周 琪，譚冬宜，何 斌，王 坤

(湖南工程學(xué)院 紡織服裝學(xué)院，湖南 湘潭 411101)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是國家信息化教育戰(zhàn)略的重要內(nèi)容[1-2]，而加速信息化教學(xué)建設(shè)是高?！笆濉币?guī)劃的重要建設(shè)內(nèi)容之一[3]。“紡紗學(xué)”是紡織工程專業(yè)本科教育的必修專業(yè)基礎(chǔ)課程之一，對提高學(xué)生專業(yè)素養(yǎng)，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力非常重要。目前，“紡紗學(xué)”課程教學(xué)存在實(shí)驗(yàn)設(shè)備缺乏，工廠設(shè)備高速運(yùn)轉(zhuǎn)而導(dǎo)致學(xué)生實(shí)踐參與度低，實(shí)際操作不可逆等問題。我校(湖南工程學(xué)院)紡織服裝學(xué)院紡紗虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)，旨在從教學(xué)思路、教學(xué)過程、教學(xué)方法等方面突破傳統(tǒng)的教學(xué)模式，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力。

一、 紡紗虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)

紡紗虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室能將紡紗過程實(shí)時(shí)、細(xì)致、全面地呈現(xiàn)在學(xué)生面前。紡紗虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)包括紡紗設(shè)備建設(shè)和紡紗流程建設(shè)兩部分。

1. 紡紗虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)備建設(shè)

紡紗設(shè)備是“紡紗學(xué)”課程教學(xué)的重點(diǎn)內(nèi)容，是學(xué)生掌握和運(yùn)用紡紗技術(shù)的基礎(chǔ)。通過三維動(dòng)畫和實(shí)時(shí)錄像將復(fù)雜、高速、抽象的紡紗設(shè)備簡單化、低速化、具象化。紡紗虛擬仿真設(shè)備建設(shè)包括對紡紗每一環(huán)節(jié)中涉及設(shè)備的虛擬仿真化，紡紗虛擬仿真設(shè)備展示過程的建設(shè)需要完成紡紗設(shè)備匯總、設(shè)備材料收集與制作以及設(shè)備展示制作。

(1) 紡紗設(shè)備匯總。按照“紡紗學(xué)”課程教學(xué)內(nèi)容以及紡紗過程的順序，紡紗虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的設(shè)備展示包括抓棉機(jī)、混棉機(jī)、開棉機(jī)、梳棉機(jī)、精梳機(jī)、并條機(jī)、粗紗機(jī)和細(xì)紗機(jī)。在對紡紗設(shè)備匯總時(shí)，考慮到設(shè)備和工藝的發(fā)展，對于同一設(shè)備的不同型號(hào)需在紡紗設(shè)備發(fā)展過程中加以說明，以保證整個(gè)紡紗設(shè)備的系統(tǒng)性。

(2) 設(shè)備材料收集與制作。在確定上述紡紗虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室中所需展示的設(shè)備后，收集各個(gè)設(shè)備工作狀態(tài)下的三維動(dòng)畫圖、實(shí)時(shí)錄像以及其他相關(guān)圖片、動(dòng)畫、視頻等設(shè)備展示材料，為后續(xù)設(shè)備展示制作提供基本素材，并完成后期的制作，便于植入設(shè)備展示平臺(tái)。

(3) 設(shè)備展示制作。將收集和制作的虛擬材料搭配硬件構(gòu)成紡紗虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備展示平臺(tái)，將紡紗過程中的所有設(shè)備鑲嵌于同一模塊中，建立虛擬工廠。

2. 紡紗虛擬仿真實(shí)驗(yàn)流程建設(shè)

在完成了紡紗虛擬仿真設(shè)備的建設(shè)后，紡紗虛擬仿真實(shí)驗(yàn)流程的建設(shè)將串聯(lián)所有紡紗設(shè)備，還原真實(shí)的紡紗車間，可以實(shí)現(xiàn)對整個(gè)車間的漫游瀏覽；同時(shí)還可以根據(jù)具體要求設(shè)置生產(chǎn)任務(wù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的工廠模擬，對生產(chǎn)流程進(jìn)行交互性操作。紡紗虛擬仿真實(shí)驗(yàn)流程建設(shè)包括紡紗工藝流程系統(tǒng)和紡紗車間虛擬環(huán)境的構(gòu)建。

(1) 紡紗工藝流程系統(tǒng)的構(gòu)建。在紡紗過程中，根據(jù)原料特點(diǎn)和對最終產(chǎn)品的要求，可以設(shè)計(jì)不同的紡紗工藝。在紡紗虛擬仿真實(shí)驗(yàn)流程的建設(shè)中，除了要建立基本的普梳系統(tǒng)、精梳系統(tǒng)及廢紡系統(tǒng)用于“紡紗學(xué)”課程理論教學(xué)外，還需搭建工藝流程選擇和設(shè)計(jì)平臺(tái)，可靈活選擇工藝環(huán)節(jié)中的設(shè)備種類及數(shù)量，為學(xué)生開展工藝設(shè)計(jì)提供窗口。

