“高分子物理實驗”虛擬仿真教學模式建設(shè)實踐

1、PAGE PAGE - 10 -“高分子物理實驗”虛擬仿真教學模式建設(shè)實踐摘要“高分子物理實驗”是工科高分子材料與工程專業(yè)學生全面學習高分子材料表征的一門必修課，但是在實際學習中普遍存在過度依賴精密儀器、課程設(shè)計受限、教學中斷等問題，嚴重影響課程教學質(zhì)量。同時，依據(jù)工程教育專業(yè)認證的標準、教育教學改革的發(fā)展，“高分子物理實驗”教學也應(yīng)與時俱進，特別是新冠肺炎疫情期間，“停課不停學”“在線教學”促進了“高分子物理實驗”的教學改革。通過“高分子物理實驗”虛擬仿真教學模式建設(shè)，解決了實操教學的主要問題，融入了工程教育專業(yè)認證的新要求，也促進了實驗教學與信息化的融合，適應(yīng)國情與教育教學改革。關(guān)鍵詞高分

2、子物理實驗;工程教育專業(yè)認證;虛擬仿真實驗;教學模式改革中圖分類號G642文獻標識碼A文章編號1674-9324（2022）13-0042-04收稿日期2022-01-26引言教學是高等學校培養(yǎng)人才的主要渠道，優(yōu)秀人才應(yīng)是知識、素質(zhì)、能力的融合體。對學生來講，實驗課是獨立實踐的舞臺，可以獨立地構(gòu)建知識;對教師來講，實驗教學是一種以“案例教學”為課程組織特征的教學形態(tài)1，是對學生的實踐能力、創(chuàng)新思維進行訓練和培養(yǎng)的有效途徑?！案叻肿游锢韺嶒灐笔且婚T匹配于工科高分子材料與工程專業(yè)必修課程“高分子物理”的實驗操作課程，是高分子學科學生全面學習高分子材料表征的一門必修課程，也可為材料科學與工程、應(yīng)用化

3、學、材料化學、化學工程與工藝等專業(yè)的學生提供參考2?！案叻肿游锢韺嶒灐睆娬{(diào)操作性和實踐性，通過實驗的操作和實驗現(xiàn)象的觀察加深對高分子物理概念和原理的理解。在實驗教學中，結(jié)合生活、科研和企業(yè)實際應(yīng)用需求，涉及聚合物的溶液性質(zhì)、聚合物的結(jié)構(gòu)分析、聚合物的力學性能、聚合物的流變特性、聚合物的熱性能、電學性能，以及一些聚合物鑒別和分離剖析等綜合設(shè)計實驗，開發(fā)學生的創(chuàng)新和綜合應(yīng)用思維及意識，是培養(yǎng)學生綜合實驗?zāi)芰Φ闹匾h(huán)節(jié)3。工程教育是我國高等教育的重要組成部分，在高等教育體系中“三分天下有其一”。工程教育專業(yè)認證的核心就是要確認工科專業(yè)畢業(yè)生達到行業(yè)認可的既定質(zhì)量標準要求，是一種以培養(yǎng)目標和畢業(yè)出口要

4、求為導向的合格性評價。其要求專業(yè)課程體系設(shè)置、師資隊伍配備、辦學條件配置等都圍繞學生畢業(yè)能力達成這一核心任務(wù)展開，并強調(diào)建立專業(yè)持續(xù)改進機制和文化以保證專業(yè)教育質(zhì)量和專業(yè)教育活力4。高分子材料與工程是工科專業(yè)，各高校專業(yè)課程體系改革積極向工程教育專業(yè)認證標準靠攏，隨著教育教學改革和信息化技術(shù)的發(fā)展，“高分子物理實驗”課程的教學模式、教學內(nèi)容、教學方法等方面也應(yīng)與時俱進，特別是疫情期間，“停課不停學”“在線教學”也促進了“高分子物理實驗”的教學改革。以虛擬仿真實驗為代表的在線實驗項目和開放課程發(fā)展迅猛，“高分子物理實驗”課程也需要跟上時代的步伐，開展教學改革與實踐。一、“高分子物理實驗”傳統(tǒng)教學

5、模式存在的主要問題（一）過度依賴精密儀器“高分子物理實驗”除了溶解分級實驗、定性鑒別實驗等少數(shù)實驗外，大部分實驗依賴于精密儀器設(shè)備，特別是大型貴重儀器。貴重儀器設(shè)備普遍價格昂貴，高等院校配備臺套數(shù)少?！案叻肿游锢韺嶒灐苯虒W以貴重儀器為載體，卻困于儀器設(shè)備的臺套數(shù)限制，以教師講述、學生代表操作為主，剩余學生不能真正上手操作，學生參與度低，學習效果欠佳。（二）課程設(shè)計局限“高分子物理實驗”一般與“高分子物理”相配套，內(nèi)容涵蓋高分子物理的所有核心知識點。內(nèi)容包括聚合物的溶液性質(zhì)、聚合物的結(jié)構(gòu)分析、聚合物的力學性能、聚合物的流變特性、聚合物的熱性能和電學性能及綜合設(shè)計實驗，以上各類性能的實驗教學均依靠

