新工科背景下高分子材料課程仿真實驗建設

李繼功 賀文杰 何小芳 曹新鑫 張敏

摘??要：隨著社會的發展和科技的進步，新工科教育對高等工程教育提出了新的要求。虛擬仿真實驗具有實驗不受時空限制、節約耗材、安全易行的優點。高分子材料是支撐戰略性新興產業和重大工程不可或缺的物質基礎，將虛擬仿真實驗引入高分子材料課程實驗教學，實現學生自主學習和自主實驗，加深對材料、紡織和服裝等纖維制造相關領域知識的融合理解，提升專業自信和崗位能力，為學生創建一個具有設備認知、原理學習、模擬訓練、實驗操作、數據交互、綜合考核等功能綜合平臺，在教學中收到了良好的效果。

關鍵詞：?新工科??高分子材料??3D?打印??虛擬仿真??實驗建設

中圖分類號：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

虛擬仿真實驗是指依托計算機虛擬現實、多媒體、人機交互等技術，構建虛擬化實驗環境和實驗對象，使學生在虛擬環境中進行課程實驗，達到培養目標所要求的效果。近十幾年來，虛擬仿真在我國各個地區的高等院校實踐實驗中得到了普遍的應用和推廣[1]。2022年10月28日教育部、工業和信息化部、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了虛擬現實與行業應用融合發展行動計劃（2022—2026年）[2]，計劃中明確指出要推動教學模式向自主體驗升級，打造支持自主探究、協作學習的沉浸式新課堂，推進“虛擬仿真實驗教學2.0”，支持建設一批虛擬仿真實驗實訓重點項目。

高分子材料是支撐戰略性新興產業和重大工程不可或缺的物質基礎，服務于國民經濟、社會發展、國防建設和人民生活等領域，是制造業高質量發展的先導和基石。近些年，國家高度重視新材料產業發展，相關部委陸續推出了一系列政策文件。《河南省加快材料產業優勢再造換道領跑行動計劃（2022—2025年）》指出：河南省將根據傳統優勢，培育壯大電子功能材料、高性能纖維材料、新型動力及儲能電池材料、生物醫用材料、節能降碳環保材料5個關鍵戰略材料產業，前瞻布局納米材料、增材制造材料、先進復合材料等前沿新材料產業，其中多個領域均涉及高分子材料，人才需求量巨大。

傳統的“高分子材料”專業課程，實驗操作多消耗藥材大，同時對安全也有一定隱患，同時受限于實驗場地大小，每批次所做實驗學生人數有限，對學生的創新和實踐能力培養造成了一定障礙，在新工科人才培養的背景下，不利于培養新時代新工科創造型人才。因此，將虛擬仿真實驗引入“高分子材料”課程教學有迫切的現實需求。

1?虛擬仿真實驗與新工科和工程專業認證的關系

河南理工大學材料科學與工程專業2018年通過了工程教育專業認證，2020年獲批國家級一流本科專業建設點，2019年10月，高分子材料系獲批河南省高等學校優秀基層教學組織，“高分子材料”課程2023年獲批河南省新工科新形態教材建設立項。結合工程專業認證和新工科建設要求，該校高分子材料課程建設思路如圖1所示。

新工科教育是一種新的教育理念和方法，旨在培養具有全球視野、創新能力和實踐能力的工程師和科學家。它強調跨學科的融合和實踐教育，注重培養學生的創新思維和實際操作能力。以教育部一流本科專業建設和材料科學與工程專業認證為契機，依托材料科學與工程國家級一流專業、智能材料與結構戰略性新興產業專業的師資隊伍和軟硬件條件，遵循工程教育認證“學生中心、產出導向、持續改進”的三大教學理念，以“研究性教學”為核心，深入挖掘和充分利用科研項目對學生創新能力和實踐能力培養的重要價值，激發學生的創新動力，提高學生的科研能力[3]。其中專業實驗是新工科和工程專業認證的重要組成部分，進行虛擬仿真實驗建設有助于新工科人才的培養。

