虛擬實驗在“機織學”實踐教學中的應用

龍嘯云，曹海建，孫啟龍，葉 偉，馬 巖

（南通大學 紡織服裝學院，江蘇 南通 226019）

在我國，紡織產業是四大傳統支柱產業之一，對于國民經濟有著舉足輕重的作用[1]。近年來，隨著科技的迅猛發展，紡織新技術、新產品層出不窮，國內紡織行業面臨著巨大的變革和挑戰。特別是高性能纖維、產業用紡織品行業[2]的快速發展，紡織產業已經成為我國新興領域中不可或缺的一部分。在此背景下，高等院校作為紡織行業人才培養和輸送的基地，肩負著為行業培養適應紡織科技發展人才隊伍的任務和使命。然而，紡織工程專業課程多、課時緊、教學任務重，老師為了完成教學任務往往只能蜻蜓點水式地講授書本上的知識，在這樣的情況下，很多教學內容講不透、講不深，學生也是聽得云里霧里、一知半解。“機織學”[3]作為紡織工程中一門重要的專業基礎課，它的任務是讓學生具有全流程的機織工藝理論知識和一定的操作實踐能力，使學生在走上工作崗位后能夠勝任車間管理、產品開發等工作。但是，“機織學”涉及的工藝流程長、機械原理復雜、知識點繁多，老師想要在有限的課時內講明白不容易，學生想學明白也不容易，特別是“機織學”的相關設備原理結構復雜，操作困難。同時，由于教學場地和課時的限制，學生經過僅有的幾節實踐課很難較為熟練地掌握其中的知識點，這不利于高質量地教學。針對這一問題，本研究提出采用構建“機織學”虛擬實驗室來彌補傳統紡織教學中的不足，為提高“機織學”的教學質量提供了一種新的方案。

1 虛擬實驗的特點

網上虛擬實驗室[4]以現代教育思想為依據，以現代教育技術手段為支撐，以計算機實時仿真為核心，在教學實踐中表現出以下幾個特點[5-7]。

1.1 開放性

區別于傳統的教學方法，虛擬實驗室構建于網絡，不受場地限制，具有顯著的開放性。學生可以不受地域限制，只要具備基本的網絡操作技能即可在網絡上進行學習。同時，相關的網絡教學資源還可以分享在公共服務平臺上，讓更多學校的學生共同學習，也可以促進同行院校老師之間的交流。

1.2 可重復性

在傳統的教學中，課時有限、學生多，老師在講課的過程中為了完成預期的教學任務很難面面俱到，這就導致有的學生沒聽明白，對于實驗設備和方法理解不夠深入。而虛擬實驗教學可以在很大程度上解決這一問題，學生學習不受時間限制，可以根據自己的需要重復觀看和學習，對于難度大的地方反復學習。以增強學習效果。

1.3 自主性

在虛擬實驗教學中，完全依靠學生自主學習，老師只能通過考核、現場操作等方法來評判學生的學習效果，這就需要學生具有較好的自主學習能力和主觀能動性，配合教學的完成，否則很可能適得其反。

2 “機織學”虛擬實驗構建技術路線

首先，采用建模軟件UG構建機織工序中的主要設備，如自動絡筒機、整經機、漿紗機、織機等的虛擬模型。其次，實現動態虛擬網絡平臺構建。基于前期建立的模型，輸入虛擬現實建模語言VRML和Javascript，建立動態的虛擬現實（Virtual Reality，VR），促進網絡平臺關聯和互動的實現。再次，對建立的虛擬模型進行整合，設計與優化虛擬實驗體系。最后，完成網絡化設計及試運行。采用集成技術，建立相應的網絡平臺，并對平臺進行試運行。針對試運行中出現的問題，對前期工作進行反饋，進而對網絡平臺進行優化，技術路線如圖1所示。

圖1 技術路線

3 支撐理論

3.1 “經驗之塔”理論

戴爾將人的經驗分成了3大類：直接的經驗（做的經驗）、間接的經驗（觀察的經驗）和抽象的經驗（符號的經驗）。其中，直接的經驗位于經驗之塔的底層，表示直接的經驗是上面兩大類經驗的基礎，人的學習過程總是從最底層做的經驗開始，然后不斷上升到最頂層抽象的經驗。“經驗之塔”理論為虛擬機織實驗系統的開發提供了理論指導，學生操作機織設備的過程是學生獲得直接經驗的過程，從直接經驗入手來學習機織設備的操作，這樣的學習更容易被學生掌握[8]。

3.2 混合學習論

混合式學習就是要把傳統學習方式的優勢和網絡化學習的優勢結合起來，也就是說，既要發揮教師引導、啟發、監控教學過程的主導作用，又要充分體現學生作為學習過程主體的主動性、積極性與創造性。將虛擬機織實驗系統應用于實踐教學當中，將先進的資源與機織課程相結合，本身就是一種混合，即混合學習[9]。

4 教學實例

以“機織學”中的縷紗測長實驗為例，進行虛擬實驗輔助教學和常規教學對比。縷紗測長是“機織學”中的必修環節，要求學生了解縷紗測長儀的工作原理和操作方法，并且能夠熟練操作設備。本實驗所使用的縷紗測長虛擬實驗由UG軟件重建單紗強力測試設備和測試場景，采用Adobe Flash再現了測試操作過程。本研究隨機選取紡織工程專業2017級學生40人，分為2組，一組為常規教學組，另一組為虛擬實驗輔助教學組。教學過程及教學效果如表1所示。

表1 常規實驗教學與虛擬實驗輔助教學過程及教學效果

從表1中可以看出，相較于常規實驗教學，虛擬輔助實驗教學的效率更高，教學質量更好，通過虛擬實驗室的自主學習，完成一組實驗所需的時間明顯縮短。同時，虛擬輔助實驗教學法可節約場地，解決了高校教學場地不足的難題。

5 結語

將虛擬實驗手段應用于“機織學”教學，是一種可以解決現階段高校教學場地不足、經費困難以及課時有限等問題的有效手段，值得推廣和應用。但是作為一種輔助教學方法，虛擬實驗手段也存在自身的不足，比如模擬失真、需要學生有較強的自學能力等，因此，在實際教學當中，還是需要將現場教學和虛擬教學相結合，以達到最好的教學效果。