數碼印刷教學中半實物仿真實訓方案的設計與實踐

張來東

（廣西紡織工業學校 廣西南寧 530007）

引言

根據現實情況的發展，提前做好市場的判斷，是每一個成功企業家必須要做的事情，而企業離不開具有創新意識、基礎技能牢靠的員工，而為這些企業輸送人才的地方，就是各地高校。如何培養學生的知識技能，是整個教學過程中不可缺少的一步，在數碼印刷這個行業，具有很多抽象、難以理解的知識點，這對教師提出了現實要求，在實際教學過程中，半實物仿真技術就派上了用場。

一、半實物仿真實訓方案提出的背景

印刷術工業是中國主體經濟的一部分，但目前，在印刷術工作者隊伍中，接受教育并且具有技術職稱的人員還不及中國全部工業企業平均水平，同時從事專業技術的人才也還不到全國在職員工總數的百分之十六；高技術人才管理、人才短缺，特別是具有復合型技術的高級技師更為匱乏。這不但嚴重抑制了包裝印刷產業整體的提升與發展，還降低了與全球同行業的市場競爭性。據行業協會預測，到二零零五年廣東省地區印刷包裝產業的經濟增長率保持在百分之十七以下，人員短缺問題尤為明顯，珠三角地區印刷包裝產業在生產工程師中層管理技術人員開發設計等方面約有十五萬職位虛位以待。目前，雖然國內開設印刷專業的院校不少，但在操作技能和動手能力方面，實施理論聯系實際的方法培養印刷技術和高級維修人員的不多，主要原因是現代印刷設備價格昂貴（一套中等彩色數碼印刷設備200萬元左右）、結構復雜精密度高，按照傳統的教學模式無法讓學生通過拆裝學習設備的內部結構原理和訓練維修的技能；并且，由于設備數量有限，難以讓多個學生同時進行實訓操作，這些都是不利于提高學生專業技術能力的問題[1]。

今天的數碼打印和以往的機器制版打印技術不同，它的內容是百分之一百的可變內容，流程主要是從電腦到紙上或打印的流程（Computer-to-Paper Print），即通過將數字文檔/網頁轉換成打印品的流程，而最終圖像的生成流程則是完全數碼式的，不需要其他媒介的參與，現代印刷設備的科技含量大大提高，新工藝新技術不斷出現，這也增加了印刷技術人才培養的難度，在教育資源有限的情況下，怎樣才能滿足實踐訓練的需要，讓更多的學生通過拆裝設備，了解設備的結構，訓練對故障的排除和維修的技能，我們探索的解決方法是運用半實物仿真的方法建立虛擬現實數碼印刷的訓練環境，開創新的教學模式。

二、半實物仿真系統定義

實物模擬，也叫做硬件在電路中的模擬（Hardware in the Loop Simulation），是指在仿真實驗系統的模擬電路中接入部分實物設備的實時模擬。實時性也是進行實物模擬的必要前提條件。實模擬和其它類型的模擬方式一樣有著經濟地達到更高真實度的可行性。從系統的設計觀點出發，由于實物仿真可以在軟件系統中接入部分實體，意味著能夠將這部分實體置于整個信息系統中加以考慮，以便使部件能夠在實現系統總體性能指標的環境中進行試驗，所以實物仿真是進一步提高軟件系統總體設計的安全性和研制產品質量的必要手段[2]。

三、實物模擬系統的基本構造和設計

實物模擬系統屬于數字模擬系統。這是一個智能硬件內在環實時技術控制系統，將實體設備利用計算機接口植入到軟件環境中去，它規定了整個系統的軟體與硬件之間都要即時工作，以便模擬整個軟件系統的工作狀況，實時控制系統主要由如下幾部分構成。

1.仿真計算機

模擬計算機系統是數字模擬系統的核心組成部分，它執行實體對象和模擬環境的數學模型和編程。一般來說，可以利用多層次、模塊化的建模法，把模塊化程序分割為不同的速度塊，在模擬計算機系統中按速度塊實時調度執行任務。對復雜的大型模擬系統
可以通過多臺計算機聯網，實時執行。這也是實現實物模擬的巨大關鍵，也是必不可少的基礎設備[3]。

