大學化學虛擬仿真實驗教學建設
——以水性聚氨酯聚合及超臨界連續發泡虛擬仿真實驗為例

滕鑫，唐頌超，楊曉玲，莊啟昕

華東理工大學材料科學與工程學院，材料類國家級實驗教學示范中心，上海 200237

1 前言

1.1 研究背景

聚氨酯材料在當下被廣泛應用于家居、建筑、日用品、交通及家電等領域。其中水性聚氨酯更是由于其優異的輕量化、更低的導熱系數、更高的強重比以及降噪緩震等特性，廣泛應用于各個行業。聚合及超臨界連續發泡更是材料學科中研究較深的經典內容，也是材料類專業本科生必須要掌握的專業基礎知識，相關研究對接國家新材料重大發展戰略需求。對于材料類專業本科生而言，水性聚氨酯聚合及超臨界連續發泡實驗由于其本身高實踐性的特點，能夠加深學生對聚合物合成以及成型加工原理的了解認識，同時培養學生的實踐操作與判斷聚氨酯配方合理性的創新能力。目前各大高校受限于各種特殊情況的發生，依托傳統實驗室實踐的教學方式已無法滿足師生的真實需求。同時，該實驗所需條件嚴苛，聚合實驗材料有毒性危險，操作不當容易造成傷亡事故。且實驗溶劑不易回收、實驗成本高。此外，水性聚氨酯的制備過程時間跨度長，尤其在后期的成型發泡過程中，各組分微小的變化都會得到不同狀態的產品，需要的時間、藥品的量非常龐大，實驗門檻較高。因此，如何將人工智能、互聯網、虛擬仿真等技術運用于此課程的實驗教學，滿足線上教學的需求，同時突破現實實驗條件限制，高效安全地開展實驗教學，切實提升學生實踐水平，是當前高校實驗教學普遍面臨的挑戰。

1.2 虛擬仿真實驗的優勢

虛擬仿真實驗通過對實驗設備及材料進行模擬仿真，學生在電腦端或移動端通過互聯網登錄系統，在高度逼真的環境下對各種虛擬儀器、虛擬元器件進行人機交互操作[1]。同時，系統能實現實驗資料的提供、實驗考核的實現、實驗報告的提交、實驗結果的批改和實驗指導、答疑與交流等管理功能。與傳統實驗方式相比，虛擬仿真實驗教學過程更加靈活，設備配置大多僅在電腦端或移動數據端即可實現，旨在能夠讓學生在安全的環境下更加具有自主性地進行課外拓展試驗[2]，對采用線上授課方式的學生具有很大優勢，并且更加能夠幫助學生實現設計能力的自我提升[3]。因此，虛擬仿真實驗通過為學生提供沉浸式較強的虛擬環境，依托人機交互技術提升學生的積極性和創造性，為解決傳統實驗存在的弊端、完善實驗教學體系、專業教學改革提供了新方法、新思路。目前國內許多高校都建立了虛擬仿真實驗室，例如北京大學依據光學位置追蹤系統構建的沉浸式虛擬現實展示交互實驗室、清華大學材料快速成型技術方面的虛擬仿真實驗室、北京化工大學化工安全與裝備虛擬仿真實驗教學中心等，都已實現了虛實結合，切實提高實踐教學效果的目的。

2 水性聚氨酯聚合及超臨界連續發泡虛擬仿真實驗教學構建

2.1 實驗教學目的

為突破水性聚氨酯制備過程實驗條件嚴苛、時間跨度長、場地面積要求大、部分高危化學品操作不當易造成傷亡事故等實體實驗教學的瓶頸，推動教育信息化改革，華東理工大學材料類國家級實驗教學示范中心實驗教學團隊開發了一套具有自主知識產權的適合本科實驗教學的虛擬仿真實驗教學系統《水性聚氨酯聚合及超臨界連續發泡虛擬仿真實驗》(軟著登字第5972290)。虛擬仿真實驗項目的構建，一方面應用新型信息技術安全有效地開展實驗教學，另一方面也是材料學院實驗教學改革和發展的一次探索。本仿真實驗項目運用其他高分子材料對水性聚氨酯進行改性提高綜合性能。利用現有的丙烯酸樹脂、環氧樹脂、有機硅等材料對其改性的研究，可以短時間讓本專業學生對如何提升聚氨酯這類產品的力學性能有初步的理解[4]。將最新科研成果融入教學，拓展學生視野，深化實驗內容，極大地提高了學生對材料學科的興趣。該平臺可有效節約教學成本，提高學生學習效率，改善實驗教學質量，提高其綜合實驗能力。

