虛擬仿真計算機技術在包裝設計課程教學中的應用

龍 健

（桂林電子科技大學藝術與設計學院，廣西 桂林 541004）

1 計算機仿真技術

1.1 計算機仿真技術簡介

從定義角度來看，計算機仿真技術（Computer simulation Technology）屬于特殊的系統模型，其需要計算機技術的支持，也融入了先進的仿真技術，可對特定事件進行模擬處理，廣泛運用于培訓機構、物流機構、建筑機構等行業，得到了人們的廣泛認可[1]?！鞍b設計”課程引入了計算機仿真技術，對設計的效果進行了有效的模擬分析，得出最佳的設計方案，滿足基本的包裝設計需求。計算機仿真軟件可分為兩大類：首先是通用型軟件，常見的是ADINA、ANSYS等，近年來更多的人習慣使用ABAQUS、NASTRAN等，且ANSYS的適用范圍最廣泛，不僅可以進行包裝設計的動力學分析，還可以開展結構靜力分析，如果與計算機輔助設計（CAD，Computer Aided Design）軟件結合，還可以做到數據的有效交換，滿足用戶的數據共享需求。其次是專用型軟件，常見的是TOPSPro、Cape Pack等。隨著科技的發展，Truckfill、Vision Pack等軟件得到了人們的好評，被廣泛使用。專用型軟件主要用于包裝設計的優化分析，分析托盤的承重力、探索集裝箱的最佳擺放形式。Cape Pack軟件在課堂教學中較為常見，可引導學生學習包裝設計的相關知識。

1.2 虛擬仿真技術應用和發展

虛擬仿真技術實現了人機交互，可從多個層面進行虛擬環境的搭建，用戶可在虛擬環境下開展人際交流。當前來說，虛擬仿真技術已經與多個行業相融合，常見的是軍事、教育和醫學等，其推動了行業的發展，為科技的提升和生活的便捷帶來了機遇[2]。另外，虛擬技術在計算機的幫助下可對海量數據進行運算，這給物流運輸行業的改革打下了基礎。

我國重視虛擬仿真技術的探索，制定了一系列的學習計劃，并將虛擬仿真技術融入高校課堂中，希望能夠培養出有秀的智能化人才。從國外高校教育改革的現狀來看，信息技術為學生的知識學習塑造了虛擬環境，并為學生準備了多樣化的實踐平臺，學生的學習積極性顯著提升，對應的學習質量不斷改善。例如，英國為學生構建了3D學習環境，購買了先進的虛擬設備，幫助學生進行在線知識的學習。除此之外，英國還組建了虛擬實驗室，學生可在網絡技術的幫助下進行虛擬儀器的使用，激發了學習興趣。

虛擬仿真技術的研發需要資金的支持，且有較大的難度。對于我國來說，由于資金不足，無法對虛擬仿真技術開展有效的探索，導致發展水平與國外有著顯著差距。為此，政府等相關部門制定了多層面的扶持政策，希望可以確保虛擬仿真技術的順利研發。在高校的教學改革中，虛擬仿真技術成為必要的學科，學生從中學習虛擬仿真技術，實現學生的全面發展。值得注意的是，虛擬仿真技術與“包裝設計”課程相結合，教學過程分為理論知識、包裝設計和實踐探索3個階段，科學化的教學課程有助學于學生掌握“包裝設計”知識。通過不斷實踐，學生對虛擬仿真技術有了深入的了解，符合新課改教學要求。隨著時間的推移，虛擬仿真技術不僅在軍事中廣泛使用，而且逐漸向民用的方向發展，為各行各業的順利發展創造了條件，成為人們生活的一部分。

2 課程教學中存在的主要問題

2.1 理論教學學時比例過大

在實踐課堂上，課程教學重視的是理論知識的講解，而實踐過程分為多個階段。首先是包裝件相關參數的確定，隨后是包裝材料的選擇和整理，其次是緩沖墊等相關裝置的安裝，最后是包裝件性能的實驗。整個教學過程以教師講解、學生記筆記的形式為主，不利于學生對知識的掌握。從宏觀角度來看，課程教學需要分為兩個階段：第一是理論階段，教師需要向學生講解動力學模型知識，告知學生如何實現振動緩沖，學生難以在第一時間完全理解，需要教師多次講解，也就消耗了大量的時間。第二是設計階段，教師要求學生跟隨教師的引導，將準備好的裝置安裝在一起，并為學生制定有針對性的實踐活動，在該階段實施前，教師已經將基本的材料整理完畢，學生對基礎知識也有了深入的了解，所以實施過程非常順利，短時間內即可完成。絕大多數高校重視的是第一部分的講解，動手實踐部分較為簡單，使得學生只懂得理論，而缺乏實踐能力，嚴重制約了學生的創新精神。

2.2 實踐環節內容老套陳舊

實踐環節是課程教學的核心，其又可分為實驗設計和課程設計兩部分。對于實驗設計來說，學生必須掌握基本的“包裝設計”知識，并在教師的引導下進行實踐能力的培養。但實際狀況并非如此，多數高校盡管組織了合理的實驗設計課程，但僅停留在表面，使得實驗數據不精確，無法成為后續實踐階段的依據。在課程設計過程中，學生需要將所學的知識付諸于實踐，教師在其中擔負著引導作用。初步研究發現，多數高校的課程設計以材料的選定和緩沖墊的制作為主，該內容并不能從本質角度提高“包裝設計”的質量，只能確保包裝的可用性。另外，實踐階段的順利進行受多個因素的影響，實驗條件的不足和設計課程的缺乏都會造成制約，這也是企業最關系的內容。如果實踐環節內容老套陳舊，那么教學質量難以提高。