2.物理效應設備

物理效應裝置的主要功能就是通過仿真復現了真實世界中的物理學環境條件，從而構成仿真自然環境或稱虛幻自然環境。物理效應裝置可以實現的技術路線有很多，方法之一是引入伺服控制電路，再利用伺服控制電路控制產生對應的物理量，方法二是已儲存好的數據庫，轉換為對應的物理量。

3.接口設備

仿真計算機輸入輸出中的驅動信息經接口轉換后，驅動相應的物理效應裝置。接口裝置同時將操縱人員以及實物系統中的控制輸入等信息饋入模擬電腦。在模擬計算機中利用對空氣動力學體系和周圍環境的模型解算，可以得到體系和周圍環境中的各項基本參數。對于半實物化模擬系統，根據上述參數可以利用物理效應裝置形成傳感器所要求的測量環境，并由此形成整體的閉環化模擬體系。由于物理效應裝置是實現整個模擬體系所必須的中間環節，它們的動作特征、靜態特征以及時間延遲等都將對模擬體系的置信度和精度產生重大影響，因此需要有更嚴格的具體性能指標規定[4]。

四、數碼印刷教學現狀

目前，中國境內不但數字印刷技術和外國的數字印制技術有很大的差異，同時對數字印制的人才培養水平也基本處于空白。而數字印制技術作為數字印制的核心學科，在許多印制類專業中并沒有設置該門學科，而僅僅作為印制工藝教學中的一個章節簡單講述。也有部分印制學校考慮到了數字印制教學基礎的重要性，而設立了該門課程，不過在課程設置上也往往傾向于基礎理論而不重視實踐課程，而是根據學校當前的實際狀況，進行數字印制教學基礎理論和實踐課程的綜合研究，對培育具備相應基礎知識并同時具有一定操作技能的數碼印制人員來說有著重大的意義[5]。

五、半實物仿真實訓方案設計的基礎

虛擬現實思想的源頭，可追蹤至一九六五年在美國IFIP大會上發表的名為《終極的顯示》的研究報告，該報告提出了把計算機屏幕作為《觀看虛擬世界的窗口》，其設想是：利用計算機系統構造一個讓使用者“看起來景物真實運用真實聲音真實感覺真實”的世界。虛擬現實技術運用于學校教學中是教育科技發展的一次飛躍。從教學理論上來說，虛擬現實技術是一種富有真實感的交互式人機界面，人可以利用各種感官渠道與之進行信息互動、虛擬現實技術達到人的臨場化，以及參加者和虛擬現實周圍環境之間的交互作用、相互影響的一種整體的二個方面，它營造了由學習者利用自己與信息和周圍環境之間的互動來獲取認知技能的全新教學方法。

六、實訓方案的設計和實踐

數碼印刷的虛擬訓練采用半實物仿真的方法綜合運用人機交互與多媒體集成寬帶網絡自動控制技術，充分發揮現代信息技術的集成性、可視性和交互性。通過超文本圖形圖像動畫視頻聲音等多媒體形式，展現那些在傳統的教學模式中難以講授和訓練的教學過程。通過虛擬現實科技，學員們可以在虛幻環境中“親自體會”對仿真裝置的拆裝，大大減少經費的投入。虛擬實訓不僅能夠減少實際培訓的時間，還能夠達到更加直觀逼真的效果，并可以對一些不可視的因素和難以重組的精密裝置進作仿真實訓[6]。

數碼印刷的虛擬半實物仿真訓練包括：圖形圖像設計軟件、FIERY數碼印刷軟件系統、DC數碼印刷硬件系統，三部分形成一個從圖形圖像設計處理到最終完成印刷成品制作整個步驟的虛擬系統，讓學生掌握印前印中印后，以及印刷中排除故障和機器維修的能力。

