“高分子物理实验”虚拟仿真教学模式建设实践

[摘 要] “高分子物理实验”是工科高分子材料与工程专业学生全面学习高分子材料表征的一门必修课，但是在实际学习中普遍存在过度依赖精密仪器、课程设计受限、教学中断等问题，严重影响课程教学质量。同时，依据工程教育专业认证的标准、教育教学改革的发展，“高分子物理实验”教学也应与时俱进，特别是新冠肺炎疫情期间，“停课不停学”“在线教学”促进了“高分子物理实验”的教学改革。通过“高分子物理实验”虚拟仿真教学模式建设，解决了实操教学的主要问题，融入了工程教育专业认证的新要求，也促进了实验教学与信息化的融合，适应国情与教育教学改革。

[关键词] 高分子物理实验;工程教育专业认证;虚拟仿真实验;教学模式改革

[中图分类号] G642 [文献标识码] A[文章编号] 1674-9324（2022）13-0042-04 [收稿日期] 2021-01-26

引言

教学是高等学校培养人才的主要渠道，优秀人才应是知识、素质、能力的融合体。对学生来讲，实验课是独立实践的舞台，可以独立地构建知识;对教师来讲，实验教学是一种以“案例教学”为课程组织特征的教学形态[1]，是对学生的实践能力、创新思维进行训练和培养的有效途径。

“高分子物理实验”是一门匹配于工科高分子材料与工程专业必修课程“高分子物理”的实验操作课程，是高分子学科学生全面学习高分子材料表征的一门必修课程，也可为材料科学与工程、应用化学、材料化学、化学工程与工艺等专业的学生提供参考[2]。“高分子物理实验”强调操作性和实践性，通过实验的操作和实验现象的观察加深对高分子物理概念和原理的理解。在实验教学中，结合生活、科研和企业实际应用需求，涉及聚合物的溶液性质、聚合物的结构分析、聚合物的力学性能、聚合物的流变特性、聚合物的热性能、电学性能，以及一些聚合物鉴别和分离剖析等综合设计实验，开发学生的创新和综合应用思维及意识，是培养学生综合实验能力的重要环节[3]。

工程教育是我国高等教育的重要组成部分，在高等教育体系中“三分天下有其一”。工程教育专业认证的核心就是要确认工科专业毕业生达到行业认可的既定质量标准要求，是一种以培养目标和毕业出口要求为导向的合格性评价。其要求专业课程体系设置、师资队伍配备、办学条件配置等都围绕学生毕业能力达成这一核心任务展开，并强调建立专业持续改进机制和文化以保证专业教育质量和专业教育活力[4]。高分子材料与工程是工科专业，各高校专业课程体系改革积极向工程教育专业认证标准靠拢，随着教育教学改革和信息化技术的发展，“高分子物理实验”课程的教学模式、教学内容、教学方法等方面也应与时俱进，特别是疫情期间，“停课不停学”“在线教学”也促进了“高分子物理实验”的教学改革。以虚拟仿真实验为代表的在线实验项目和开放课程发展迅猛，“高分子物理实验”课程也需要跟上时代的步伐，开展教学改革与实践。

一、“高分子物理实验”传统教学模式存在的主要问题

（一）过度依赖精密仪器

“高分子物理实验”除了溶解分级实验、定性鉴别实验等少数实验外，大部分实验依赖于精密仪器设备，特别是大型贵重仪器。贵重仪器设备普遍价格昂贵，高等院校配备台套数少。“高分子物理实验”教学以贵重仪器为载体，却困于仪器设备的台套数限制，以教师讲述、学生代表操作为主，剩余学生不能真正上手操作，学生参与度低，学习效果欠佳。

（二）课程设计局限

“高分子物理实验”一般与“高分子物理”相配套，内容涵盖高分子物理的所有核心知识点。内容包括聚合物的溶液性质、聚合物的结构分析、聚合物的力学性能、聚合物的流变特性、聚合物的热性能和电学性能及综合设计实验，以上各类性能的实验教学均依靠对应的贵重仪器。但并非所有高等院校的高分子学科都配足相关仪器，课程开设仅限于已有的贵重仪器。课程设计局限，难以系统性、综合性地培养学生必须掌握的高分子物理实验知识。

（三）教学中断或教学结果不准确

由于贵重仪器在服务教学的同时，还需服务科研、服务社会，充分发挥其使用价值。设备使用就会存在损坏和老旧的现象。实验教学也可能因为误操作使实验设备突发故障而停止工作，实验仪器维护不能实时同步，直接影响了实验教学的开展。另外，仪器设备有其使用寿命，设备老旧，不能夠及时地更新换代，获取数据不准确，重复性差，影响实验结果的判断，亦不利于实验教学的顺利开展。

二、工程教育专业认证背景下“高分子物理实验”虚拟仿真教学模式建设

在工程教育专业认证的毕业要求中，要求学生熟练使用现代工具，熟练掌握高分子材料与工程领域常用的现代仪器、信息技术工具、工程工具和模拟软件的使用原理和方法，能针对高分子材料与工程领域的复杂工程问题，开发、选择与使用恰当的技术、资源、现代工程工具和信息技术工具，并能够理解其局限性。现有传统教学模式存在的主要问题极大地限制了“高分子物理实验”课程对这一毕业要求的支撑，必须进行教学改革。

