習智華，任 燕，師文釗

(西安工程大學 紡織與材料學院，陜西 西安 710048)

輕化工程專業(yè)創(chuàng)新虛擬仿真實驗平臺建設

習智華，任 燕，師文釗

(西安工程大學 紡織與材料學院，陜西 西安 710048)

分析虛擬仿真實驗平臺建設的背景，介紹西安工程大學紡織與材料學院輕化工程專業(yè)創(chuàng)新虛擬仿真實驗平臺建設的具體內容、系統(tǒng)功能以及優(yōu)勢特色。

虛擬仿真實驗平臺；輕化工程專業(yè)；實驗教學

一、 輕化工程專業(yè)創(chuàng)新虛擬仿真實驗平臺建設的背景

信息化技術的發(fā)展使紡織生產技術和產品不斷更新，也給紡織高等院校的實踐教學帶來了巨大的壓力。實踐教學是高校人才培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)，它對學生工程實踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)具有十分重要的作用[1-2]。在新形勢下高?，F(xiàn)行的實踐教學不能適應人才培養(yǎng)的要求，主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

1. 實驗室建設費用不斷增加

紡織生產技術的進步加快了企業(yè)生產設備的更新?lián)Q代和新產品的開發(fā)，導致高校實踐教學的設備滯后于企業(yè)，高校迫切需要更新實驗設備，這就要不斷增加實驗設備的投入，以提高學生的實踐能力、創(chuàng)新能力，適應社會對高素質人才的要求。由于行業(yè)技術創(chuàng)新的推動作用，實驗室建設費用需不斷補充，才能滿足實驗教學的要求，且后期的維護費用也居高不下。此外，不同高校的實驗教學基礎條件不同，受人力、物力、財力等方面的限制，實驗教學基礎建設的投入難以達到行業(yè)技術發(fā)展的要求，導致實驗教學無法達到預期的效果。

2. 理論聯(lián)系實際不到位

目前，高校教師隊伍中的青年教師大多從學校到學校，缺乏在實際生產中的系統(tǒng)性實踐和學習，對理論知識和生產實際之間的差異缺乏有效的了解，導致在指導學生實驗過程中，對實踐知識要求比較高的實踐教學環(huán)節(jié)，如設計性、綜合性和探究性實驗，無法做到理論聯(lián)系實際和進行細致的實驗設計和指導。與此同時，部分高校的師生比失調，使得在實驗教學過程中教師對學生的指導難以到位。

3. 教學目標難以落實

實驗教學的目標是培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新實踐能力。目前，由于高校實驗教學環(huán)境的局限，以及學生難以真正在企業(yè)開展實踐教學，在實驗教學中學生主要根據(jù)實驗指導書進行驗證性實驗，設計性、綜合性和探究性實驗嚴重缺乏，理論教學和實驗教學沒有得到有效的緊密對接，學生自主學習的積極性沒有得到完全發(fā)揮，其創(chuàng)新能力難以提升，教學目標難以落實[3]。

鑒于上述實驗教學存在的問題，我校(西安工程大學)紡織與材料學院輕化工程專業(yè)著手建設創(chuàng)新虛擬仿真實驗平臺。該平臺由課程實驗仿真系統(tǒng)和虛擬實驗教學管理系統(tǒng)兩部分組成。課程實驗仿真系統(tǒng)采用虛擬仿真技術在計算機上建立虛擬實驗環(huán)境,提供可操作的虛擬實驗儀器,使學生在互聯(lián)網上通過接近真實的人機交互界面完成實驗。虛擬實驗教學管理系統(tǒng)提供全方位的虛擬實驗教學輔助功能，包括實驗前的預習、開課管理、實驗庫的維護、實驗教學安排、實驗過程指導、實驗結果批改、實驗成績統(tǒng)計等功能，為實驗教學環(huán)境提供服務并開展應用。

二、 輕化工程專業(yè)創(chuàng)新虛擬仿真實驗平臺建設的具體內容

我校輕化工程專業(yè)創(chuàng)新虛擬仿真實驗教學平臺建設以先進的實驗教學理念為指導，以培養(yǎng)學生工程實踐和創(chuàng)新能力為目標，立足現(xiàn)實，著眼未來，突出特色，服務區(qū)域經濟和社會發(fā)展。通過該平臺的建設，可以使我校輕化工程專業(yè)實驗教學的整體技術水平得到有效提升，構建立體開放、資源優(yōu)化的輕化工程專業(yè)實驗教學資源，為創(chuàng)新性應用型人才的培養(yǎng)創(chuàng)造有利條件。