(2) 紡紗車間虛擬環(huán)境的構(gòu)建。在完成工藝系統(tǒng)的構(gòu)建后，為進(jìn)一步提升整個(gè)虛擬仿真紡紗車間的真實(shí)感，使學(xué)生直觀地感知工廠紡紗車間的設(shè)備配置，需按工藝流程系統(tǒng)的實(shí)際情況，將設(shè)備在紡紗車間的管道連接、位置分布等在虛擬環(huán)境中表示出來，使得整個(gè)紡紗車間完整地展現(xiàn)于紡紗虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，如圖1所示。

圖1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的紡紗車間

二、 紡紗虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室在“紡紗學(xué)”課程教學(xué)中的應(yīng)用

1. 在理論教學(xué)中的應(yīng)用

在“紡紗學(xué)”課程理論教學(xué)中，紡紗工藝和原理是教學(xué)的核心，教學(xué)時(shí)可以展示設(shè)備結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)以便直觀地介紹工藝與質(zhì)量把控。

(1) 在紡紗工藝教學(xué)中的應(yīng)用。在以往的紡紗工藝教學(xué)中多以教師講授、學(xué)生參觀為主，缺乏學(xué)生動(dòng)手參與過程，對于抽象的工藝過程、產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)，學(xué)生難以理解和掌握。在紡紗虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室中完成工藝設(shè)計(jì)，學(xué)生可以實(shí)時(shí)地看到工藝參數(shù)設(shè)定與產(chǎn)品質(zhì)量之間的關(guān)系，更加深入地掌握紡紗工藝，提升學(xué)生對紡紗過程中紗線品質(zhì)的把控能力。同時(shí)，在虛擬仿真工藝設(shè)計(jì)中，實(shí)時(shí)工藝調(diào)整環(huán)節(jié)能激發(fā)學(xué)生對紗線設(shè)計(jì)的創(chuàng)新潛能。學(xué)生置身于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室中，提高了參與度，激發(fā)了主觀能動(dòng)性。

(2) 在紡紗原理教學(xué)中的應(yīng)用。在紡紗虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，利用相關(guān)的文字、圖片、動(dòng)畫、視頻等材料，可清晰地表達(dá)原理涉及的結(jié)構(gòu)和相互關(guān)系，直觀而準(zhǔn)確地展示抽象、枯燥的原理。如圖2所示為紡紗虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室展示的抓棉小車間歇下降距離與棉塊重量關(guān)系的原理。

圖2 抓棉小車間歇下降距離與棉塊重量關(guān)系的原理

將紡紗虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室用于課堂教學(xué)，以生動(dòng)而有效的方式展示紡紗原理，調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，改變了過去專業(yè)課程教學(xué)沉悶、無趣的課堂氛圍。

2. 在實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用

傳統(tǒng)的紡紗實(shí)踐教學(xué)一般在工廠進(jìn)行，主要以教師或車間技術(shù)人員講授為主，學(xué)生在工廠大多走馬觀花，在實(shí)踐過程中參與度不高。有了紡紗虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，學(xué)生可在線上模擬完成對紡紗設(shè)備的拆卸和裝配，讓學(xué)生詳細(xì)地學(xué)習(xí)紡紗設(shè)備的各個(gè)結(jié)構(gòu)，了解構(gòu)件的安裝位置以及各構(gòu)件之間的相互關(guān)系，使他們掌握各種紡紗設(shè)備，克服了在工廠實(shí)驗(yàn)操作時(shí)因設(shè)備高速運(yùn)轉(zhuǎn)而無法深入實(shí)踐的缺陷。

三、 結(jié)語

我校紡紗虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)包括紡紗實(shí)驗(yàn)設(shè)備建設(shè)和實(shí)驗(yàn)流程建設(shè)兩部分， 將紡紗

車間從工廠移到了虛擬實(shí)驗(yàn)室，縮短了理論與實(shí)踐之間的距離。教學(xué)實(shí)踐表明，紡紗虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室在“紡紗學(xué)”課程教學(xué)中發(fā)揮了重要作用，學(xué)生可以深入地了解設(shè)備結(jié)構(gòu)，實(shí)時(shí)地了解工藝參數(shù)設(shè)定與產(chǎn)品質(zhì)量之間的關(guān)系，直觀地掌握紡紗工藝與原理。紡紗虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用，使學(xué)生在課堂上的拆機(jī)、裝機(jī)成為可能，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，加深了學(xué)生對紡紗知識(shí)的理解，調(diào)動(dòng)了學(xué)生的主觀能動(dòng)性，激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)造性。