馬 艷 黃 赫 汪 濤 李 智 張 碩 冉瑞龍

(1. 西南大學(xué)紡織服裝學(xué)院，重慶 400716；2. 西南大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)學(xué)院，重慶 400716)

基于FCF-9無紡布與紡絲/BCF絲綜合機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用

馬 艷1黃 赫2汪 濤1李 智1張 碩1冉瑞龍1

(1. 西南大學(xué)紡織服裝學(xué)院，重慶 400716；2. 西南大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)學(xué)院，重慶 400716)

虛擬實(shí)驗(yàn)作為一種信息化手段已逐步應(yīng)用在各類實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。本文介紹了基于紡織工程FCF-9無紡布與紡絲/BCF絲綜合機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)的構(gòu)建。測(cè)試結(jié)果顯示，設(shè)計(jì)虛擬實(shí)驗(yàn)不僅可以讓學(xué)生在課前課后充分自學(xué)，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，還可以有效緩解傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源消耗大、危險(xiǎn)性較高、耗時(shí)等問題，可作為傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有力補(bǔ)充。

非織造學(xué)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；虛擬實(shí)驗(yàn)

虛擬實(shí)驗(yàn)室的概念是在1989年由美國(guó)威廉·沃爾夫(William Wolf)教授首次提出的[1]。隨著高等教育信息化水平的不斷提升，虛擬實(shí)驗(yàn)已成為許多高校積極開發(fā)的內(nèi)容。虛擬實(shí)驗(yàn)是一種能夠通過計(jì)算機(jī)技術(shù)，結(jié)合圖片、動(dòng)畫、視頻等多媒體手段對(duì)實(shí)驗(yàn)操作和知識(shí)進(jìn)行模擬的過程[2]。通過模擬的方式讓學(xué)生可以對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)過程有全方位和深層次的理解，具有良好的交互性、可重復(fù)性、參與性強(qiáng)、安全性能高等諸多優(yōu)點(diǎn)[3]，虛擬的環(huán)境對(duì)于教學(xué)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)條件的限制也是一種突破，可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)由于儀器昂貴、時(shí)間場(chǎng)地限制等缺點(diǎn)[4,5]。國(guó)家對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)的支持力度也非常大，2015年教育部批準(zhǔn)了100個(gè)國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心。虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)已經(jīng)成為現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)展的方向之一[6]。

就紡織類專業(yè)而言，為加深對(duì)理論知識(shí)的理解和培養(yǎng)實(shí)操能力，絕大部分專業(yè)課都有實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。部分紡織工程類實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要昂貴的大型實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備，以《非織造學(xué)》課程為例，實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要使用的FCF-9無紡布與紡絲/BCF絲綜合機(jī)是一臺(tái)大型設(shè)備，機(jī)器成本高達(dá)20萬元，高3m左右，體積較為龐大，機(jī)器分為上下兩層，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，開機(jī)成本、學(xué)生人數(shù)、危險(xiǎn)性都是很大的限制，針對(duì)此類實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)虛擬實(shí)驗(yàn)就顯得尤為重要。

1 設(shè)計(jì)虛擬實(shí)驗(yàn)的必要性

FCF-9無紡布與紡絲/BCF絲綜合機(jī)分上下兩層，加料口在第二層，對(duì)于觀察(進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作)的人數(shù)有很大的限制，二層最多可以容納3人同時(shí)觀察實(shí)驗(yàn)進(jìn)程，上實(shí)驗(yàn)課學(xué)生無法同一批觀察。而此用于非織造學(xué)課程的實(shí)驗(yàn)機(jī)每次開機(jī)的成本大概在2000元，如果多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)演示，會(huì)增加更多成本。另外，本實(shí)驗(yàn)儀器的操作有一定的危險(xiǎn)性，紡PP料時(shí)，溫度可高達(dá)180-245℃之間；紡布時(shí)，應(yīng)將鋪在網(wǎng)上的布小心地送到二壓布輥中，高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)頭具有比較高的危險(xiǎn)性，對(duì)操作人員的技術(shù)水平有很高的要求。再加上本儀器是國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的儀器，說明書相當(dāng)簡(jiǎn)單，對(duì)于初學(xué)者很難通過說明書進(jìn)行上機(jī)操作，需要有經(jīng)驗(yàn)的人進(jìn)行輔導(dǎo)?；谝陨?，設(shè)計(jì)虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)軌虿灰蕾噷?shí)驗(yàn)設(shè)備模擬操作整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程，能夠讓每一個(gè)學(xué)生全方位熟悉實(shí)驗(yàn)過程，根據(jù)自己的學(xué)習(xí)進(jìn)度反復(fù)學(xué)習(xí)設(shè)備的功能和操作而不受時(shí)間、場(chǎng)地、開機(jī)成本和設(shè)備的限制。另外，通過模擬實(shí)驗(yàn)，能夠有效的降低實(shí)驗(yàn)成本，減少不必要的重復(fù)實(shí)驗(yàn)。虛擬實(shí)驗(yàn)還能避免每個(gè)初學(xué)者都要花費(fèi)大量時(shí)間摸索儀器的使用流程。