3 具體實施措施

3.1 課堂理論教學與仿真實例結合

通過前文的分析發現，“包裝設計”的理論課程講解往往占用的時間較多，超過了60%。新課改對“包裝設計”課程教學提出了新的要求，要求盡可能避免學生厭煩情緒的形成，此時教師引入生活案例，用實際行動去提高“包裝設計”教學質量。在具體的實踐中，教師將理論知識講解與成功案例結合，既讓學生學習基本知識，又拓展了學生的知識視野，使學生的積極性不斷提升。除此之外，教師還主動為學生篩選課外實踐企業，讓學生的理論知識成功付諸于實踐。通過校企的合作，學生積累了“包裝設計”實踐經驗，對于基礎知識的理解也更加深入，改善了“包裝設計”教學效果。

3.2 實驗教學與仿真技術結合

借助科學化的實驗教學，讓學生懂得如何評定“包裝設計”的性能，為后續包裝設計計劃的調整創造條件。以實驗目的為標準，可將教學形式分為評價實驗和分析實驗兩種；以物流危險因素為標準，教學過程又分為沖擊實驗、環境實驗等形式，另外，近年來增加了振動實驗和壓力實驗等形式；以結合形式為標準，可將教學形式分為3類，即單項實驗、多項實驗、綜合實驗。一般來說，高校具備基本的實驗條件，相關的振動臺和壓力實驗機較為齊全。但是，由于儀器數量的不足，多數學生的實踐時間有限，并不能確保全部實驗的面面俱到，制約著教學質量的提高。仿真技術的全面的應用，可使學生對實踐過程有全面的認識，尤其是避免了貴重物品的損壞，學生的積極性得到了提升，滿足新課改教學要求。

3.3 課程設計與仿真技術結合

要想掌握包裝件的性能數據，就需要進行合理的評價和優化，“包裝設計”課程教學內容見圖1。初步研究發現，傳統的課程教學無法在短時間內實現“包裝設計”的評價和優化，而仿真軟件的使用有效解決了這個問題，不僅節約了實驗時間，而且獲得了最有效設計模型。首先，學生在Pro/Engineer軟件的幫助下完成建模任務，其目的是獲得精確的立體圖形；隨后導入ANSYS軟件，根據需要開展相關數據的檢測，即振動與跌落仿真分析。CapePack軟件優勢表現在多個方面，尤其是確定了最佳的排列組合順序，為后續托盤的選擇創造條件。除此之外，教師將Pro/Engineer，ANSYS等軟件引入課堂，向學生講解更多的軟件使用技巧，加深學生對軟件的理解。此時，課堂教學過程充滿趣味性，提高了教學質量。

圖1“包裝設計”課程教學內容框架

4 教學軟件和輔助設備

為了更好地提高“包裝設計”教學質量，還需要對教學軟件和設備進行全面的分析，實現與課程教學過程的結合，為學生提供充足的實踐平臺。

4.1 仿真軟件

目前，常見的課堂教學仿真軟件由Unit y3D開發，其有著操作便捷、學習簡單的優勢，得到了學生和教師的認可。另外，63.4%的課堂仿真軟件來源于Unity3D開發，高校為學生采購了有針對性的學習材料，實現了理論和實踐的結合，為后續學生的對口就業打下了基礎。Unity3D開發的軟件在市場中占據著較高的份額，可應用在WIN、IOS、Android等平臺，有效地減輕了學生的知識學習負擔。

4.2 遠程實驗管理和考試平臺。

“包裝設計”教學要求學生掌握軟件的使用方法，教師對學生的知識學習狀況進行考核，這個過程需要考試平臺的幫助。在具體的教學過程中，考試平臺以Mysql或SQL Server為基礎，可憑借移動客戶端對相關數據進行訪問，這個訪問的過程就是對學生知識考核的過程。在實施教學考核前，學生需要進行身份驗證，只有驗證成功的學生才可以進行下一步操作，科學化的身份驗證系統不僅能夠協助教師完成考核任務，而且能夠確保考試平臺的安全性，尤其是避免病毒的入侵。教師可遠程通過在實驗管理平臺上發布考試信息，包括考試時間和考試內容等，學生需要在規定的時間內完成考試要求。考試平臺由Unity3D開發，具有極高的安全性，符合教學需求。

4.3 存儲設備和服務器。

“包裝設計”教學內容經過教師詳細的思考得以確定，其可存儲于服務器之中，以便隨時的調用。另外，系統還增設了獨立的儲存設備，可用于教學素材的存儲，也可以直接連接校園網絡，存儲網絡中的教學資料。

4.4 實訓桌椅和其他輔助設備。

在“包裝設計”教學過程中需要準備足夠的實訓桌椅，一般來說，教師需要完成5人交互工作臺的準備，期間可同時對40人進行教學。值得注意的是，“包裝設計”課堂教學中還需要準備路由器、交換機等設備，如果條件允許還可以增加教學擴音設備，盡可能滿足教學需求。

5 結束語

綜上所述，合理的“包裝設計”教學能夠拓展學生的思維，強化學生的創新能力。將仿真技術引入“包裝設計”教學課程是未來的發展趨勢，符合新課改的教學要求，有助于教學質量的提升。正是由于仿真技術的融入，才使得“包裝設計”的性能得到了改善，通過不斷的試驗和分析，降低不良因素給物流運輸造成的影響。仿真技術的使用彌補了實驗設備不足的缺陷，對于教學質量提高具有非常重要的意義。■