6、對應(yīng)的貴重儀器。但并非所有高等院校的高分子學科都配足相關(guān)儀器，課程開設(shè)僅限于已有的貴重儀器。課程設(shè)計局限，難以系統(tǒng)性、綜合性地培養(yǎng)學生必須掌握的高分子物理實驗知識。（三）教學中斷或教學結(jié)果不準確由于貴重儀器在服務(wù)教學的同時，還需服務(wù)科研、服務(wù)社會，充分發(fā)揮其使用價值。設(shè)備使用就會存在損壞和老舊的現(xiàn)象。實驗教學也可能因為誤操作使實驗設(shè)備突發(fā)故障而停止工作，實驗儀器維護不能實時同步，直接影響了實驗教學的開展。另外，儀器設(shè)備有其使用壽命，設(shè)備老舊，不能夠及時地更新?lián)Q代，獲取數(shù)據(jù)不準確，重復(fù)性差，影響實驗結(jié)果的判斷，亦不利于實驗教學的順利開展。二、工程教育專業(yè)認證背景下“高分子物理實驗”虛擬仿真教學模

7、式建設(shè)在工程教育專業(yè)認證的畢業(yè)要求中，要求學生熟練使用現(xiàn)代工具，熟練掌握高分子材料與工程領(lǐng)域常用的現(xiàn)代儀器、信息技術(shù)工具、工程工具和模擬軟件的使用原理和方法，能針對高分子材料與工程領(lǐng)域的復(fù)雜工程問題，開發(fā)、選擇與使用恰當?shù)募夹g(shù)、資源、現(xiàn)代工程工具和信息技術(shù)工具，并能夠理解其局限性?，F(xiàn)有傳統(tǒng)教學模式存在的主要問題極大地限制了“高分子物理實驗”課程對這一畢業(yè)要求的支撐，必須進行教學改革。除此之外，在工程教育專業(yè)認證的畢業(yè)要求中，要求學生能夠基于高分子科學原理并用材料科學方法對高分子材料的合成、結(jié)構(gòu)、性能等復(fù)雜工程問題進行研究，能夠設(shè)計研究內(nèi)容，選擇研究路線，確立研究方法和具體的研究方案，分析與解釋

8、數(shù)據(jù)，并通過信息綜合得到有效的結(jié)論，需要培養(yǎng)學生的動手操作能力、創(chuàng)新思維、創(chuàng)新能力和綜合分析能力。因此，實際操作的高分子物理實驗必須要通過課程體系、教學內(nèi)容、教學方法和教學過程的改革與實踐來實現(xiàn)這一要求。同時，新冠肺炎疫情的暴發(fā)此起彼伏，對教育體系帶來嚴重影響。教育部應(yīng)對疫情提出指導意見，要求各高校充分利用線上教學資源，積極開展線上教學活動。在工程教育專業(yè)認證背景下，“高分子物理實驗”線上虛擬仿真教學模式的實踐和探索勢在必行，刻不容緩。虛擬仿真意同虛擬現(xiàn)實，簡稱VR或靈境技術(shù)，是用一個系統(tǒng)模仿另一個真實系統(tǒng)的技術(shù)。為了不斷加強高等教育實驗教學優(yōu)質(zhì)資源建設(shè)與應(yīng)用，2022年教育部辦公廳發(fā)布了關(guān)于

9、20222022年開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設(shè)的通知，以現(xiàn)代信息技術(shù)為依托，將實驗難度較大、實驗成本較高、危險因素較多、環(huán)境污染嚴重等實驗項目進行改革，使學生對于知識的掌握和實驗操作的能力得到較大提升，也大大提高了實驗教學的質(zhì)量5，6。（一）“高分子物理實驗”虛擬仿真教學模式建設(shè)的內(nèi)容1.實驗項目確定。按照工程教育專業(yè)認證的標準，高分子材料與工程專業(yè)的設(shè)置、課程的設(shè)置旨為培養(yǎng)能夠在高分子材料化工、汽車、電子等領(lǐng)域從事科學研究、技術(shù)開發(fā)服務(wù)、質(zhì)量管理與企業(yè)運營等方面工作的高級工程技術(shù)人才。根據(jù)該主旨，“高分子物理實驗”課程特制定其實驗教學大綱，確定實驗學時、課程目標、教學環(huán)節(jié)、實驗項目、目