2 虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)儀器展示

為使實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景真實(shí)、逼真，利用Photoshop軟件還原實(shí)驗(yàn)儀器在實(shí)驗(yàn)室中的真實(shí)模樣(圖1)。每個(gè)部位名稱均明確標(biāo)示出來便于學(xué)生課前預(yù)習(xí)。為便于理解，本部分采用了正面、側(cè)面和二樓進(jìn)行分別展示，力求清晰易懂。

圖1 FCF-9無紡布與紡絲/BCF絲綜合機(jī)外觀圖

2.2 實(shí)驗(yàn)流程的虛擬設(shè)計(jì)

為方便學(xué)生快速熟悉儀器的功能和操作，把操作流程的設(shè)計(jì)劃分為機(jī)器外觀、紡絲和紡布，紡絲部分又劃分為BCF絲(bulked continuous filament膨體變形長(zhǎng)絲)和非BCF絲(圖2)。學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室后，實(shí)驗(yàn)操作主要包括：(1)實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備。初次操作的學(xué)生需要觀察機(jī)器的外觀，熟悉機(jī)器的各個(gè)部件、機(jī)器運(yùn)行的安全注意事項(xiàng)和機(jī)器的預(yù)熱。(2)基本操作流程：①選擇紡絲加入原料加入絲油設(shè)置參數(shù)啟動(dòng)紡絲；②選擇紡布加入原料設(shè)置參數(shù)啟動(dòng)紡布。(3)實(shí)驗(yàn)后的處理。機(jī)器的關(guān)閉和開機(jī)順序相反。在學(xué)生操作過程中，如果操作錯(cuò)誤，將進(jìn)行相應(yīng)的提示。

2.3 虛擬實(shí)驗(yàn)軟件的制作

采用Adobe Photoshop CC制作實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目場(chǎng)景和機(jī)器部件，每個(gè)部件都是參照機(jī)器說明書按照等比例進(jìn)行制作，最大程度的模仿機(jī)器的外觀。利用Adobe Flash中的actionscript 3.0進(jìn)行編程，完成多媒體素材的組織，最后完成實(shí)驗(yàn)過程的模擬和操作。在虛擬實(shí)驗(yàn)中，每個(gè)步驟有詳細(xì)的操作幫助，當(dāng)學(xué)生進(jìn)行不當(dāng)操作的時(shí)候，會(huì)彈出提示，在正確實(shí)驗(yàn)流程進(jìn)行操作后，才能進(jìn)入到下一步。

圖2 虛擬實(shí)驗(yàn)流程設(shè)計(jì)圖

3 虛擬實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)測(cè)試

3.1 學(xué)生問卷調(diào)查

將設(shè)計(jì)制作的“FCF-9無紡布與紡絲/BCF絲綜合機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)_V1.0”軟件發(fā)給學(xué)生使用體驗(yàn)。使用在線問卷調(diào)查工具“問卷星”設(shè)計(jì)調(diào)查問卷，總共10個(gè)問卷選項(xiàng)，包括9個(gè)客觀選擇題，1個(gè)主觀意見反饋題。收集2014級(jí)紡織工程專業(yè)全體共53位同學(xué)使用虛擬實(shí)驗(yàn)后的反饋，有效回收率為100%，問卷調(diào)查結(jié)果客觀選擇題統(tǒng)計(jì)見表1。從反饋結(jié)果可以看出，100%的學(xué)生認(rèn)為虛擬實(shí)驗(yàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)操作的預(yù)習(xí)有幫助，98.11%的同學(xué)認(rèn)為虛擬實(shí)驗(yàn)有助于了解儀器的構(gòu)造、熟悉實(shí)驗(yàn)流程、可以帶著問題進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作、同時(shí)有助于課后鞏固實(shí)驗(yàn)操作。但仍有小部分同學(xué)認(rèn)為虛擬實(shí)驗(yàn)并不能夠激發(fā)他們對(duì)實(shí)驗(yàn)課程的興趣，用戶界面還不夠友好。問卷還征集了同學(xué)們對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)的意見和建議，有29位同學(xué)進(jìn)行了反饋。主要建議包括：希望加入人工語音或者小動(dòng)畫，增加趣味性；希望看到成品的展示；希望每一步的說明更加詳細(xì)；在原料的處理上能夠更加接近真實(shí)等。

