基于仿真軟件的紡織工程類課程虛擬資源建設及教學實踐

李新榮， 王建坤， 王 浩， 李玉卓

(天津工業大學 a.機械工程學院； b.紡織科學與工程學院， 天津 300387)

現代信息技術與教育教學的深度融合引發了課程建設與課堂教學的重大變革，打破了傳統的教學模式與學習方式。工程類學科的特點是工程性、實踐性、應用性強。紡織工程類專業的核心課程同樣具有很強的實踐性，如“紡紗工藝及設備”課程，學生首先要對紡紗工藝流程和設備有清晰的認知，才能更好地理解工藝理論知識，進而掌握紡紗工藝及設備機構的設計要求，達到課程的教學目標和教學效果[1-3]。然而，(1)由于紡織生產流程長，工序設備多，某些設備占地面積大，實驗室無法安裝，普遍存在實驗室設備臺套殘缺不全的問題[4]；(2)紡紗設備內部結構復雜，生產中大多是封閉狀態，不易呈現，采用傳統的教學方式很難使學生理解并掌握；(3)高校生源不斷擴大，教學資源相對不足；(4)校外實習基地受人數、企業生產調度、實際生產設備運轉速度快、危險系數高、機物料消耗大等實際情況制約，企業很難給學生提供較大的自主設計機會，使學生難以得到全流程設備機構與工藝設計的實踐。

為此，課程教學團隊本著產學研用的教學理念，通過與企業合作，引進HyperWorks、Inspire等虛擬仿真軟件，并由任課教師與學生一起組成團隊，以“紡紗工藝及設備”課程為例，對軟件進行二次開發，彌補了實驗室紡紗設備臺套不全、內部結構不易呈現、不可視等缺陷，解決了教學資源不足的問題，完善了課程內容體系，建成了虛實結合、以虛輔實的信息化教學平臺，同時改革課程教學模式和考核方式，實現了信息技術與課程教學的深度融合，有效促進了教學，提高了教與學的效率及效果。

一、基于仿真軟件的紡織工程類課程虛擬資源建設

1.完善課程內容體系

依據紡織工程類專業人才培養方案和“紡紗工藝及設備”課程教學目標，課程教學團隊通過認真研討，梳理了傳統理論教學存在的問題，如課程信息化教學資源不足，現場教學開展困難，教學效果不理想等，明確了以HyperWorks軟件二次開發為手段，將“紡紗工藝與設備”課程內容模塊化設計，采用虛擬仿真技術使學生產生身臨其境的感覺，激發學生學習的興趣。模塊的設計以紡紗各個工序為基本單元，結合紡織類專業學生的實際學習情況，對HyperWorks軟件中的每個操作單元進行二次開發，構建了符合紡紗工序流程的教學模塊。如開清棉作為紡紗的第一道工序，流程長、設備多，且設備占地面積大，實驗室無法配套等，因此采用虛擬仿真軟件進行模擬，重點呈現設備的內部結構和虛擬車間，使學生很好地理解抓棉機、混棉機、開棉機、清棉機的內部結構和工序流程，達到身臨其境的效果；再如精梳機作為高檔紡織品的專用設備，內部結構復雜，價格較貴，國內紡織院校的實驗室大多沒有這種設備，因此采用虛擬仿真平臺，進行局部化仿真模擬，使學生搞清給棉羅拉、上下鉗板、錫林、分離羅拉、頂梳的運動配合情況，進一步理解生產高質紗的原理；此外，為了讓學生掌握紡紗工藝原理，采用虛擬仿真平臺，分別對開松、梳理、牽伸、加捻等紡紗的主要環節建立纖維動力學模型。通過對軟件的二次開發，完善了課程內容體系，夯實了教學基礎，促進了課程教學。

2.構建課程教學平臺

原有教學平臺以小型設備為主，因其占地少、調整靈活、機物料消耗少，在教學中起到了重要作用。但受臺套不齊全、更新速度慢等客觀條件的制約，這些設備的技術落后于企業生產設備，導致學生接觸不到最新的工藝技術，不能滿足學生的發展與社會需求，影響了培養效果。隨著信息技術與教育教學的不斷融合，虛擬仿真技術的應用與課程平臺的建設成為解決上述問題的良方。為此，團隊成員積極調研，與Altair公司合作，引進其強大的虛擬仿真軟件HyperWorks，并進行二次開發，完成了開清棉和精梳虛擬車間以及纖維動力學模型等模塊，每個模塊均參照實際生產中最先進的設備開發，特別注重信息化與智能化技術的呈現，有些甚至超前于實際設備；同時在已有小型紡紗設備的基礎上，與國內知名紡織機械企業合作，適時更新設備的部分結構、傳動、顯示等部件，如采用變頻調速、PLC可編程控制等取代傳統的減速箱等，實現了電子牽伸、電子升降、觸摸屏顯示等功能，使學生有機會接觸先進的工藝設備與技術。建成的虛實結合、以虛輔實課程教學平臺，可為學生清晰展現紡紗系統構成，各工序設備及其內部結構、任務與原理等，使得教學內容更加生動直觀，教學手段更加靈活多樣，彌補了紡紗實驗設備不能客觀反映生產實際的不足，為“紡紗工藝及設備”課程教學提供了強有力的軟硬件支撐。

3.改革課程教學模式

通過完善課程教學內容，并運用虛實結合課程教學平臺，采用全新的“紡紗工藝與設備”課程教學模式：開發與應用相結合——干中學，線上與線下相結合——重點學，課內與課外相結合——靈活學。

