虛擬仿真在紡織類實驗教學中的應(yīng)用

何 斌，劉 超，譚冬宜，汪澤幸，趙 晶

(湖南工程學院 紡織服裝學院，湖南 湘潭 411104)

虛擬仿真在紡織類實驗教學中的應(yīng)用

何 斌，劉 超，譚冬宜，汪澤幸，趙 晶

(湖南工程學院 紡織服裝學院，湖南 湘潭 411104)

闡述了將虛擬仿真應(yīng)用于實驗教學中的重要性，介紹了虛擬仿真技術(shù)的特點及其應(yīng)用于實驗教學的優(yōu)勢，分析了目前高校紡織類實驗教學存在的問題，結(jié)合學校省級虛擬仿真實驗教學中心的建設(shè)，探討了虛擬仿真在紡織類實驗教學中的應(yīng)用。

虛擬仿真；實驗教學；紡織實驗

實驗是高校教學的重要組成部分，通過實驗教學有助于促進學生由理論知識向能力的轉(zhuǎn)化，為解決各種實際問題奠定基礎(chǔ)[1]。實驗教學環(huán)節(jié)在培養(yǎng)實踐能力、激發(fā)創(chuàng)新能力、提高綜合素質(zhì)等方面發(fā)揮著極其重要的作用。重視實驗教學，使其與理論教學協(xié)同發(fā)展是培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新復(fù)合人才的重要途徑之一。隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展，信息化、數(shù)字化實驗室建設(shè)成為實驗教學建設(shè)與改革的重要方向。虛擬仿真也稱虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality),簡稱 VR，借助于仿真技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、傳感技術(shù)等來實現(xiàn)一種可創(chuàng)建的、虛擬世界的計算機系統(tǒng)。虛擬仿真實驗教學依托虛擬現(xiàn)實、多媒體、人機交互、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)通訊等技術(shù)，構(gòu)建高度仿真的虛擬實驗環(huán)境和實驗對象，學生在虛擬環(huán)境中開展實驗，達到教學大綱所要求的教學效果。在培養(yǎng)學生的實踐能力、研究能力、創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)等方面有著其他教學環(huán)節(jié)所不能替代的獨特作用。2013年8月，國家教育部印發(fā)了《關(guān)于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設(shè)工作的通知》指出“虛擬仿真實驗教學是高等教育信息化建設(shè)和實驗教學示范中心建設(shè)的重要內(nèi)容，是學科專業(yè)與信息技術(shù)深度融合的產(chǎn)物”[2]。因此，開展虛擬仿真在紡織類專業(yè)實驗教學中的應(yīng)用探索具有重要的意義。

1 高校紡織類實驗教學現(xiàn)狀及其存在問題

1.1 實驗設(shè)備和教學場地無法滿足教學需求

紡織類加工生產(chǎn)設(shè)備復(fù)雜龐大，購置和實際生產(chǎn)相類似的設(shè)備需要投入的資金多，設(shè)備占用場地大，維護費用也較高。且目前紡織類專業(yè)學生人數(shù)日漸增多，部分老牌紡織類高校存在設(shè)備更新不及時、臺套數(shù)少、老化等問題，這些都成為高校提高實驗教學質(zhì)量的障礙。

1.2 實驗耗材費用上漲，經(jīng)費受限

近年來，實驗耗材價格不斷上漲，導(dǎo)致高校實驗教學成本急劇增加，雖然各高校也在上調(diào)實驗耗材費用，但其增幅和耗材價格上漲比例不相匹配。部分學校不得不調(diào)整實驗類型和實驗內(nèi)容，甚至有的削減實驗項目。這對實驗教學質(zhì)量的提高極為不利。

1.3 企業(yè)實驗實踐開展困難，效果不佳

市場經(jīng)濟下的企業(yè)面臨的競爭壓力很大，企業(yè)所關(guān)注的是接納學生實習實踐能否給自身帶來利益，學生去企業(yè)實驗實踐會給企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營帶來一定程度的干擾，這是企業(yè)不愿意面對的[3]。現(xiàn)階段，各高校都有合作企業(yè)，愿意接納學生進企業(yè)進行實驗實踐活動，但大部分企業(yè)考慮到生產(chǎn)成本、實際生產(chǎn)加工的危險性及安全管理問題，并沒有安排學生在實際生產(chǎn)中親自動手操作，這就大大降低了實驗實踐的效果。

