關(guān)鍵組件，了解這些裝備的功能以及工作原理。在學(xué)習(xí)過程中，可利用導(dǎo)航欄進(jìn)行部件切換學(xué)習(xí)。

在系統(tǒng)指引下學(xué)生要對(duì)可穿戴一體化纖維加工工藝的整個(gè)流程進(jìn)行認(rèn)知和學(xué)習(xí)，讓學(xué)生明白整套加工工藝的操作方法，以及對(duì)于參數(shù)應(yīng)該如何設(shè)置，本模塊通過動(dòng)畫視頻方式，直觀介紹可穿戴一體化纖維加工過程及核心技術(shù)，幫助學(xué)生建立完整清晰的可穿戴一體化纖維加工知識(shí)體系。

5?前景與展望

可穿戴3D打印一體化纖維耐形變-溫度虛擬仿真項(xiàng)目是高分子材料、紡織材料學(xué)、服裝虛擬技術(shù)與仿真等課程的核心實(shí)踐內(nèi)容，是材料科學(xué)與工程、服裝設(shè)計(jì)與工程、非織造工程等專業(yè)學(xué)生必須掌握的實(shí)踐方法。

本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，從學(xué)生認(rèn)知視角出發(fā)重構(gòu)學(xué)生的專業(yè)知識(shí)體系，綜合了3D打印設(shè)備及工作原理認(rèn)知、一體化可穿戴纖維工藝圖設(shè)計(jì)以及加工工藝和耐形變-溫度虛擬仿真等內(nèi)容，通過仿真實(shí)驗(yàn)教師突破了口述和平面教學(xué)手段難以達(dá)到的教學(xué)效果，使得學(xué)生深入理解專業(yè)知識(shí)和掌握運(yùn)用3D打印技術(shù)解決實(shí)際問題的能力，有助于培養(yǎng)符合新工科建設(shè)和工程專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的人才。

目前，該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要在該校材料科學(xué)與工程學(xué)院相關(guān)專業(yè)使用，后期將逐漸推廣到省內(nèi)外其他學(xué)校的材料、化工和服裝設(shè)計(jì)等學(xué)科，進(jìn)一步拓展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，增加3D打印靜電紡絲一體化纖維、多功能一體化復(fù)合纖維等內(nèi)容，進(jìn)而使實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容更為全面，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)及創(chuàng)新能力。

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