印刷包裝虛擬仿真平臺的構建及創新人才的培養

楊永剛，劉江浩，王華明

（北京印刷學院 研究生院，北京 102600）

一、印刷包裝虛擬仿真實驗平臺的構建

（一）構建虛擬仿真實驗平臺的必要性

在印刷包裝類專業實踐教學環節中，生產型印刷機、印后裝訂與整飾設備及各種包裝機械較昂貴，設備種類多，實驗用機型更新換代速度慢，實驗成本高，且實踐教學環境與企業生產實際差別較大，導致學生參與度較低，實踐教學的效果難以保證，制約了復合應用型人才的培養。另外，實驗用印刷機、裝訂線、覆膜機和各種包裝機械體積龐大，占用較大的物理空間，開展實驗所用的油墨、膠黏劑等，也會產生一定的揮發性有機化合物排放和設備清洗廢水，對環境友好性不夠。由于實驗條件的局限性，采用虛擬仿真實驗技術及平臺替代真實實驗設備和部分實驗環節迫在眉睫。

北京印刷學院于2012年組建了印刷包裝虛擬仿真實驗中心，對相關課程實驗進行梳理和設計，本著“虛實結合、相互補充、能實不虛、能虛盡虛”的原則，構建了一部分虛擬仿真教學資源。目前完成了對印刷工藝虛擬仿真實驗資源中膠印、凹印、柔印虛擬仿真軟件的升級，搭建了印刷包裝虛擬仿真實驗中心教學平臺，開發了平版膠印印刷車間虛擬仿真實驗資源。目前，正在有序推進書刊裝訂車間虛擬仿真實驗系統開發、印后加工車間虛擬仿真實驗開發、包裝全工藝流程虛擬仿真實驗系統開發、包裝盒設計與可視化加工制作、包裝生命周期評價系統開發等。該平臺的構建有助于學生從不同維度了解真實的印刷包裝工藝流程，加強專業間的交流互動，促進復合應用型人才培養。同時，結合培養方案，利用開發的虛擬仿真系統平臺，設計并嵌入理論課程或者集中實踐環節的課程。

（二）構建虛擬仿真實驗平臺的創新性

1.通過將虛擬仿真軟件引入新工科印刷包裝類人才培養實踐教學中，建立近似真實的印刷包裝生產環境，將抽象的印刷流程和印刷故障形象化，要求學生親手排除印刷故障進行上機印刷生產，通過不斷試錯的方式學習實際操作和故障分析與排除，激發學生主動學習的積極性和主動性。將龐大的包裝物料生產設備和自動充填包裝線數字化，不僅降低了實驗工作量和實驗成本，重要的是能增強學生的實踐能力，強化理論教學效果。

2.虛擬仿真實踐平臺的設計和搭建會綜合應用信息技術、VR技術、仿真技術、3D建模技術、人工智能識別技術等多種先進技術，能系統訓練學生的創新思維，有望使學生從系統的應用者變成系統的改進者和開發者，為后續實踐平臺的持續改進和完善，以及平臺資源的遠程共享提供技術支持。

二、平版膠印工藝虛擬仿真實驗平臺案例

（一）虛擬仿真實驗系統的先進性

本虛擬仿真實驗項目是在360度全景拍攝真實印刷車間的基礎上創建的虛擬場景，運用三維建模、動畫等技術手段再現了海德堡四色膠印機的生產流程及關鍵技術環節，通過在虛擬場景中的參數設置和操作，能獲得即時印刷效果，如同逼真的印刷生產過程。我校擁有該軟件的自主知識產權，也是國內同類高校中第一個開發設計基于海德堡四色膠印機的印刷虛擬仿真實驗系統。作為教育部“卓越工程師教育培養計劃”試點專業、“雙萬計劃”國家級一流本科專業、北京高校“重點建設一流專業”，印刷包裝類專業將逐步搭建校際合作交流的實踐平臺，促進優勢特色資源向其他高校開放并輻射行業，培育創新卓越工程人才。

（二）虛擬仿真實驗教學設計的合理性

本實驗所選擇的3D建模的原型為海德堡四色膠印機，該品牌印刷機在我國印刷行業中使用較為廣泛，設備市場占有率高，具有代表性和示范性。本實驗的操作流程是按照海德堡四色膠印機的培訓手冊設計完成的，能夠滿足學生實習訓練的要求，也可以推廣到印刷企業新員工培訓工作中。

