在紡織工程相關(guān)專業(yè)開設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的探索
——以蘇州大學(xué)紡織與服裝工程學(xué)院為例

王 萍，張 巖，李媛媛，趙薈菁

(蘇州大學(xué) 紡織與服裝工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215000)

一、 在紡織工程專業(yè)開設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的必要性

針對紡織專業(yè)創(chuàng)新型人才缺乏、綜合創(chuàng)新能力較弱等問題，《工業(yè)和信息化部關(guān)于印發(fā)紡織工業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2016—2020年)的通知》[1]中提出，要“完善實(shí)用技能型、創(chuàng)新型、復(fù)合型等多層次人才培養(yǎng)的紡織人才培育體系”。因此，研究并應(yīng)用新型工程教育信息化方法，及時(shí)應(yīng)對紡織行業(yè)發(fā)展新要求，適應(yīng)新時(shí)代紡織服裝產(chǎn)業(yè)對工程技術(shù)人才的需求，是紡織相關(guān)專業(yè)教育需要認(rèn)真思考的問題[2-3]。

教學(xué)信息化是教育信息化的核心內(nèi)容和重要形式。現(xiàn)階段信息技術(shù)已經(jīng)滲透到教育的各個(gè)環(huán)節(jié)[4]。在硬件方面，傳統(tǒng)的黑板+粉筆已經(jīng)逐步被教學(xué)一體機(jī)、智慧黑板、智慧教室等信息化硬件設(shè)備取代；在軟件方面，雨課堂、智慧課堂、互動(dòng)課堂等一系列教學(xué)軟件層出不窮，可以讓教師采用多媒體手段輕松教學(xué)、趣味教學(xué)，提高學(xué)生的課堂參與度；在教學(xué)形式方面，翻轉(zhuǎn)課堂、慕課、微課等新型教學(xué)形式改變了教師的教學(xué)方式和學(xué)生的學(xué)習(xí)方式，讓教師擺脫填鴨式教學(xué)，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性，使學(xué)生的學(xué)習(xí)更具個(gè)性化、豐富性、多樣化。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高等教育信息化建設(shè)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建設(shè)的重要內(nèi)容，是學(xué)科專業(yè)與信息技術(shù)深度融合的產(chǎn)物。教育部于2013年正式啟動(dòng)了國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作，取得了積極的反響和良好效果[5]。我校(蘇州大學(xué))立足于紡織與服裝設(shè)計(jì)國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心申報(bào)的紡織與服裝虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心成為教育部2014年批準(zhǔn)建設(shè)的100個(gè)國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心之一[6]。

紡織工程專業(yè)的實(shí)踐性極強(qiáng)。紡織生產(chǎn)工序多、流程長，加工設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、占地面積大、價(jià)格昂貴、維護(hù)成本高。目前紡織企業(yè)的生存壓力和競爭壓力日益增大，紡織類高校的經(jīng)費(fèi)緊張，實(shí)驗(yàn)材料價(jià)格上漲等，導(dǎo)致紡織類專業(yè)的實(shí)驗(yàn)課時(shí)一再壓縮，部分工廠實(shí)習(xí)也只是走馬觀花，缺少動(dòng)手實(shí)踐的機(jī)會(huì)，實(shí)踐教學(xué)效果欠佳[7]。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以很好地解決上述問題，規(guī)避實(shí)踐安全風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)約實(shí)驗(yàn)成本，具有浸入式仿真環(huán)境等，可以極大地彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足，與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)優(yōu)勢互補(bǔ)、虛實(shí)結(jié)合，在紡織類專業(yè)教學(xué)中可以發(fā)揮巨大的優(yōu)勢。基于此我校積極探索立足于紡織工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)，運(yùn)用有限元分析軟件ABAQUS，為紡織工程專業(yè)本科生開展基于紡織品結(jié)構(gòu)力學(xué)方面的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，并與實(shí)際實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，幫助學(xué)生加深對紡織品力學(xué)性能以及力學(xué)損傷引發(fā)、失效擴(kuò)展過程的理解。

二、 在紡織工程專業(yè)開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)踐

在我校紡織工程專業(yè)本科生中開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)不但是必要的，而且是可行的。

1. 硬件和軟件方面

2016年底，我校基于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺采購了有限元分析軟件ABAQUS教學(xué)版。該軟件能夠分析紡織材料在許多耦合場條件下的力學(xué)響應(yīng)，諸如比較復(fù)雜的流-熱-固、聲-結(jié)構(gòu)、電-熱、電-熱-結(jié)構(gòu)、熱-結(jié)構(gòu)等；該軟件配備的高級顯式非線性有限元軟件的求解器能夠求解廣泛的高度非線性動(dòng)力學(xué)問題，包括沖擊、碰撞、水下爆炸等瞬態(tài)、高度大變形非線性分析等問題，尤其適合紡織材料的準(zhǔn)靜態(tài)變形特征分析；該軟件還能夠提供Windows風(fēng)格的前后處理器，最大限度地降低操作工作量，減少新手的培訓(xùn)時(shí)間，所有計(jì)算結(jié)果都能夠進(jìn)行可視化處理，使學(xué)生能夠在有限的課堂時(shí)間內(nèi)掌握虛擬仿真實(shí)驗(yàn)操作。為了方便ABAQUS軟件的安裝和性能優(yōu)化，學(xué)院購置了一批高配置計(jì)算機(jī)，建設(shè)了全新的機(jī)房，為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了硬件和軟件支持。