依據(jù)實驗的應用目的、應用對象以及實驗的性質、實驗的形式，結合輕化工程專業(yè)理論教學和實踐教學要求，輕化工程專業(yè)創(chuàng)新虛擬仿真實驗平臺主要由兩部分組成：(1)環(huán)屏模擬染整生產加工系統(tǒng)。采用多通道環(huán)屏模擬染整加工系統(tǒng)，利用高仿真操作手臂模擬器模擬染整加工企業(yè)的實際加工，并配合現(xiàn)場環(huán)繞立體音頻，利用計算機網絡技術生成一個逼真的、具有視聽多種感知的虛擬環(huán)境，使學生如臨工廠一般。(2)實際生產三維虛擬仿真系統(tǒng)。通過三維仿真及虛擬現(xiàn)實技術，最大限度地模擬各個染整加工工藝過程的真實現(xiàn)場，主要包括：①染整工藝三維仿真培訓；②加工工藝主要設備的原理(動畫)與結構展示；③分析過程仿真；④大型分析儀器仿真等。系統(tǒng)運用虛擬現(xiàn)實、分布式交互仿真、三維建模、網絡通信等技術，構建了一個開放的三維虛擬仿真實驗平臺，對包括設備的運行狀態(tài)、排液、排氣、泄漏、冒煙等進行模擬，在計算機系統(tǒng)上建立一系列與真實環(huán)境一樣的演練場景，使學生身臨其境，猶如在工廠完成實驗項目。

該平臺可以為所有學生在任何時間、地點提供實驗訓練環(huán)境。在互聯(lián)網技術的支持下，學生可在環(huán)境中入職不同崗位，按照職能和任務分工不同進行應急實驗任務演練；同時也可在局域網中實現(xiàn)各崗位的相互合作，多人協(xié)同實驗演練，完成教師所設定的實驗任務，以考核學生對操作技能的掌握程度。

該平臺的三維仿真教學實驗與考核系統(tǒng)具有為學生提供應急處置方案、差異化考核以及典型實驗、事故案例情景再現(xiàn)和處置功能。通過人機交互式的實驗模式，使學生、指導教師、管理人員等能夠可視化參與到實驗過程中。還可根據(jù)實驗和考核需要進行靈活配置，實現(xiàn)理論知識網絡在線實驗、基于三維仿真環(huán)境的單人單科目實驗與在線考核。

結合輕化工程專業(yè)學生畢業(yè)后對應企業(yè)的實際生產情況，輕化工程專業(yè)創(chuàng)新虛擬仿真實驗平臺由高效前處理、印染加工和功能整理加工三個子平臺構成。

1. 高效前處理加工虛擬仿真子平臺

三維紡織品高效前處理加工虛擬仿真子平臺是按照前處理加工工序構建的，如圖1所示。該子平臺包括：前處理機理模型的構建，UI設計，燒毛、退漿、煮練、漂白、絲光及熱定型等功能模塊的程序設計，三維模型制作以及智能評價體系。在該子平臺上可進行純棉坯布和純棉筒子紗的退漿、煮練、漂白，合成纖維的熱定型，天然有色動物蛋白纖維的脫色，滌/棉混紡織物與毛/滌混紡織物的燒毛等前處理加工，無需拘泥于實驗室環(huán)境，不受實驗條件限制。同時還可進行退煮漂高效短流程前處理和冷軋堆前處理實驗，為學生提供新型的前處理方法，并可對前處理過程中的退漿、漂白機理進行分析，將不同前處理工藝的優(yōu)缺點闡述得更清晰、透徹。