本實驗以海德堡膠印機的生產工藝為主，將“印刷原理與工藝”課程中的水墨平衡原理，“顏色科學與技術”課程中的印刷色彩再現原理，在實驗過程中進行了有機結合。實驗不僅是設備的操作，也能使學生更好地理解這些原理在實際印刷工藝中的具體運用。實驗以印刷專業實習實踐課的目標要求為出發點，圍繞膠印生產線，將教學內容及知識點進行分解，涵蓋印刷機墨鍵調節實驗原理、印刷水墨平衡實驗原理、印刷色彩再現實驗原理等，包括印刷過程中的潤濕、膠印油墨轉移過程、印刷色序及油墨疊印、膠印版的裝卸、膠印機套準的調節等17個理論與工程訓練模塊，并形成虛擬仿真系統的重要設計單元。整個實習訓練過程通過這17個模塊依次串聯，還可根據不同的競賽訓練要求或理論與實踐課的定位差別設計個性化的學習與考核任務。這些模塊的學習與考核可以面向不同的群體，體現不同的層次與目標要求，把理論知識與實踐技能有機融合在實驗項目中進行充分展現，并最終反映出對復合應用型實踐創新人才的培養。

（三）虛擬仿真實驗平臺的實用性

實驗系統構建的虛擬仿真實驗環境，全方位逼真再現了印刷車間的環境及設備的真實運行狀態，以3D建模的形式直觀呈現印刷車間及印刷機的操作，極具可觀性和吸引性，解決了由于實驗設備缺乏，學生不能單獨完成設備多次操作及可重復性訓練的問題，也解決了印刷車間難以承接大批量學生同時進行實踐訓練的難題，有效地拓展了實驗內容的深度和可重復性，提升了印刷機操作訓練的學習效果，凸顯了虛擬仿真實驗的優勢。

依托虛擬仿真實驗教學項目，學生可以在實習的過程中，先通過虛擬仿真實驗的學習，對印刷機的操作工藝流程形成系統性了解，熟練掌握設備參數設置等多項復雜程序，對印刷產品的預墨量調整有直觀的對應效果的感知，并熟練掌握印刷套準的技術操作，然后再通過實際印刷機進行對應實習，實現了“虛實結合、以虛補實”的設計初衷，保證了學生實驗的安全性、高效性，切實減少了實驗材料的損耗，確保了學生在虛擬仿真實驗中獲得經驗，也保證了現場教學的順暢及效果。項目本身具有一定的創新性。

實驗教學項目還提供了學習模式和考核模式，學生前期可通過學習模式按程序提示完成設備操作，并可多次重復訓練；考核模式則通過多套不同產品的隨機抽取，對主要設備操作模塊進行分塊考核和整體考核，同時結合軟件的自動評分系統，使學生能夠直觀地看到實驗效果，有效調動了學生參與實驗教學的積極性和主動性，激發了學生的學習興趣和潛能，推進了探究式教學方法的普遍運用。考核模式中隨機抽取的模擬印刷品，也給學生在墨量調節上設置了一定的難度，學生需要結合所學的理論知識并結合實際生產效果進行調節和設置，能夠有效地提升學生解決復雜問題的綜合能力，培養學生自主分析問題的思維方式，體現課程的高階性和挑戰度。

（四）核心要素虛擬仿真設計

1.墨量調節虛擬仿真。該要素模擬印刷機操作臺上的墨鍵調節，主要仿真內容包括：四色印版墨區劃分、四色印版各墨區墨量粗調、四色印版各墨區墨量微調、四色疊印效果評價等實驗過程。仿真實驗可以使學生有機會多次重復練習墨量調節，快速掌握一定的調節技巧，并通過虛擬的印刷樣張呈現，讓學生更直觀地感受墨量調節效果，并且鍛煉了學生將印刷原理與工藝、印刷色彩學、印刷材料及適性等專業理論知識應用于實踐的能力，實現“虛實結合”。

2.裝卸印版虛擬仿真。該要素模擬印刷機上印版的裝卸，形象地仿真印版打孔和彎版、四色印版區分、卸版過程操作、裝版過程操作等實驗過程。仿真實驗可以使學生有機會多次重復練習印版的裝卸操作，突破了實體實驗時印版浪費率高、印刷機磨損嚴重及實驗周期長的教學瓶頸，實現“以虛代實”，以及實驗教學與工程實踐的無縫對接。

3.套準調節虛擬仿真。該要素模擬印刷樣張套準的調節，主要仿真內容為：印刷樣張抽樣、放大鏡查看、套準調節、調節精度的評價等實驗過程。在實際的生產實習中，套準調節屬于精細實踐工作，學生難以在有限的實習時間內掌握套準調節的有效方法。該部分仿真實驗提供了真實的套準調節操作，可通過多次練習快速掌握這項實踐技能。

4.虛擬仿真實驗教學過程。該虛擬仿真實驗共計12學時，實驗教學過程是以網絡化、學生自主學習為基礎的工程訓練模式，具體過程如下。

在課程教學前，學生通過學習和查閱理論知識、總結印刷真實設備實習中的問題，針對實驗內容進行自主學習和準備。

在課程中，學生根據分組和任務，利用網絡資源自主學習（集中或分散）。首先通過虛擬實驗，學習工廠環境下的安全注意事項及完整實驗工藝流程，掌握膠版印刷機相關的操作規程，然后進入虛擬實驗中的學習模式，學生需要完成每個階段的任務才能進入下一階段學習。此學習模式可以反復學習直到學生掌握為止。進入考核模式學生需要完成9個模塊的考核，以檢測虛擬實驗的學習效果。期間教師只起到引導、釋疑和推動作用。