表1 學(xué)生對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)軟件的使用評(píng)價(jià)

3.2 教師對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)的評(píng)價(jià)

請(qǐng)紡織工程專業(yè)4位專業(yè)課老師對(duì)設(shè)計(jì)的虛擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行體驗(yàn)，均認(rèn)為該虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)合理，能夠比較真實(shí)還原儀器的運(yùn)行原理和操作流程，用戶界面友好，用戶體驗(yàn)感良好。生動(dòng)的設(shè)計(jì)能夠在課前激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣以及滿足課前預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)的需求，并且有利于學(xué)生課后復(fù)習(xí)，鞏固學(xué)習(xí)效果。建議在下次更新版本的時(shí)候增加語音提示，能夠在關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)給予一定的講解。

3.3 結(jié)論

學(xué)生通過虛擬實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)流程，熟悉儀器性能特點(diǎn)及重要注意事項(xiàng)，在實(shí)際操作中加深對(duì)技術(shù)難點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)的把握，發(fā)現(xiàn)問題后可以在課后通過虛擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行反復(fù)練習(xí)，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)情境再現(xiàn)，通過“虛-實(shí)-虛”的環(huán)節(jié)不斷提高對(duì)實(shí)驗(yàn)的掌握程度。

4 結(jié)語

隨著科技的進(jìn)步，有更多虛擬現(xiàn)實(shí)的硬件和軟件產(chǎn)品推出[7,8]，這將極大推動(dòng)虛擬實(shí)驗(yàn)的發(fā)展，將虛擬實(shí)驗(yàn)和真實(shí)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合是一種能夠取長(zhǎng)補(bǔ)短，資源最優(yōu)化的組合實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，具有廣泛的應(yīng)用前景[9,10]。虛擬實(shí)驗(yàn)雖無法完全替代真實(shí)實(shí)驗(yàn)的技能訓(xùn)練，但在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中作為學(xué)生課前預(yù)習(xí)和課后復(fù)習(xí)，初學(xué)者對(duì)儀器的熟悉過程都有很大的幫助，尤其對(duì)避免因不當(dāng)操作而造成的危險(xiǎn)和儀器損壞有重要的作用。未來，我們希望針對(duì)紡織類專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出更多的虛擬實(shí)驗(yàn)，構(gòu)建一體化的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過這種“虛實(shí)結(jié)合”的方式，實(shí)訓(xùn)為主，以虛補(bǔ)實(shí)，更好地促進(jìn)紡織類實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革和發(fā)展。

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DesignandApplicationofaVirtualExperimentBasedonFCF-9Non-wovenandSpinning/BCFSilkThreadIntegratedMachine

MAYan1HUANGHe2WANGTao1LIZhi1RANRui-long1

(1.CollegeofTextileandGarment，SouthwestUniversity，Chongqing400715，China；2.CollegeofComputer&InformationScience,SouthwestUniversity，Chongqing400715，China)

The virtual experiment has gradually been applied in various kinds of experimental teaching as an informational method. This paper introduces the construction of a virtual experiment based on FCF-9 non-woven and spinning/BCF silk thread integrated machine. The results of a test show that not only can virtual experiment help the students in their self-study before and after class, arouse their interest and enhance the effectiveness of experimental teaching, it also can effectively relieve the resource consumption, dangerous factors, time-consuming shortcomings. Therefore, it is recommended that it be used as a supplement of traditional experiment teaching.

nonwovens;experimentalteaching;virtualexperiment

西南大學(xué)2016年實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究項(xiàng)目(SYJ2016017)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)一般項(xiàng)目(XDJK2016C019)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)重點(diǎn)項(xiàng)目(XDJK2016B004)。

馬 艷(1983-)，女，助理實(shí)驗(yàn)師，碩士。Email：mayan2@swu.edu.cn

冉瑞龍(1967-)，男，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，碩士。Email：rrl123@swu.edu.cn