新工科背景下高分子材料课程仿真实验建设

李继功 贺文杰 何小芳 曹新鑫 张敏

摘  要：隨着社会的发展和科技的进步，新工科教育对高等工程教育提出了新的要求。虚拟仿真实验具有实验不受时空限制、节约耗材、安全易行的优点。高分子材料是支撑战略性新兴产业和重大工程不可或缺的物质基础，将虚拟仿真实验引入高分子材料课程实验教学，实现学生自主学习和自主实验，加深对材料、纺织和服装等纤维制造相关领域知识的融合理解，提升专业自信和岗位能力，为学生创建一个具有设备认知、原理学习、模拟训练、实验操作、数据交互、综合考核等功能综合平台，在教学中收到了良好的效果。

关键词： 新工科  高分子材料  3D 打印  虚拟仿真  实验建设

中图分类号：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

虚拟仿真实验是指依托计算机虚拟现实、多媒体、人机交互等技术，构建虚拟化实验环境和实验对象，使学生在虚拟环境中进行课程实验，达到培养目标所要求的效果。近十几年来，虚拟仿真在我国各个地区的高等院校实践实验中得到了普遍的应用和推广[1]。2022年10月28日教育部、工业和信息化部、国家体育总局、文化和旅游部、国家广播电视总局五部门印发了虚拟现实与行业应用融合发展行动计划（2022—2026年）[2]，计划中明确指出要推动教学模式向自主体验升级，打造支持自主探究、协作学习的沉浸式新课堂，推进“虚拟仿真实验教学2.0”，支持建设一批虚拟仿真实验实训重点项目。

高分子材料是支撑战略性新兴产业和重大工程不可或缺的物质基础，服务于国民经济、社会发展、国防建设和人民生活等领域，是制造业高质量发展的先导和基石。近些年，国家高度重视新材料产业发展，相关部委陆续推出了一系列政策文件。《河南省加快材料产业优势再造换道领跑行动计划（2022—2025年）》指出：河南省将根据传统优势，培育壮大电子功能材料、高性能纤维材料、新型动力及储能电池材料、生物医用材料、节能降碳环保材料5个关键战略材料产业，前瞻布局纳米材料、增材制造材料、先进复合材料等前沿新材料产业，其中多个领域均涉及高分子材料，人才需求量巨大。

传统的“高分子材料”专业课程，实验操作多消耗药材大，同时对安全也有一定隐患，同时受限于实验场地大小，每批次所做实验学生人数有限，对学生的创新和实践能力培养造成了一定障碍，在新工科人才培养的背景下，不利于培养新时代新工科创造型人才。因此，将虚拟仿真实验引入“高分子材料”课程教学有迫切的现实需求。

1 虚拟仿真实验与新工科和工程专业认证的关系

河南理工大学材料科学与工程专业2018年通过了工程教育专业认证，2020年获批国家级一流本科专业建设点，2019年10月，高分子材料系获批河南省高等学校优秀基层教学组织，“高分子材料”课程2023年获批河南省新工科新形态教材建设立项。结合工程专业认证和新工科建设要求，该校高分子材料课程建设思路如图1所示。

新工科教育是一种新的教育理念和方法，旨在培养具有全球视野、创新能力和实践能力的工程师和科学家。它强调跨学科的融合和实践教育，注重培养学生的创新思维和实际操作能力。以教育部一流本科专业建设和材料科学与工程专业认证为契机，依托材料科学与工程国家级一流专业、智能材料与结构战略性新兴产业专业的师资队伍和软硬件条件，遵循工程教育认证“学生中心、产出导向、持续改进”的三大教学理念，以“研究性教学”为核心，深入挖掘和充分利用科研项目对学生创新能力和实践能力培养的重要价值，激发学生的创新动力，提高学生的科研能力[3]。其中专业实验是新工科和工程专业认证的重要组成部分，进行虚拟仿真实验建设有助于新工科人才的培养。

结合我校材料专业“高分子材料”和“纺织材料学”两门专业课程需求，首期建设可穿戴3D打印一体化纤维虚拟仿真实验，本实验通过构建虚拟实验环境让学生在计算机终端访问实验教学资源，进行可穿戴3D打印一体化纤维加工以及耐形变-温度能力之间关系的探究。2023年，该虚拟仿真实验获批河南省教育厅虚拟仿真项目，并于同年加入河南省纺织服装设计虚拟仿真实验教学中心智能可穿戴纤维工艺设计虚拟仿真课程群，也是2023年河南省教育厅新工科新形态教材项目“高分子材料”的组成部分。

2 虚拟仿真实验建设原则

虚仿真拟实验以该校材料科学与工程实验教学示范中心和国家级一流本科专业建设点为平台支撑，坚持“虚实结合、能实不虚、互为补充”的原则。随着传感技术、材料技术、交互技术的日益成熟，可穿戴设备得到了广泛的发展，这一领域不但是中国智能制造的主要发展方向，是材料科学与工程等本科专业必修课程的重要内容。

本虚拟仿真实验适应我国纺织、材料和服装行业的发展需求，以培养具有专业胜任能力和社会适应能力的创新复合型人才为目标。传统工艺需要纤维制备和织造两步法来制备可穿戴纤维材料。相比之下，3D打印可通过一步法就实现一体化柔性可穿戴纤维材料的快速制备，具有广阔的应用优势，同时几乎没有材料损耗，大大降低生产成本，为企业增加利润创造条件。

可穿戴3D打印一体化纤维耐形变-温度虚拟仿真实验是材料工程基础课程的重要组成部分，对培养学生分析、解决材料、纺织和服装等纖维制造相关领域复杂工程问题的能力具有十分重要的作用。然而，可穿戴3D打印一体化纤维耐形变-温度虚拟仿真实验需要依赖高昂的3D打印设备和不可逆的打印浆料进行实验，同时后期耐形变-温度测试是一个连续反馈的长周期过程，受到成本、时间和环境等条件限制导致难以开展实体实验。