本仿真實驗項目的目的主要包括以下方面：通過實驗使學生了解聚氨酯的制備步驟以及實驗操作步驟；嘗試各種配方設計，擺脫實際實驗條件限制，加深理解各組分的作用；為學有余力的學生提供反復操作、提升的平臺，深刻理解聚氨酯泡沫的制備原理及各原料配方對泡沫性能的影響；了解水性聚氨酯成膜原理及實驗過程中脫膜的操作；了解聚氨酯發泡工程化過程，了解不同配方的發泡過程在模具內部的變化；結合思想政治教育目標，激發學習研究興趣、擴展視野、培養創新精神，彰顯勤奮求實、教書育人意義；為社會相關材料類企業人員免費提供專業化的虛擬仿真實驗平臺，對接好學校與企業之間的人才通道。

2.2 仿真實驗教學環境搭建

在本項目中，虛擬仿真實驗的進行以教學管理平臺為支撐，通過構建教學管理平臺并將其數據接口與仿真實驗內容進行對接，使得用戶得以通過如電腦、手機等終端來對項目進行查閱與操作[5]。同時，教學管理平臺設置了較為人性化的智能操作引導，以及在用戶進行虛擬仿真實驗過后自動評估分析與檢測的自動批改模塊，旨在能夠讓用戶在任何時間進行自主的虛擬仿真實驗，提升本項目的開放式服務體驗。為保障平臺能夠擁有較為優秀的交互性與拓展性，本項目教學管理平臺的構建共分為五層，分別是數據層、支撐層、服務層、仿真層以及應用層[6]。系統架構如圖1所示。

圖1 系統架構圖

2.3 仿真實驗教學內容

本實驗分為制備無水丙酮、制備聚氨酯、聚氨酯乳化、聚氨酯成膜、聚氨酯發泡五個模塊進行。在構建虛擬仿真教學實驗內容過程中采用了Unity3D、3D Studio Max、Visual Studio等相關工具及軟件進行開發，以達到在虛擬仿真實驗過程中模擬真實實驗原理的效果，實驗項目架構如圖2所示。

圖2 實驗項目架構

實驗的核心要素包括五個部分，第一部分是了解水性聚氨酯制備原理，以及對于其制備方法的選擇[7]。第二部分是熟練操作該程序并用于實際配方設計。第三部分是深刻理解聚氨酯泡沫的制備原理，并掌握各制備材料對聚氨酯泡沫性能的影響[8]。第四部分為了解水性聚氨酯成膜原理及各參數對成膜過程的影響。成膜原理可分為三個階段，第一階段聚合物乳液水分蒸發，同時乳液粒子緊密堆積，使得乳液粒子的空隙被填充；第二階段經過水分蒸發導致聚合物乳液粒子保護層逐漸被破壞，并導致粒子變形，同時粒子間界面消失；第三階段乳液粒子中聚合物靠近同時鏈端相互擴散，線團結構得以融合并產生連續的聚合物涂層[9]。第五部分為了解聚氨酯產品發泡生產的工程化過程。

2.4 系統設計與實驗學習過程

在仿真平臺上，虛擬仿真實驗教學一共設置了4個系統，包括：視頻預習演示、學習、習題考核和實驗報告。其中視頻預習系統類似于實驗教材，有實驗目的、原理、操作步驟、注意事項等。首先讓學生通過實驗全過程的教學錄像來對實驗步驟有初步的了解與認知；其后通過仿真平臺的學習系統，在例如文字指引、語音指引等智能化引導的幫助下，對學生的虛擬仿真實驗操作進行引導；習題考核系統為無任何提示地進行主觀題目解答[10]，答題結束后系統根據答題關鍵字對照預設答案自動給出分數；最后通過報告系統來將虛擬仿真實驗的過程、目的、結果以及對結果數據的分析與評估進行歸納整理最終出具實驗報告以供教師進行評閱[11]。實驗學習過程如圖3、4所示。