圖1 高效前處理加工虛擬仿真子平臺

2. 印染加工虛擬仿真子平臺

三維智能印染加工虛擬仿真子平臺是以不同纖維織物的染色、印花工藝構建的，如圖2所示。該子平臺包括：測色與配色系統(tǒng)，染色與印花機理及染色印花后紡織品檢測模型的構建，纖維素纖維紡織品染色與印花，蛋白質纖維紡織品染色與印花，合成纖維紡織品染色與印花，新型纖維及織物染色等功能模塊的程序設計、三維模型制作以及智能評價體系。該子平臺可完成直接染料染色、活性染料染色、還原染料染色、酸性染料染色、分散染料染色、陽離子染料染色等染色加工工藝，直接印花、圓網印花、篩網印花、噴墨印花、熱轉移印花等印花加工工藝，染色印花后各類紡織品的牢度、性能測試等實驗內容，使學生系統(tǒng)地掌握紡織品的深加工和精加工，完成更多的實驗內容，充分體現(xiàn)專業(yè)的特色和優(yōu)勢。同時為學生提供全面的染色、印花加工技術訓練，滿足不同就業(yè)崗位的需要。

圖2 印染加工虛擬仿真子平臺

3. 功能整理加工虛擬仿真子平臺

三維紡織品功能整理加工虛擬仿真子平臺的構建，選擇有代表性的功能整理工藝、功能性整理劑以及整理效果測試評價，如圖3所示。該子平臺包括：功能整理機理模型、環(huán)保特種助劑合成模型、功能型紡織品檢測模型的構建、UI設計、功能模塊程序設計、三維模型制作以及智能評價體系。該子平臺可完整系統(tǒng)地對紡織品進行功能整理及評價，可研究功能性纖維材料的超微結構，以及在加熱狀態(tài)條件下材料顯微結構的變化，能更細致地評價印染加工后整理紡織品的各項性能，進行紡織助劑的分析、合成檢測。

圖3 功能整理加工虛擬仿真子平臺

三、 輕化工程專業(yè)創(chuàng)新虛擬仿真實驗平臺的功能

1. 印染廠動態(tài)建模

(1) 印染廠環(huán)境包括生產廠房、生產平臺、廠區(qū)外的道路及樹木。

(2) 生產設備三維仿真模型能呈現(xiàn)設備的運行狀態(tài)，設備主要部件的半剖視三維模型可逼真地展現(xiàn)織物生產過程中的設備運行狀態(tài)。

(3) 印染設備的三維動態(tài)圖、工作系統(tǒng)圖、主要設備組成圖、主要結構剖面圖、工作原理圖。

(4) 相關儀表、操作顯示屏可根據(jù)后臺傳來的數(shù)據(jù)在儀表的三維模型上實時顯示。

(5) 能夠演示設備運行的外觀動態(tài)效果等。

(6) 通過模型添加涂裝顏色和貼圖，使設備材料在質感上有所區(qū)分。

2. 瀏覽模式

(1) 在工廠全流程三維生產場景中可以第一人稱視角進行查看，用鼠標可以控制人行走的方向，且可以在不同層的樓梯間自由行走，在演示狀態(tài)下可以進行多視角查看和巡游瀏覽。

(2) 隱藏廠房建筑外廓，能夠以鳥瞰視角查看內部設備的整體布局。

3. 系統(tǒng)的交互功能

(1) 建立了二維生產過程控制系統(tǒng)演示動畫，在該二維展示平臺上可顯示印染加工工藝流程(包括設備、儀表)、設備與設備之間連接的二維管道、設備相關數(shù)據(jù)、儀表相關數(shù)據(jù)。

(2) 可以在二維展示平臺上修改輸入參數(shù)，且修改后的參數(shù)能夠傳送到后臺的仿真平臺，通過仿真平臺的運行，將新的數(shù)據(jù)傳送到二維展示平臺，三維展示平臺可以顯示新數(shù)據(jù)。

(3) 生產過程量圖形隨外部數(shù)據(jù)的變化即時改變形狀，即當平臺上的數(shù)據(jù)變化時，對應的設備狀態(tài)也發(fā)生變化。

(4) 能夠實現(xiàn)設備內部狀態(tài)與數(shù)據(jù)交互，當展示設備(包括檢測設備)的半剖視圖三維模型時，可逼真地展現(xiàn)其內部的物料、介質等的運行狀態(tài)。