10、標評價等內(nèi)容?！案叻肿游锢韺嶒灐闭n程包含40學時，一個教學實驗對應(yīng)4學時，共開設(shè)10個教學實驗，包括熱重分析法檢測聚合物的熱穩(wěn)定性、差示掃描量熱法測定聚合物的轉(zhuǎn)變溫度、紅外光譜測定聚合物結(jié)構(gòu)、紫外光譜測定聚合物組成、光散射儀測定材料粒度、凝膠滲透色譜法測定聚合物的分子量和分子量分布、偏光顯微鏡觀察聚合物形態(tài)、聚合物材料疲勞試驗、聚合物拉伸等機械性能評價和粘度法測定聚合物分子量。2.實驗內(nèi)容編制。針對上述實驗項目，編制虛擬仿真實驗教學內(nèi)容。由于每一項實驗均包含實驗?zāi)康?、實驗原理、實驗設(shè)備及物品、實驗步驟、注意事項、實驗數(shù)據(jù)記錄和處理、思考題等，具有高度的相似性。因此，選取熱重分析法檢測聚合物的熱

11、穩(wěn)定性為代表性實驗，開展“高分子物理實驗”虛擬仿真教學模式建設(shè)。首先是素材收集、教學設(shè)計等前期準備工作。對開展實驗的實地環(huán)境、實驗物品、儀器設(shè)備、實驗操作過程、數(shù)據(jù)處理過程等進行詳細記錄，收集實際操作實驗的教學大綱和教學講義等數(shù)據(jù)。其次是3D建模。根據(jù)前期準備工作收集的數(shù)據(jù)，進行模型建立、材質(zhì)貼圖、布置燈光和烘焙場景等工作，設(shè)計虛擬儀器，建立虛擬實驗環(huán)境。最后是交互設(shè)置。通過導入模型和交互設(shè)計，最終發(fā)布虛擬仿真實驗運行軟件。建設(shè)的仿真實驗課程，涵蓋實驗學時、課程目標、教學環(huán)節(jié)、實驗項目、目標評價、實驗指導、在線演示、實驗指導書下載、開始實驗和教學評價等模塊。3.仿真課程軟件線上運行。仿真課程分

12、學生登錄和教師登錄兩個端口。每位學生可對實驗簡介等各個模塊進行點開學習，熟悉實驗相關(guān)的教輔材料。同時，學生通過軟件可對實驗的整體環(huán)境和所用儀器的原理、結(jié)構(gòu)建立起直觀的認識。儀器的關(guān)鍵部位可拆解，在調(diào)整中可以實時觀察儀器各種指標和內(nèi)部結(jié)構(gòu)動作的變化，增強對儀器原理的理解、對功能和使用方法的訓練。在具體實驗中儀器實現(xiàn)了模塊化、學生在理解教學思想的基礎(chǔ)上可對儀器上的各種圖標、各種程序設(shè)置進行嘗試學習，用不同的方法完成同一實驗?zāi)繕?，培養(yǎng)學生的設(shè)計思考能力，并且通過對不同實驗方法的優(yōu)劣和誤差大小的比較，提高學生的判斷能力和實驗技術(shù)水平。這種線上課程不僅擺脫了對貴重儀器的依賴，極大地提高了學生的參與度，而

13、且克服了實際實驗中出現(xiàn)的盲目操作導致的儀器損害，大大提高了實驗教學的質(zhì)量和水平。教師登錄后，可對實驗學時、課程目標、教學環(huán)節(jié)、實驗項目、目標評價、實驗指導等內(nèi)容進行編寫和更新。通過在線演示和開始實驗等模塊，對虛擬課程進行演練，確保實驗過程各項內(nèi)容無誤。通過虛擬課程，可在線追蹤學生的實驗過程，掌握教學情況，對學生提交的實驗報告線上評閱，實現(xiàn)無紙化教學，最終對實驗進行教學評價并持續(xù)改進。4.借助虛擬仿真平臺完成課程目標達成情況評價機制。按照工程教育專業(yè)認證標準，課程是支持本科畢業(yè)要求達成和能力培養(yǎng)的基本教學單元。課程目標的達成情況決定了相應(yīng)畢業(yè)要求的達成情況。教師制定（修訂）課程教學大綱，課程考核