2 虛擬仿真技術(shù)的特點及其用于實驗教學的優(yōu)勢

2.1 技術(shù)特點[4-5]

2.1.1 沉浸性

虛擬仿真系統(tǒng)中，使用者可獲得與現(xiàn)實生活中相差無幾的感官感受。通過操作虛擬設(shè)備，體驗真實的實驗過程。

2.1.2 交互性

虛擬仿真系統(tǒng)中，系統(tǒng)與使用者之間的控制具有較強的交互性，使用者可以操控設(shè)備，而虛擬設(shè)備會根據(jù)操控做出相應(yīng)的反應(yīng)，展現(xiàn)出真實的實驗現(xiàn)象。

2.1.3 開放性

虛擬仿真實驗可以通過實驗教學平臺發(fā)布到互聯(lián)網(wǎng)上，使用者可以不受時間、空間的限制，隨時隨地通過授權(quán)的用戶名進入系統(tǒng)進行虛擬仿真實驗項目的學習操作。

2.1.4 拓展性

可以對虛擬設(shè)備進行靈活配置和組合，進一步更新和優(yōu)化軟件功能，使使用者能夠?qū)μ摂M設(shè)備進行二次開發(fā)。

2.1.5 局限性

虛擬仿真畢竟是虛擬的，能夠完成非常逼真的操作，體驗真實實驗環(huán)境，但并不是真實的訓練操作，對使用者動手操作能力的培養(yǎng)存在局限性，不能完全替代實際操作。

2.2 在實驗教學中應(yīng)用的優(yōu)勢

虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于紡織類實驗教學具有明顯的優(yōu)勢：

(1)可以實現(xiàn)紡織類專業(yè)各種生產(chǎn)設(shè)備、工藝流程及產(chǎn)品性能的展示，任意調(diào)整工藝參數(shù)，體驗真實實驗環(huán)境，提高實驗教學的系統(tǒng)性和完整性。

(2)虛擬仿真實驗教學平臺功能性強，占地面積小，克服了傳統(tǒng)實驗教學受時間和空間限制的弊端，雖然前期投入可能會較大，但通過互聯(lián)網(wǎng)可以實現(xiàn)共享。且同類高校可整合資源、統(tǒng)籌規(guī)劃，各自根據(jù)自身優(yōu)勢建立虛擬仿真實驗平臺項目，再實現(xiàn)共享，避免同類項目重復(fù)化建設(shè)，這可大大降低整體資金投入。

(3)真實的實驗場景的構(gòu)建，配以動畫模型及豐富的色彩和活躍的音樂，更能激發(fā)學生的興趣，很好地彌補了傳統(tǒng)實驗教學的枯燥性，提高了學習效率。

(4)虛擬仿真實驗教學平臺和項目的建立，不僅限于服務(wù)高校，還可以拓展到整個社會，提供更多的學習培訓服務(wù)。

3 虛擬仿真實驗教學中心的建立與發(fā)展

作為應(yīng)用型本科院校，我們一直堅持以培養(yǎng)紡織類應(yīng)用型復(fù)合人才為目標，以培養(yǎng)服務(wù)于行業(yè)和地方區(qū)域經(jīng)濟的創(chuàng)新型高級技術(shù)應(yīng)用型人才為導(dǎo)向。因此，我校非常重視培養(yǎng)學生的實踐技能，將虛擬仿真技術(shù)引入實驗實踐教學環(huán)節(jié)中，實現(xiàn)虛實結(jié)合、能實不虛的實驗教學理念。

湖南工程學院紡織服裝學院擁有省級實驗教學示范中心——紡織基礎(chǔ)實驗中心。經(jīng)過多年發(fā)展，現(xiàn)有用房面積1 900多m2，實驗儀器設(shè)備600多臺套，涵蓋了“纖維-紗線-織物-染整-服裝”與紡織產(chǎn)業(yè)鏈生產(chǎn)流程相適應(yīng)的實驗儀器設(shè)備及相關(guān)檢測設(shè)備。實驗教學示范中心建設(shè)按照“三個結(jié)合”(即虛擬實驗與真實實驗相結(jié)合、軟件平臺建設(shè)與教儀硬件建設(shè)相結(jié)合、企業(yè)、學校、科研機構(gòu)教研相結(jié)合)的指導(dǎo)思想開展實驗室建設(shè)，并建立有利于激勵學生學習和提高學生能力的有效管理機制，創(chuàng)造學生自主實驗、個性化學習的實驗環(huán)境。同步構(gòu)建了虛擬仿真實驗教學中心，并于2015年成功申報立項省級虛擬紡織實驗教學中心——紡織工程虛擬仿真實驗教學中心。