2. 師資隊(duì)伍方面

對于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開展，除了硬件和軟件外，師資隊(duì)伍的建設(shè)也非常重要。紡織品結(jié)構(gòu)力學(xué)性能分析和預(yù)測的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程屬于我校國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺建設(shè)中關(guān)于紡織品仿真設(shè)計(jì)與模擬中的一個(gè)模塊，由4名青年教師組成教學(xué)團(tuán)隊(duì)。4人都為紡織工程相關(guān)專業(yè)博士，一直在一線從事教學(xué)工作，具有豐富的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)。課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)成員的大部分研究課題都與紡織品結(jié)構(gòu)力學(xué)相關(guān)，長期使用ABAQUS軟件對紡織品的準(zhǔn)靜態(tài)、沖擊和剪切載荷條件下的應(yīng)力響應(yīng)規(guī)律進(jìn)行仿真建模。長期的科研工作使得教學(xué)團(tuán)隊(duì)對ABAQUS軟件的操作過程非常熟悉，能夠勝任本科生的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)；并且在教學(xué)過程中將課題取得的最新研究成果與實(shí)驗(yàn)教學(xué)有機(jī)結(jié)合，使得學(xué)生能夠接觸前沿的科研成果，加深對紡織專業(yè)基礎(chǔ)知識的理解，提高對紡織工程專業(yè)的學(xué)習(xí)興趣。

3. 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源

基于課程團(tuán)隊(duì)成員10多年的ABAQUS軟件建模和仿真經(jīng)驗(yàn)，為紡織品結(jié)構(gòu)力學(xué)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了豐富的教學(xué)資源。圖1所示為基于機(jī)織物中經(jīng)緯紗的上下交織規(guī)律分別構(gòu)建的經(jīng)紗和緯紗三維實(shí)體結(jié)構(gòu)模型——以2/1斜紋為例。在該模型中可以充分考慮機(jī)織物中經(jīng)緯紗線的屈曲、交織和交織點(diǎn)摩擦，與機(jī)織物的實(shí)際結(jié)構(gòu)極為接近，可以確保模型的準(zhǔn)確性。在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，如果該部分的學(xué)時(shí)較少或者學(xué)生對建模掌握得不理想，可以將紡織品簡化為具有一定厚度的平面結(jié)構(gòu)，忽略其中紗線或者纖維的構(gòu)成及空間形態(tài)，縮減在模型構(gòu)建方面占用的課堂時(shí)間，并可作為課后提升能力的作業(yè)練習(xí)題，在充分理解紡織品組織結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的同時(shí)，構(gòu)建不同結(jié)構(gòu)的機(jī)織物、針織物或非織造材料。

基于上述三維空間幾何模型，配合材料模型、定義分析步、施加載荷、邊界定義、有限元網(wǎng)格劃分等一系列過程，通過ABAQUS軟件的分析計(jì)算，得到紡織材料在不同載荷條件下的力學(xué)損傷情況以及損傷的擴(kuò)展演化規(guī)律等，如圖2和圖3所示。其中圖2為涂層機(jī)織物的梯形撕裂損傷過程，圖3為普通機(jī)織物的鈍性頂破損傷失效過程。

課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)?wèi){借多年的紡織品結(jié)構(gòu)力學(xué)仿真建模經(jīng)驗(yàn)，積累了寶貴的實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，為學(xué)生提供直觀的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，極大地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了教學(xué)效率。

三、 結(jié)語

教育信息化是目前高等教育的主旋律，教育信息化并不是簡單地體現(xiàn)為黑板板書變?yōu)镻PT、課堂點(diǎn)名變?yōu)锳PP簽到，而必須深入到課程教學(xué)中， 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目正是在教育信息化的大背景下提出的。利用我校國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺，為紡織相關(guān)專業(yè)本科生開設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程，可以極大地拓展學(xué)生的學(xué)術(shù)視野，加深對紡織基礎(chǔ)知識的理解和應(yīng)用，提升紡織行業(yè)專業(yè)人才知識的廣度和深度，為紡織行業(yè)的轉(zhuǎn)型發(fā)展培養(yǎng)和儲備人才隊(duì)伍。

圖1 2/1斜紋機(jī)織物中經(jīng)紗和緯紗三維實(shí)體結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建

圖2 涂層機(jī)織物梯形撕裂損傷過程的有限元分析

圖3 機(jī)織物鈍性頂破損傷過程的有限元分析