結合我校材料專業“高分子材料”和“紡織材料學”兩門專業課程需求，首期建設可穿戴3D打印一體化纖維虛擬仿真實驗，本實驗通過構建虛擬實驗環境讓學生在計算機終端訪問實驗教學資源，進行可穿戴3D打印一體化纖維加工以及耐形變-溫度能力之間關系的探究。2023年，該虛擬仿真實驗獲批河南省教育廳虛擬仿真項目，并于同年加入河南省紡織服裝設計虛擬仿真實驗教學中心智能可穿戴纖維工藝設計虛擬仿真課程群，也是2023年河南省教育廳新工科新形態教材項目“高分子材料”的組成部分。

2?虛擬仿真實驗建設原則

虛仿真擬實驗以該校材料科學與工程實驗教學示范中心和國家級一流本科專業建設點為平臺支撐，堅持“虛實結合、能實不虛、互為補充”的原則。隨著傳感技術、材料技術、交互技術的日益成熟，可穿戴設備得到了廣泛的發展，這一領域不但是中國智能制造的主要發展方向，是材料科學與工程等本科專業必修課程的重要內容。

本虛擬仿真實驗適應我國紡織、材料和服裝行業的發展需求，以培養具有專業勝任能力和社會適應能力的創新復合型人才為目標。傳統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現一體化柔性可穿戴纖維材料的快速制備，具有廣闊的應用優勢，同時幾乎沒有材料損耗，大大降低生產成本，為企業增加利潤創造條件。

可穿戴3D打印一體化纖維耐形變-溫度虛擬仿真實驗是材料工程基礎課程的重要組成部分，對培養學生分析、解決材料、紡織和服裝等纖維制造相關領域復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-溫度虛擬仿真實驗需要依賴高昂的3D打印設備和不可逆的打印漿料進行實驗，同時后期耐形變-溫度測試是一個連續反饋的長周期過程，受到成本、時間和環境等條件限制導致難以開展實體實驗。

本團隊從新材料行業發展對專業人才的需求與增強學生服務社會能力出發，為學生創建一個具有設備認知、原理學習、模擬訓練、實驗操作、數據交互、綜合考核等功能綜合平臺，開發可穿戴3D打印一體化纖維耐形變-溫度虛擬仿真項目。

3?實驗教學目標

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、傳遞和響應外界的刺激，并且具有一定的計算和儲存能力?[4，5]?。與傳統纖維相比，智能纖維具有更多的功能和應用潛力，使得可穿戴設備的使用更加智能和便捷。

本虛擬仿真實驗旨在確保學生熟悉并掌握可穿戴3D打印一體化纖維加工工藝及實際服役條件下形變-溫度的內在規律。通過線下與線上相結合的方式，使學生能夠通過虛擬仿真實驗將所學專業知識應用在工業生產中，并借助交互式虛擬實驗網絡平臺實現進行自主學習、模擬練習，以及實際操作，最后給出綜合評價結果。

實驗目的如下：理解基于3D打印機的基本原理與關鍵技術，培養學生對于材料、紡織和服裝等纖維制造相關領域知識的認知能力和探索信心；掌握可穿戴3D打印一體化纖維的模型設計、3D打印漿料的制備及關鍵參數、3D打印一體化纖維形貌和結構的關鍵影響因素，支撐材料科學與工程等核心課程的實驗教學；促進學生對可穿戴纖維應用技術的理解，加深對材料、紡織和服裝等纖維制造相關領域知識的融合理解，提升專業自信和崗位能力[6，7]。

4?虛擬實驗內容

本仿真實驗平臺模擬了3D打印設備、一體化可穿戴纖維成型及其耐形變-溫度測試等場景，進入主場景后進行具體場景的選擇。隨后進入可操作界面，進行作業人員模式的操作，每個場景的任務完成后，可進行知識測驗，并選擇進入下一個場景，在一體化可穿戴纖維耐形變-溫度任務完成后，進行綜合測評和提交實驗報告。