虛擬仿真實驗教學中心按照 “大平臺、大數(shù)據(jù)、大紡織”的觀念，構(gòu)建了“紡織基礎(chǔ)實驗→綜合訓練實驗→研究創(chuàng)新性實驗”的遞進式“三層次”實驗分類項目，實現(xiàn)了學生能力的貫通式遞進培養(yǎng)；構(gòu)建了“紡織材料、紡織工藝、產(chǎn)品設(shè)計”關(guān)聯(lián)式的“三平臺”虛擬仿真實驗教學平臺，各教學平臺根據(jù)紡織行業(yè)科技發(fā)展前沿及時調(diào)整更新教學綱要和計劃，實現(xiàn)實驗教學與行業(yè)科技發(fā)展的緊密結(jié)合；各平臺下還分了相應(yīng)的實驗分室。

虛擬仿真實驗教學平臺建立后，能實現(xiàn)一批在傳統(tǒng)實驗室中無法做到，或者高成本、高消耗、高風險的多種實驗教學項目，達到接近現(xiàn)場實體教學的效果。例如，通過對紡紗工藝流程的模擬及各工序工藝參數(shù)的模擬調(diào)整，學生可以了解整個生產(chǎn)工藝流程及參數(shù)設(shè)置情況，通過工藝參數(shù)的調(diào)整增強了學生對紗線質(zhì)量控制的掌控，使理論知識與實踐操作融會貫通，再結(jié)合后續(xù)生產(chǎn)實習的環(huán)節(jié)，虛實結(jié)合，極大地提升了教學質(zhì)量。

4 結(jié)語

將虛擬仿真應(yīng)用于紡織類專業(yè)實驗教學，堅持虛實結(jié)合、能實不虛，能較好地彌補傳統(tǒng)實驗教學的某些不足，解決當前各紡織類高校所存在的實驗教學方面的普遍性問題，明顯增強學生的實驗技能，提升學生的實踐能力。促使學生主動地掌握專業(yè)基礎(chǔ)知識，培養(yǎng)學生動手操作和解決工程實際問題的能力。虛擬仿真實驗教學平臺的建立，可以更好地輔助高校教學科研工作的開展，為社會提供更多的學習培訓服務(wù)。

[1] 彭 慧. 論現(xiàn)代實驗教學中虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用[J]. 赤峰學院學報(自然科學版)，2016，32(8):266-267.

[2] 中華人民共和國教育部高等教育司.關(guān)于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設(shè)工作的通知[Z]. 2013-08-13.

[3] 何 斌，汪建華，劉常威，等. 紡織工程專業(yè)“卓越工程師”校企合作培養(yǎng)模式的探索與實踐[J]. 紡織服裝教育，2015，30(2):100-102.

[4] 黃 晨，羅艷蘭，浦釗鋒，等. O2O模式與三維虛擬仿真在紡織服裝業(yè)的應(yīng)用[J]. 中國高新技術(shù)企業(yè)，2016，(23):46-47.

[5] 侯珂珂. 虛擬仿真在化學化工類專業(yè)實踐教學中的應(yīng)用探索與研究[J]. 安徽化工，2015，41(3):95-96.

Application of Virtual Simulation Technology in Textile Experiment Teaching

HE Bin, LIU Chao, TAN Dong-yi, WANG Ze-xing, ZHAO Jing

(College of Textile and Fashion, Hunan Institute of Engineering, Xiangtan 411104, China)

The importance of virtual simulation technology in experiment teaching was elaborated, the characteristics and advantages of virtual simulation technology in experimental teaching were introduced. The existing problems in the textile experiment teaching of colleges and universities were analyzed. Combined the construction of provincial level virtual simulation experiment teaching center, the application of virtual simulation technology in the textile experiment teaching was discussed.

virtual simulation; experiment teaching; textile experiment

2017-03-23

湖南省2016年普通高校教學改革研究立項項目(2016-400)

何 斌(1982-)，男，講師，博士，主要研究方向為紡織材料結(jié)構(gòu)與性能，E-mail：hb126_b@163.com。

G642.0

A

1673-0356(2017)06-0062-03