圖3 實驗學習過程

圖4 實驗學習過程演示

3 虛擬仿真實驗教學考核及實施成效

3.1 教學考核標準

本仿真實驗項目中課程考核遵循工程教育認證的基本要求，主要面向高分子材料與工程、材料科學與工程等專業本科三年級學生，兼顧應用化學專業學生和其他從事化工材料生產的社會學習者，前修課程為有機化學、高分子化學、高分子化學實驗[12,13]。課程考核特點是過程評價與結果評價并重，既能反映學生的知識掌握情況，也關注學生的科學探究能力與價值觀等素質[14]。對于學生的學習成果，分別以預計階段、操作階段、實驗的結果、最終出具的實踐報告這四個維度進行綜合評價[15]。具體實驗課程評價體系、考核要求、評分細則和比例見圖5、6。

圖5 實驗課程評價體系

3.2 教學實施成效

本仿真實驗項目于2021年10月在國家虛擬仿真實驗教學課程共享平臺(https://www.ilab-x.com/)正式上線，基于虛擬仿真實驗平臺進行的學習需要4學時，第1學時學習水性聚氨酯乳液的制備過程，第2學時學習水性聚氨酯乳化過程，第3學時學習水性聚氨酯成膜的過程，第4學時學習聚氨酯泡沫塑料發泡過程，掌握聚氨酯系列實驗。在整個過程中，學生在操作提示下進行操作。實驗過程中如果遇到困難無法進行下去，可以點擊提示按鈕，由系統進行點亮處理并引導學生進行正確的操作步驟。學生必須正確完成前一步操作，才能進行后一步驟的實驗操作。值得一提的是，實驗分為相對獨立的五個模塊，學生可以單獨進行各個模塊實驗。實驗結束后，學生需要完成系統給出的五道主觀題目，結合自己的實驗過程及配方，提交答案，同時提交一份實驗報告。截至2023年1月，實驗瀏覽量已達1.4萬余人次，共有5405名學生進行實驗；平均實驗用時24 min，學生中實驗成績達到60分以上的有5513人，占總人數比98.3%。成績達到85分以上的有2907人，占總人數比53.8%。

在完成實驗的學生中，經過描述性統計，其中成績最低者為64分，成績最高者為95分，中位數79分，具體分析結果如表1所示。

表1 描述性統計指標

本次成績統計僅以學生最后一次實驗成績作為納入標準，其中不少同學首次實驗成績均不理想，但經過多次學習并通過虛擬仿真平臺實踐后，最后成功達到優秀。如圖7所示，學生通過反復實踐的結果充分證實了虛擬仿真實驗教學對于學生解決高分子材料領域問題能力提升有幫助作用。

圖7 學生多次實踐記錄

4 結語

以現有傳統實驗教學課程作為基礎，構建虛擬仿真實驗課程并運用其他高分子材料對水性聚氨酯進行改性提高綜合性能。可以將繁瑣的對聚氨酯材料改性方面的知識，融入到虛擬實驗教學當中，讓學生可以在較短時間內通過虛擬仿真實驗來增強對相關知識的理解。實驗內容包括制備無水丙酮、制備聚氨酯、聚氨酯乳化、聚氨酯成膜、聚氨酯發泡，主要面向高分子材料與工程、材料科學與工程等專業本科三年級學生，兼顧應用化學專業學生和其他從事化工材料生產的社會學習者。根據實際使用效果，反映出虛擬仿真實驗教學可以幫助本專業的學生解決專業領域的實際問題，特別是對聚氨酯材料性能改性方面的能力提升有著很強的輔助作用，通過虛擬仿真實驗教學幫助學生拓展視野，通過反復的設計配方來深化實驗內容，學生學習的效率及興趣得到了顯著提高。同時可以有效突破高危化學實驗過程中的種種弊端，滿足線上教學要求，更好地達到實驗教學效果。