14、結(jié)束后，依據(jù)教學大綱和考核結(jié)果對課程目標達成度進行評價與分析。為了充分發(fā)揮虛擬仿真實驗教學在工程教育專業(yè)認證背景下的優(yōu)勢，“高分子物理實驗”評價考核數(shù)據(jù)的收集來源于線上課程內(nèi)容。從課前、課中、課后全過程全方位地收集考核材料，形成評價的原始資料，然后依據(jù)數(shù)據(jù)內(nèi)容和評分標準給出全過程評價?？己瞬牧习A(yù)習方案、實驗操作、實驗報告、客觀題測試等。三、“高分子物理實驗”虛擬仿真教學模式建設(shè)的亮點1.具備一器多用的特點，全面收集高分子物理實驗素材，建立對應(yīng)的虛擬仿真實驗，使得“高分子物理實驗”課程設(shè)計更加豐富靈活;同時，全面培養(yǎng)了學生熟練使用現(xiàn)代工具的能力。2.擺脫了對貴重儀器的過度依賴，降低了儀器設(shè)備

15、的損耗率，保障實驗教學順利開展，解決了高校實驗室普遍存在的儀器設(shè)備不足、損壞率過高、設(shè)備老舊等問題。3.虛擬仿真實驗教學通過形象化描述抽象內(nèi)容，學生可自主上機操作，提高學生參與度，提升教學的直觀性，提高學習效果，培養(yǎng)學生的自主創(chuàng)新能力。4.虛擬仿真實驗教學依托虛擬現(xiàn)實、人機交互和網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)，使學生在高度仿真的虛擬環(huán)境中開展實驗，降低實驗教學中的危險程度，使學生參與實驗的同時保證其安全。5.虛擬仿真實驗教學能促進先進的技術(shù)和內(nèi)容盡快投入實驗教學，提高教師的教學水平。6.虛擬仿真實驗教學能追蹤預(yù)習過程，記錄學生的實驗過程，并實時記錄實驗數(shù)據(jù)，翔實完成實驗報告，記錄客觀題準確率，完成課程目標達成

16、情況評價機制。結(jié)語本文采用虛擬仿真的實驗方案來解決“高分子物理實驗”教學過程中存在的突出問題，借助于多媒體、仿真和虛擬現(xiàn)實等技術(shù)，在線上對傳統(tǒng)“高分子物理實驗”各操作環(huán)節(jié)進行模擬和仿真，并將工程教育專業(yè)認證的標準和要求融入仿真教學。該方案既解決了貴重儀器對實驗教學的束縛，又可以讓學生在這一虛擬環(huán)境中自行設(shè)計實驗方案、擬定實驗參數(shù)、操作儀器、模擬真實的實驗過程，深入理解高分子物理知識。同時便于任課教師跟蹤教學過程，掌握教學情況，順利地完成課程目標達成情況的評價，并持續(xù)改進。工程教育專業(yè)認證背景下“高分子物理實驗”虛擬仿真教學模式建設(shè)是高分子學科實驗教學的改革和實踐，為大面積開展在線虛擬教學提供了

17、一種可行方案，可廣泛應(yīng)用于專業(yè)教學和開放性教學。參考文獻1周燕.虛擬仿真技術(shù)在大學物理實驗教學中的應(yīng)用J.合肥工業(yè)大學學報（社會科學版），2022（5）：106-109.2王國程，肖漢文.高分子物理M.1版.北京：化學工業(yè)出版社，2022.3閆紅強，程捷，金玉順.高分子物理M.1版.北京：化學工業(yè)出版社，2022.4蔣宗禮.本科工程教育：聚焦學生解決復(fù)雜工程問題能力的培養(yǎng)J.中國大學教學，2022（11）：27-30.5李彩霞，張瀟瀟，郜玉金.重構(gòu)與再造：虛擬現(xiàn)實技術(shù)在現(xiàn)代廣告中的應(yīng)用J.中國報業(yè)，2022（8）：16-17.6殷俊，柳青.VR視頻廣告的特色傳播方式J.新媒體傳播，2022（7

18、）：58-60.ConstructionPracticeofVirtualSimulationTeachingModeof“PolymerPhysicsExperiment”LIGui-fei（SchoolofMaterialsScienceandEngineering，ShanghaiUniversity，Shanghai202244，China）Abstract：PolymerPhysicsExperimentisarequiredcourseforstudentsmajoringinpolymermaterialsandengineeringtocomprehensivelylearnt

19、hecharacterizationofpolymermaterials.However，therearemanyproblemsintheactuallearning，suchasover-relianceonprecisioninstruments，limitedcoursedesignandteachinginterruption，whichseriouslyaffecttheteachingqualityofthecourse.Atthesametime，accordingtothestandardsofengineeringeducationprofessionalcertificationandthedevelopmentofeducationandteachingreform，theteachingofPolymerPhysicsExperimentshouldkeeppacewiththetimes，especiallyduringtheepidemicperiodwhen“suspensionofscho