(5) 系統(tǒng)針對實驗過程中的重點、難點提供智能和實時指導。

(6) 自動批改實驗結果，大大減輕了教師批改實驗報告的工作量。

(7) 系統(tǒng)具有強擴展性，可根據(jù)教學需要靈活添加實驗器材及典型實驗，同時為應對學生的不同需求可提供個性化服務。

(8) 可實現(xiàn)與校園網的對接，成為學校網絡教學資源的一部分。

四、 輕化工程專業(yè)創(chuàng)新虛擬仿真實驗平臺的特色

1. 教學內容具有先進性

輕化工程專業(yè)創(chuàng)新虛擬仿真實驗平臺借助先進企業(yè)的生產技術，融入了本專業(yè)最新的科研成果，優(yōu)化了實驗教學體系，增加了實驗課程內容，行業(yè)和學科優(yōu)勢特色明顯，虛實結合，強化了實驗課程對學生綜合素質的培養(yǎng)。

2. 實現(xiàn)了實驗教學方法和模式的創(chuàng)新

輕化工程專業(yè)創(chuàng)新虛擬仿真實驗平臺通過多種模塊化設計，以學生為主，優(yōu)化整合實驗課程，實現(xiàn)了師生互動，學生能夠帶著問題學習，增加了學生線上線下自主性、探究性學習的能力，實現(xiàn)了實驗教學方法和模式的創(chuàng)新。

3. 實驗教學平臺具有高度的開放性

輕化工程專業(yè)創(chuàng)新虛擬仿真實驗平臺通過資源、應用、服務等的開放以及院系、校企的合作，促進學生學以致用，擴大實驗教學資源的開發(fā)與共享，實現(xiàn)了真正意義上的實驗室開放。

五、 結語

隨著信息技術的不斷發(fā)展，信息技術與高校教學高度融合，構建先進、高效、實用的虛擬仿真實驗平臺是未來高校實驗教學發(fā)展的趨勢之一。在虛擬仿真實驗平臺建設中，結合學科發(fā)展和現(xiàn)有實驗條件，重視虛擬仿真實驗平臺管理系統(tǒng)和實驗內容的建設，實現(xiàn)真實實驗不具備或難以完成的實驗教學功能，對高素質人才的培養(yǎng)有著重要的作用。

[1] 周世杰，吉家成，王華. 虛擬仿真實驗教學中心建設與實踐[J].計算機教育，2015(9)：5-11.

[2] 萬桂怡，崔建軍，張振果.高校虛擬實驗臺的設計及實踐[J].實驗室研究與探索，2011(3)：386-389.

[3] 李雙壽. 數(shù)字化制造系統(tǒng)虛擬仿真實驗教學中心的建設與再認識[C]∥高等學校虛擬仿真實驗教學中心建設與發(fā)展研討會論文集，2015:110-123.

(責任編輯：姚時斌)

新書介紹

書名： 《生活產品設計》

作者： 吳春茂 定價： 49.00元 書號： 9787566911117

開本： 16開

簡介： 該書第一章介紹了生活產品、生活方式、雙鉆石設計模型及好設計的標準；第二章至第八章介紹了生活產品的系列分類以及設計工具和方法：設計善意——為特殊群體而設計；傳統(tǒng)現(xiàn)代——傳統(tǒng)文化生活產品現(xiàn)代設計；平凡非凡——平凡生活產品中的非凡設計；旅行記憶——旅游紀念品設計；無用設計——廢舊生活產品再設計；服務設計——基于服務的生活產品設計；校企合作——生活產品校企合作設計實踐等。該書將生活產品的設計理論與設計實踐相結合，既有理論的提煉，又有實踐的驗證。書中素材選取了教學團隊近幾年參與各類設計大賽及校企合作的部分作品，同時也借鑒了國內外許多優(yōu)秀設計案例。

該書可作為高等院校產品設計專業(yè)學生的教學用書，同時對從事生活產品設計相關專業(yè)的從業(yè)人員也具有一定的參考價值。

[資料來源：東華大學出版社，2017-02-20]

2016年西安工程大學“專業(yè)綜合改革試點”項目(西工程大教字〔2016〕12號)

習智華(1963—)，男，陜西西安人，副教授，研究方向為紡織品功能整理。 E-mail:xizh999@126.com

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2095-3860(2017)01-0063-04