1.DC數碼印刷機硬件系統的建模

利用建模軟件如3DMAX MAYA等對數碼印刷設備每個部分進行數字建模，形成三維圖像導入VR虛擬系統。DC型數碼印刷機的組成原理及虛擬訓練界面[7]。

2.360度全景瀏覽圖的虛擬設計

印刷設備的逐層剖析結構設計采用基于圖像的VR建模和360度瀏覽全景圖、利用VR虛擬系統可對設備每部分分層拆裝。虛擬實景空間BVS（Image-Based Virtual Space）是以朵集現實世界的實景圖像或視頻為基礎數據建立起的具有三維操縱能力的虛擬空間，它的基礎是全景圖。全景圖相當于實訓方案的效果，讓學生充分了解機械結構，通過虛擬環境對設備進行無損耗安全的拆裝訓練，學生能夠同時通過虛擬環境學習整個印刷工藝系統的實操過程，而不需全部學生全過程都在實際設備上進行操作，其他院校也可通過網絡接受遠程訓練，以達到資源共享，可以人為地設置印刷設備故障點，訓練分析和排除故障的技能，如：在不同的走紙路線位置卡。紙紙張屬性與設置不符碳粉不足傳輸帶偏移等，并可對機械硬件故障進行模擬維修。面對國家提出的加快培養高技能人才的要求，目前國家未制定出數碼印刷技術技能監測考核題庫，也未能找到合適的訓練考核方式，虛擬技術的引進是一個良好的解決方案[8]。

七、在實際運用中注意的要點

1.采用靈活的教學手段

現代的教學模式和技術手段也有許多，在實際的課堂教學中，往往需要根據不同的課程特色來選用。對于教學抽象或理論性較強的課程，如各種類型的數碼印制原理，可以適當引入多媒體，通過與圖像、動漫等的結合直接表現某些教師無法用語言表達或學習者不易掌握的概念、基本原理等，使教學更生動活潑風趣，便于掌握，同時還有助于培養學生的學習興趣。在講解數碼印制操作流程的具體內容時，適當結合操作錄像和虛擬動漫等，使講解過程更生動活潑風趣，更接近于生產實踐，讓學習者印象更加深刻，對訓練學習者的創造性思路也有很大幫助。此外，學校為提高學員的業余主動學習能力和主觀積極性，并充分調動學生的學習熱情，還利用互聯網向學員提供了大量的電子學習資料，包括課件、電子圖書以及有關的專業網頁鏈接，如必勝網等，以供學員在課外的時候充分利用網絡平臺，了解數字印刷的發展、工藝技術、市場等，從而為學生的自主掌握提供一個更加優越的條件，吸引學生的注意力，為學生接下來的學習提供動力，對于很難理解的知識點，可以通過巧妙的手段讓學生記住[9]。

2.選擇合適的教學方法

課堂中老師首先要充分調動學生對讀書的興趣，并鼓勵和引領學生進行學習，唯有如此方可提升課堂的實效性。要使學習者從被動學習轉變為自主學習，就需要將以下幾種教學模式結合穿插運用。對比教學法。傳統印刷和數字印刷從生產特征、使用范圍、印制機理、印制過程等多方位進行對照式教育，讓學習者系統地了解到傳統印刷和數字印刷之間的差異和聯系，從而更深層次了解傳統數字印刷的優點和未來發展的巨大潛力，增強學習者對數字印刷的重視。項目驅動教學法。項目驅動教學在該課題中主要進行實踐性教育，對培養學生的發散式思考能力和學習積極性，有著重大的作用。而實驗課程則主要介紹實際制作項目，讓學生通過具體要求，對產品進行設計和完成實驗作業，從而訓練學生的創造思想和學習技能。交互式教學法。在課堂教學過程中，重視教師與學生之間的溝通，防止老師單方面、填鴨式的灌輸方式。以學生為主導，掌握學生學習的興趣和本門課程的重難點，并針對情況進行課程調整，以改善課堂教學。這不僅能讓學生學會交流，學會與教師交流，增強自己的交流能力，同時也能了解學生學習情況，對接下來的學習，提供現實的依據。

結語

虛擬現實技術進入印刷技術訓練的研究將對探索發展現代教育思想、提高教育技術水平、改善實訓環境、優化教學過程、培養具有創新意識和創新能力的人才產生深遠的影響；能充分發揮虛擬技術的集成性、控制性和交互性的特點，這種方式還可向網絡學校虛擬教育延伸。