本系統推薦使用火狐、谷歌瀏覽器訪問。在地址欄輸入系統網址，打開系統登錄頁面。新用戶需進行注冊。登錄后點擊“開始實驗”按鈕，進入仿真系統。具體有11個操作步驟，為如表1所示。

進入3D打印設備認知及原理學習模塊，如圖2所示。學生根據界面的提示進行3D打印設備進行初步的認識，并且對3D打印的工作原理進行學習。通過鼠標在工作面中進行漫游，見圖3。認識3D打印設備的打印平臺、擠出裝置、控制裝置及其程序設置界面等關鍵組件，了解這些裝備的功能以及工作原理。在學習過程中，可利用導航欄進行部件切換學習。

在系統指引下學生要對可穿戴一體化纖維加工工藝的整個流程進行認知和學習，讓學生明白整套加工工藝的操作方法，以及對于參數應該如何設置，本模塊通過動畫視頻方式，直觀介紹可穿戴一體化纖維加工過程及核心技術，幫助學生建立完整清晰的可穿戴一體化纖維加工知識體系。

5?前景與展望

可穿戴3D打印一體化纖維耐形變-溫度虛擬仿真項目是高分子材料、紡織材料學、服裝虛擬技術與仿真等課程的核心實踐內容，是材料科學與工程、服裝設計與工程、非織造工程等專業學生必須掌握的實踐方法。

本虛擬仿真實驗，從學生認知視角出發重構學生的專業知識體系，綜合了3D打印設備及工作原理認知、一體化可穿戴纖維工藝圖設計以及加工工藝和耐形變-溫度虛擬仿真等內容，通過仿真實驗教師突破了口述和平面教學手段難以達到的教學效果，使得學生深入理解專業知識和掌握運用3D打印技術解決實際問題的能力，有助于培養符合新工科建設和工程專業認證標準的人才。

目前，該虛擬仿真實驗平臺主要在該校材料科學與工程學院相關專業使用，后期將逐漸推廣到省內外其他學校的材料、化工和服裝設計等學科，進一步拓展虛擬仿真實驗內容，增加3D打印靜電紡絲一體化纖維、多功能一體化復合纖維等內容，進而使實驗教學內容更為全面，提高學生的綜合素質及創新能力。

參考文獻

[1]??董桂偉，趙國群，王桂龍.我國虛擬仿真實驗教學的發展與趨勢研究：基于近十年中國知網文獻的知識圖譜分析[J].中國大學教學，2021（7）：85-92.

[2]??工業和信息化部，教育部，文化和旅游部，等.虛擬現實與行業應用融合發展行動計劃（2022—2026年）（工信部聯電子﹝2022〕148號）?[R/OL].（2022-10-28）[2019-06-04].https：//www.miit.gov.cn/jgsj/dzs/wjfb/art/2022/art_3ebd54d32dd04668abe4066182578032.html.

[3]?劉金庫，葛云曉，黃婕，等.虛擬仿真實驗教學課程：數字賦能工程能力培養新模式[J].高等工程教育研究，2023，（3）：85-92．

[4]?方劍，任松，張傳雄，等.智能可穿戴紡織品用電活性纖維材料[J].紡織學報，2021，42（9）：1-9.

[5]??孫華悅，向憲昕，顏廷義，等.基于智能纖維和紡織品的可穿戴生物傳感器[J].化學進展，2022，34（12）：2604-2618.

[6]??趙國強，康鳳翠，黃永華，等.高分子材料快速原型3D打印技術發展述評[J].塑料工業，2022，50（S1）：5-9.

[7]??李帥.基于3D打印的紡織服裝成型工藝及其應用[J].毛紡科技，2023，51（4）：124-132.