軟件的二次開發過程是：(1)采取導師制，由任課教師與學生組成開發團隊，教師負責，學生參與；(2)項目驅動，針對具體開發內容，教師下達任務，學生收集資料，并在教師的指導下進行開發；(3)匯報討論，學生分組匯報討論，完善開發方案，改進開發技術，最終完成開發任務。經過這一過程的訓練，學生掌握了虛擬仿真軟件的應用技術，補充完善了部分課程教學內容，實現了“干中學”，提高了學習的積極性和主動性，提升了學習效果。

在教學過程中，教師可以采用線上與線下相結合的教學方式，課前通過線上推送虛擬仿真預習模塊并布置學習任務。在線下課堂上，教師除了講解重點難點內容外，還針對學生預習中遇到的問題進行重點說明，并組織學生開展課堂討論，加強互動，提高學生學習的積極性與主動性，實現了線上線下結合——重點學。為考察學生的學習效果，還可要求學生在課外分組交流，學生根據教師布置的任務以及自己搜集的資料在虛擬仿真平臺模擬操作，分享虛擬平臺紡紗設備的操作經驗和工藝原理。這種教學模式改變了單一課堂教學的“滿堂灌”，使教與學靈活多樣，實現了課內課外結合——靈活學。

通過參與虛擬仿真軟件開發，課前預習虛擬模塊，課上聽重點內容講解，課外查找資料、虛擬操作等環節的學習與訓練，充分發揮了虛擬仿真教學模式的作用，促進了學生利用平臺資源更加有效地掌握紡紗工藝原理和設備結構，了解典型紡紗工序的特點，并能運用所學知識分析和解決紡紗過程中的常見技術問題，為后續的生產實習和工作打下良好的專業基礎[5-7]。

二、基于仿真軟件的紡織工程類課程教學實踐

1.課堂教學

課堂教學是課程教學的基礎。在課堂教學中，教師主要講解紡紗工藝流程和設備的基本結構、原理以及使用方法。針對“紡紗工藝與設備”課程內容廣、實踐性強的特點，課堂教學采用線上線下相結合和多媒體教學手段。教師布置線上學習任務，學生自主學習并在虛擬仿真平臺上模擬操作。線下采用案例式、互動式和討論式教學。一方面通過紗線半成品生產實例講解紡紗工藝與設備的基本理論；另一方面實施互動式和討論式教學，調動學生學習的主動性和積極性。根據紡紗工藝流程，教師按章節講解要點，對學生分組，要求學生在虛擬仿真平臺上模擬操作，并分享操作經驗。通過課堂討論和布置課外作業形式，促使學生積極參與和自我學習。

2.實驗教學

實驗教學是課程教學的主要環節，也是學生掌握紡紗工藝與設備的實踐環節。在“紡紗工藝與設備”課程實驗教學中，以生產設備為例，設置了工藝理論回顧、設備內部結構解析和紗線半成品生產實驗，使課程的理論學習和具體實例分析相結合。在實驗教學中，由于有些設備，如開清棉工序的抓棉機、混棉機、開棉機、清棉機等體積龐大，實驗室無法配套，采用虛擬仿真平臺進行模擬，能夠達到身臨其境的效果；再如，精梳機內部結構復雜，在生產過程中無法展現，采用虛擬仿真平臺，進行局部仿真模擬，可使學生清晰地理解給棉羅拉、上下鉗板、錫林、分離羅拉、頂梳幾個部分的運動配合情況。此外，學生可以采用虛擬仿真平臺，對開松、梳理、牽伸、加捻等紡紗工藝原理建立比較直觀的認識。

3.考核評價

結合教學內容和教學模式，將考核分為四部分：(1)軟件開發，主要考察學生參與軟件二次開發和積極主動學習情況，該部分主要由指導教師負責評定；(2)課前預習，主要通過課堂互動來考察學生完成課前預習的情況，由任課教師評定；(3)課下虛擬仿真平臺操作，主要考察學生對虛擬設備的掌握情況，進而了解學生對工藝理論的掌握，由學習平臺自動記錄；(4)期末考試，主要考核學生掌握工藝理論與設計要點等重要內容。這種多元化考核方式實現了對學生學習全過程的考核，同時還根據不同學年學生的具體情況適時調整各部分的占比，以更真實地反映學生的學習效果，使評價結果更加科學合理[8-9]。

三、結語

以“紡紗工藝及設備”課程為例，基于虛擬仿真軟件及技術理順了“紡紗工藝與設備”課程各模塊間的銜接與遞進關系，通過教學資源建設與教學實踐,使學生學習工程實踐類較強的課程時如身臨其境，從感性認識到理性認識，增加了學習興趣，提高了學習的積極性和主動性，使學生從“要我學”變為“我要學”，提升了教學效果，達到了培養目的。采用項目驅動的導師制教學模式，提高了對教師掌握現代教育技術、應用虛擬仿真軟件等教學能力的要求。這種新型教學模式及全過程考核評價方式，在增加學生學習挑戰度的同時也給學生自主學習留足了空間，摒棄了傳統“一考定終身”的不合理評價方式，能夠真實檢驗培養效果。教學資源整合與信息化教學平臺構建，提高了教師的項目開發能力，靈活多樣的教學手段，提升了教師的教學能力。實踐表明：基于仿真軟件的紡織工程類課程虛擬資源建設及教學實踐為同類課程的改革起到了示范與引領作用。