除此之外，在工程教育专业认证的毕业要求中，要求学生能够基于高分子科学原理并用材料科学方法对高分子材料的合成、结构、性能等复杂工程问题进行研究，能够设计研究内容，选择研究路线，确立研究方法和具体的研究方案，分析与解释数据，并通过信息综合得到有效的结论，需要培养学生的动手操作能力、创新思维、创新能力和综合分析能力。因此，实际操作的高分子物理实验必须要通过课程体系、教学内容、教学方法和教学过程的改革与实践来实现这一要求。同时，新冠肺炎疫情的暴发此起彼伏，对教育体系带来严重影响。教育部应对疫情提出指导意见，要求各高校充分利用线上教学资源，积极开展线上教学活动。在工程教育专业认证背景下，“高分子物理实验”线上虚拟仿真教学模式的实践和探索势在必行，刻不容缓。

虚拟仿真意同虚拟现实，简称VR或灵境技术，是用一个系统模仿另一个真实系统的技术。为了不断加强高等教育实验教学优质资源建设与应用，2017年教育部办公厅发布了《关于2017—2020年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知》，以现代信息技术为依托，将实验难度较大、实验成本较高、危险因素较多、环境污染严重等实验项目进行改革，使学生对于知识的掌握和实验操作的能力得到较大提升，也大大提高了实验教学的质量[5，6]。

（一）“高分子物理实验”虚拟仿真教学模式建设的内容

1.实验项目确定。按照工程教育专业认证的标准，高分子材料与工程专业的设置、课程的设置旨为培养能够在高分子材料化工、汽车、电子等领域从事科学研究、技术开发服务、质量管理与企业运营等方面工作的高级工程技术人才。根据该主旨，“高分子物理实验”课程特制定其实验教学大纲，确定实验学时、课程目标、教学环节、实验项目、目标评价等内容。“高分子物理实验”课程包含40学时，一个教学实验对应4学时，共开设10个教学实验，包括热重分析法检测聚合物的热稳定性、差示扫描量热法测定聚合物的转变温度、红外光谱测定聚合物结构、紫外光谱测定聚合物组成、光散射仪测定材料粒度、凝胶渗透色谱法测定聚合物的分子量和分子量分布、偏光显微镜观察聚合物形态、聚合物材料疲劳试验、聚合物拉伸等机械性能评价和粘度法测定聚合物分子量。

2.实验内容编制。针对上述实验项目，编制虚拟仿真实验教学内容。由于每一项实验均包含实验目的、实验原理、实验设备及物品、实验步骤、注意事项、实验数据记录和处理、思考题等，具有高度的相似性。因此，选取热重分析法检测聚合物的热稳定性为代表性实验，开展“高分子物理实验”虚拟仿真教学模式建设。

首先是素材收集、教学设计等前期准备工作。对开展实验的实地环境、实验物品、仪器设备、实验操作过程、数据处理过程等进行详细记录，收集实际操作实验的教学大纲和教学讲义等数据。

其次是3D建模。根据前期准备工作收集的数据，进行模型建立、材质贴图、布置灯光和烘焙场景等工作，设计虚拟仪器，建立虚拟实验环境。

最后是交互设置。通过导入模型和交互设计，最终发布虚拟仿真实验运行软件。建设的仿真实验课程，涵盖实验学时、课程目标、教学环节、实验项目、目标评价、实验指导、在线演示、实验指导书下载、开始实验和教学评价等模块。

3.仿真课程软件线上运行。仿真课程分学生登录和教师登录两个端口。每位学生可对实验简介等各个模块进行点开学习，熟悉实验相关的教辅材料。同时，学生通过软件可对实验的整体环境和所用仪器的原理、结构建立起直观的认识。仪器的关键部位可拆解，在调整中可以实时观察仪器各种指标和内部结构动作的变化，增强对仪器原理的理解、对功能和使用方法的训练。在具体实验中仪器实现了模块化、学生在理解教学思想的基础上可对仪器上的各种图标、各种程序设置进行尝试学习，用不同的方法完成同一实验目标，培养学生的设计思考能力，并且通过对不同实验方法的优劣和误差大小的比较，提高学生的判断能力和实验技术水平。这种线上课程不仅摆脱了对贵重仪器的依赖，极大地提高了学生的参与度，而且克服了实际实验中出现的盲目操作导致的仪器损害，大大提高了实验教学的质量和水平。教师登录后，可对实验学时、课程目标、教学环节、实验项目、目标评价、实验指导等内容进行编写和更新。通过在线演示和开始实验等模块，对虚拟课程进行演练，确保实验过程各项内容无误。通过虚拟课程，可在线追踪学生的实验过程，掌握教学情况，对学生提交的实验报告线上评阅，实现无纸化教学，最终对实验进行教学评价并持续改进。