本团队从新材料行业发展对专业人才的需求与增强学生服务社会能力出发，为学生创建一个具有设备认知、原理学习、模拟训练、实验操作、数据交互、综合考核等功能综合平台，开发可穿戴3D打印一体化纤维耐形变-温度虚拟仿真项目。

3 实验教学目标

可穿戴3D打印一体化纤维是一种新型纤维材料，它能够感知、传递和响应外界的刺激，并且具有一定的计算和储存能力 [4，5] 。与传统纤维相比，智能纤维具有更多的功能和应用潜力，使得可穿戴设备的使用更加智能和便捷。

本虚拟仿真实验旨在确保学生熟悉并掌握可穿戴3D打印一体化纤维加工工艺及实际服役条件下形变-温度的内在规律。通过线下与线上相结合的方式，使学生能够通过虚拟仿真实验将所学专业知识应用在工业生产中，并借助交互式虚拟实验网络平台实现进行自主学习、模拟练习，以及实际操作，最后给出综合评价结果。

实验目的如下：理解基于3D打印机的基本原理与关键技术，培养学生对于材料、纺织和服装等纤维制造相关领域知识的认知能力和探索信心；掌握可穿戴3D打印一体化纤维的模型设计、3D打印浆料的制备及关键参数、3D打印一体化纤维形貌和结构的关键影响因素，支撑材料科学与工程等核心课程的实验教学；促进学生对可穿戴纤维应用技术的理解，加深对材料、纺织和服装等纤维制造相关领域知识的融合理解，提升专业自信和岗位能力[6，7]。

4 虚拟实验内容

本仿真实验平台模拟了3D打印设备、一体化可穿戴纤维成型及其耐形变-温度测试等场景，进入主场景后进行具体场景的选择。随后进入可操作界面，進行作业人员模式的操作，每个场景的任务完成后，可进行知识测验，并选择进入下一个场景，在一体化可穿戴纤维耐形变-温度任务完成后，进行综合测评和提交实验报告。

本系统推荐使用火狐、谷歌浏览器访问。在地址栏输入系统网址，打开系统登录页面。新用户需进行注册。登录后点击“开始实验”按钮，进入仿真系统。具体有11个操作步骤，为如表1所示。

进入3D打印设备认知及原理学习模块，如图2所示。学生根据界面的提示进行3D打印设备进行初步的认识，并且对3D打印的工作原理进行学习。通过鼠标在工作面中进行漫游，见图3。认识3D打印设备的打印平台、挤出装置、控制装置及其程序设置界面等关键组件，了解这些装备的功能以及工作原理。在学习过程中，可利用导航栏进行部件切换学习。

在系统指引下学生要对可穿戴一体化纤维加工工艺的整个流程进行认知和学习，让学生明白整套加工工艺的操作方法，以及对于参数应该如何设置，本模块通过动画视频方式，直观介绍可穿戴一体化纤维加工过程及核心技术，帮助学生建立完整清晰的可穿戴一体化纤维加工知识体系。

5 前景与展望

可穿戴3D打印一体化纤维耐形变-温度虚拟仿真项目是高分子材料、纺织材料学、服装虚拟技术与仿真等课程的核心实践内容，是材料科学与工程、服装设计与工程、非织造工程等专业学生必须掌握的实践方法。

本虚拟仿真实验，从学生认知视角出发重构学生的专业知识体系，综合了3D打印设备及工作原理认知、一体化可穿戴纤维工艺图设计以及加工工艺和耐形变-温度虚拟仿真等内容，通过仿真实验教师突破了口述和平面教学手段难以达到的教学效果，使得学生深入理解专业知识和掌握运用3D打印技术解决实际问题的能力，有助于培养符合新工科建设和工程专业认证标准的人才。

目前，该虚拟仿真实验平台主要在该校材料科学与工程学院相关专业使用，后期将逐渐推广到省内外其他学校的材料、化工和服装设计等学科，进一步拓展虚拟仿真实验内容，增加3D打印静电纺丝一体化纤维、多功能一体化复合纤维等内容，进而使实验教学内容更为全面，提高学生的综合素质及创新能力。

参考文献

[1]  董桂伟，赵国群，王桂龙.我国虚拟仿真实验教学的发展与趋势研究：基于近十年中国知网文献的知识图谱分析[J].中国大学教学，2021（7）：85-92.

[2]  工业和信息化部，教育部，文化和旅游部，等.虚拟现实与行业应用融合发展行动计划（2022—2026年）（工信部联电子﹝2022〕148号） [R/OL].（2022-10-28）[2019-06-04].https：//www.miit.gov.cn/jgsj/dzs/wjfb/art/2022/art_3ebd54d32dd04668abe4066182578032.html.

[3] 刘金库，葛云晓，黄婕，等.虚拟仿真实验教学课程：数字赋能工程能力培养新模式[J].高等工程教育研究，2023，（3）：85-92．

[4] 方剑，任松，张传雄，等.智能可穿戴纺织品用电活性纤维材料[J].纺织学报，2021，42（9）：1-9.

[5]  孙华悦，向宪昕，颜廷义，等.基于智能纤维和纺织品的可穿戴生物传感器[J].化学进展，2022，34（12）：2604-2618.

[6]  赵国强，康凤翠，黄永华，等.高分子材料快速原型3D打印技术发展述评[J].塑料工业，2022，50（S1）：5-9.

[7]  李帅.基于3D打印的纺织服装成型工艺及其应用[J].毛纺科技，2023，51（4）：124-132.