最后，學生提交考核結果，教師可通過教學網絡平臺對考核結果進行分析，給出指導性意見。

5.虛擬仿真實驗教學特色。（1）實驗設計。通過三維仿真技術，在360度全景拍攝的基礎上創建了真實的平版膠印印刷車間的虛擬場景，運用三維建模、動畫等技術手段再現了海德堡四色膠印機，全面還原了膠印機自開機檢查、工單閱讀、材料準備、參數設置、上版操作、預設墨量設置、墨量調整、套準調整、水墨平衡調節、預印刷操作、正式印刷、設備清洗等全套設備操作過程，實現了對平版膠印機印刷設備逼真建模仿真，使學生產生直觀的認識。實驗中還設置了多個交互環節，可通過設置不同參數，讓學生了解印刷后的不同效果，并獲得真實實驗效果的感受。學習者通過該項目，不僅能夠對膠印印刷工藝的過程有全面了解和掌握，而且還能熟練掌握、操作平版膠印機。（2）教學方法。平版膠印工藝虛擬仿真實驗項目以學生為中心，學生通過主導實驗過程，操作實驗裝置，增強了對知識的獲取興趣和能力。指導教師只需講解軟件的基本操作方法和介紹實驗的內容，在整個實驗全過程加以指導和引導，啟發學生創新意識，培養學生發現問題、解決問題的能力，調動學生學習的積極性。學生能夠直觀感受印刷車間一線場景，掌握印刷機的結構、工作原理和性能特點。在實驗項目中，設置學習模式和考核模式，學生上機先進行學習模式的學習，根據學習模式中的操作提醒，自行完成印刷機的基本操作學習，通過多次反復練習后，基本可以掌握操作流程和參數設置，然后再通過考核模式進行模塊式的訓練。每個模塊設置多套不同的目標印件任務，從而激發學生對專業學習的興趣，發掘學生的創造潛能，引導學生提高解決實際問題的綜合能力。（3）評價體系。平版膠印工藝虛擬仿真實驗項目能夠對參加實驗學生的全過程進行記錄，并能夠隨時進行實驗指導，對于學生的操作時長記錄及考核完成情況都有較為完善的評價標準，以提高評價的公正性。平臺建立了完善的反饋機制，對參加實驗學生各方面的建議、評價與反饋信息，進行全面系統的統計分析，為指導教師改進和完善實驗提供參考，進而提高教學效果。

三、印刷工程創新人才培養模式的探索

（一）構建以學生為中心，基于虛擬仿真環境的自主式工程訓練模式

在新工科建設背景下，各學校對實踐教學環節更加重視，不斷采購印刷相關先進加工設備，但是因實訓內容增加而造成的實訓操作時間縮短的矛盾日漸突出。因此，探索基于網絡化的開放式教學模式，突破時間和空間的限制，實現以學生為中心、自主學習為基礎的線上線下相結合、課上課下相結合的工程訓練實踐有著重要的現實意義。

教師布置學習任務后，要求學生以個人或者小組為單位利用網絡資源自主學習（集中或分散）。通過虛擬實驗，學習工廠環境下的安全注意事項及完整實驗工藝流程，掌握膠版印刷機的相關操作規程。

（二）開展以項目為引領，以本科教學改革創新為目標的新范式實踐教學

通常情況下，傳統式教學在工程訓練上體現為單一設備的學習和操作。以項目為引領的教學模式則是通過項目牽引，以工藝為導向，在完成項目實驗過程中，不斷鼓勵學生解決實驗過程中出現的故障，最終完成實驗要求。這種教學方法有助于激發學習興趣，挖掘學生的創新潛能，培養學生主動探索的精神和學習熱情，提高學生的工程素養。

（三）通過“虛實結合”學習和闖關式考核，培養學生工程實踐創新能力

膠版印刷機實操作為工程訓練不可或缺的教學科目，在工業生產中應用十分廣泛。由于其相關設備體積大、分量重，操作過程耗材浪費率高，在實驗室教學環境下很難達到滿足理想教學要求的人機比；因此，建設虛擬項目、實現虛實結合的教學模式十分必要。通過虛擬仿真系統面向實際膠版印刷機的仿真操作，學生在有較強真實感和臨場感的環境中，可以更快地掌握膠版印刷機的操作，而只依靠傳統實訓教學很難達到這樣的效果。

通過線上虛擬操作，學生能夠快速掌握膠版印刷機操作方法，在課上有更多時間進行實訓，大大提高了實訓效率。各組成員基本上可以直接操作膠版印刷機的各個環節，通過虛實結合，達到了更好的工程訓練效果。