4.借助虚拟仿真平台完成课程目标达成情况评价机制。按照工程教育专业认证标准，课程是支持本科毕业要求达成和能力培养的基本教学单元。课程目标的达成情况决定了相应毕业要求的达成情况。教师制定（修订）课程教学大纲，课程考核结束后，依据教学大纲和考核结果对课程目标达成度进行评价与分析。为了充分发挥虚拟仿真实验教学在工程教育专业认证背景下的优势，“高分子物理实验”评价考核数据的收集来源于线上课程内容。从课前、课中、课后全过程全方位地收集考核材料，形成评价的原始资料，然后依据数据内容和评分标准给出全过程评价。考核材料包括预习方案、实验操作、实验报告、客观题测试等。

三、“高分子物理实验”虚拟仿真教学模式建设的亮点

1.具备一器多用的特点，全面收集高分子物理实验素材，建立对应的虚拟仿真实验，使得“高分子物理实验”课程设计更加丰富灵活;同时，全面培养了学生熟练使用现代工具的能力。

2.擺脱了对贵重仪器的过度依赖，降低了仪器设备的损耗率，保障实验教学顺利开展，解决了高校实验室普遍存在的仪器设备不足、损坏率过高、设备老旧等问题。

3.虚拟仿真实验教学通过形象化描述抽象内容，学生可自主上机操作，提高学生参与度，提升教学的直观性，提高学习效果，培养学生的自主创新能力。

4.虚拟仿真实验教学依托虚拟现实、人机交互和网络通信等技术，使学生在高度仿真的虚拟环境中开展实验，降低实验教学中的危险程度，使学生参与实验的同时保证其安全。

5.虚拟仿真实验教学能促进先进的技术和内容尽快投入实验教学，提高教师的教学水平。

6.虚拟仿真实验教学能追踪预习过程，记录学生的实验过程，并实时记录实验数据，翔实完成实验报告，记录客观题准确率，完成课程目标达成情况评价机制。

结语

本文采用虚拟仿真的实验方案来解决“高分子物理实验”教学过程中存在的突出问题，借助于多媒体、仿真和虚拟现实等技术，在线上对传统“高分子物理实验”各操作环节进行模拟和仿真，并将工程教育专业认证的标准和要求融入仿真教学。该方案既解决了贵重仪器对实验教学的束缚，又可以让学生在这一虚拟环境中自行设计实验方案、拟定实验参数、操作仪器、模拟真实的实验过程，深入理解高分子物理知识。同时便于任课教师跟踪教学过程，掌握教学情况，顺利地完成课程目标达成情况的评价，并持续改进。工程教育专业认证背景下“高分子物理实验”虚拟仿真教学模式建设是高分子学科实验教学的改革和实践，为大面积开展在线虚拟教学提供了一种可行方案，可广泛应用于专业教学和开放性教学。

参考文献

[1]周燕.虚拟仿真技术在大学物理实验教学中的应用[J].合肥工业大学学报（社会科学版），2008（5）：106-109.

[2]王国程，肖汉文.高分子物理[M].1版.北京：化学工业出版社，2017.

[3]闫红强，程捷，金玉顺.高分子物理[M].1版.北京：化学工业出版社，2018.

[4]蒋宗礼.本科工程教育：聚焦学生解决复杂工程问题能力的培养[J].中国大学教学，2016（11）：27-30.

[5]李彩霞，张潇潇，郜玉金.重构与再造：虚拟现实技术在现代广告中的应用[J].中国报业，2017（8）：16-17.

[6]殷俊，柳青.VR视频广告的特色传播方式[J].新媒体传播，2016（7）：58-60.

Construction Practice of Virtual Simulation Teaching Mode of “Polymer Physics Experiment”

LI Gui-fei

（School of Materials Science and Engineering， Shanghai University， Shanghai 200444， China）

Abstract： Polymer Physics Experiment is a required course for students majoring in polymer materials and engineering to comprehensively learn the characterization of polymer materials. However， there are many problems in the actual learning， such as over-reliance on precision instruments， limited course design and teaching interruption， which seriously affect the teaching quality of the course. At the same time， according to the standards of engineering education professional certification and the development of education and teaching reform， the teaching of Polymer Physics Experiment should keep pace with the times， especially during the epidemic period when “suspension of school” and “online teaching” promote the teaching reform of Polymer Physics Experiment. Through the construction of virtual simulation teaching mode of Polymer Physics Experiment， the main problems of practical operation teaching are solved， the new requirements of engineering education certification are integrated， and the integration of experimental teaching and information technology is promoted to adapt to the national conditions， education and teaching reform.

Key words： Polymer Physics Experiment; engineering education professional certification; virtual simulation experiment; reform of teaching mode

[基金項目] 2021年度教育部高等教育司第一批产学合作协同育人项目“高分子物理实验虚拟仿真教学模式建设”（202101003022）

[作者简介] 李贵飞（1986—），女，山东临沂人，上海大学材料科学与工程学院实验师，主要从事高分子材料性能与表征研究。