劉基宏， 肖學(xué)良， 李聰慧， 楊瑞華， 傅佳佳

(江南大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院， 江蘇 無(wú)錫 214122)

一、 在線虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的必要性

紡織工程專(zhuān)業(yè)為實(shí)現(xiàn)對(duì)接“大紡織”行業(yè)的人才培養(yǎng)目標(biāo)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)最好使用實(shí)際生產(chǎn)設(shè)備。然而，很多織造生產(chǎn)設(shè)備價(jià)格昂貴，使用場(chǎng)地大，設(shè)備使用環(huán)境要求高。以劍桿織機(jī)為例，單臺(tái)織機(jī)加外圍面積需10平方米，市場(chǎng)售價(jià)20萬(wàn)元以上，機(jī)器運(yùn)行噪聲為80 dB，織機(jī)運(yùn)行環(huán)境需恒溫恒濕，織造工藝的前期準(zhǔn)備工序繁瑣，導(dǎo)致目前紡織院校使用生產(chǎn)型劍桿織機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)的設(shè)備數(shù)量極其有限[1]。因此，學(xué)生對(duì)此類(lèi)織機(jī)無(wú)法動(dòng)手實(shí)踐操作，致使學(xué)生對(duì)織造工藝的認(rèn)知欠缺，缺乏解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力。

紡織類(lèi)院校大多采用小樣機(jī)進(jìn)行織造實(shí)驗(yàn)教學(xué)，但小樣機(jī)的參數(shù)設(shè)置與生產(chǎn)型織機(jī)完全不同，學(xué)生感受不到操作的要求，無(wú)法獲得真實(shí)的生產(chǎn)體驗(yàn)，反而影響了學(xué)生對(duì)紡織機(jī)械的認(rèn)知，使學(xué)生誤以為學(xué)會(huì)了使用紡織生產(chǎn)設(shè)備。另外，即使部分紡織院校購(gòu)買(mǎi)了生產(chǎn)型織機(jī)，具備生產(chǎn)型織機(jī)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件，但織機(jī)類(lèi)型多(包括有梭織機(jī)、片梭織機(jī)、劍桿織機(jī)、噴氣織機(jī)、噴水織機(jī)和三維織機(jī)等)，機(jī)構(gòu)復(fù)雜，生產(chǎn)操作差別大，一臺(tái)織機(jī)無(wú)法涵蓋所有引緯類(lèi)型，紡織工程專(zhuān)業(yè)教學(xué)介紹各種引緯方式的織機(jī)，而高校實(shí)驗(yàn)室不可能配齊所有類(lèi)型織機(jī)。

基于虛擬仿真技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)可很好地模擬生產(chǎn)型織機(jī)外形、結(jié)構(gòu)部件和操作運(yùn)行程序，同時(shí)可讓學(xué)生很好地感知生產(chǎn)型織機(jī)的上機(jī)生產(chǎn)工藝流程，解決實(shí)際教學(xué)過(guò)程中實(shí)驗(yàn)條件的不足等問(wèn)題[2-3]，讓學(xué)生在課上課下反復(fù)觀摩操作，大大拉近了教學(xué)與生產(chǎn)實(shí)際的距離，有利于學(xué)生畢業(yè)后快速熟悉紡織企業(yè)崗位工作，減少企業(yè)的培養(yǎng)成本。為此，我校(江南大學(xué))紡織科學(xué)與工程學(xué)院構(gòu)建了織造設(shè)備在線模擬系統(tǒng)，仿真織機(jī)操作的所有內(nèi)容，可實(shí)現(xiàn)操作中所有參數(shù)輸入及設(shè)定。通過(guò)對(duì)該系統(tǒng)生成的參數(shù)報(bào)告的可行性評(píng)價(jià)，可了解使用者對(duì)于織物生產(chǎn)中參數(shù)設(shè)定的掌握情況，以完成脫離織機(jī)的操作性教學(xué)，有效提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。

二、 在線虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)施

1. 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

基于在線虛擬仿真技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)目的在于：(1)了解系統(tǒng)線上模擬織機(jī)的主界面；(2)了解引緯參數(shù)的設(shè)定方法及參數(shù)意義；(3)了解經(jīng)紗張力及停車(chē)擋調(diào)整的數(shù)據(jù)設(shè)定方法及參數(shù)意義；(4)了解機(jī)械調(diào)整量的設(shè)定方法及參數(shù)意義；(5)了解空氣壓力的設(shè)定方法及參數(shù)意義；(6)了解有梭織機(jī)梭子飛行曲線的設(shè)定方法及參數(shù)意義；(7)了解落布的設(shè)定方法及參數(shù)意義；(8)了解綜合數(shù)據(jù)的設(shè)定方法及參數(shù)意義。

2. 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，教師介紹仿真軟件操作流程，實(shí)驗(yàn)以學(xué)生操作為主，學(xué)生自主學(xué)習(xí)和練習(xí)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括：(1)采用我校開(kāi)發(fā)的在線軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)模擬上機(jī)操作；(2)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中根據(jù)面料的材料和結(jié)構(gòu)輸入?yún)?shù)；(3)利用虛擬仿真系統(tǒng)中提供的輔助工具，學(xué)習(xí)操控織機(jī)運(yùn)行的慢動(dòng)作，進(jìn)而掌握織機(jī)五大運(yùn)動(dòng)的協(xié)同動(dòng)作；(4)以平紋或斜紋等簡(jiǎn)單織物組織為上機(jī)模擬對(duì)象，從參數(shù)輸入、動(dòng)作運(yùn)行、織物效果等角度，展示在線虛擬仿真各階段的模擬效果；(5)上傳模擬織物虛擬仿真的練習(xí)作業(yè)，包括各類(lèi)參數(shù)設(shè)置、織機(jī)運(yùn)行動(dòng)作視頻、織物下機(jī)效果等仿真模塊。最后，教師根據(jù)學(xué)生作業(yè)中的練習(xí)情況在后臺(tái)進(jìn)行成績(jī)?cè)u(píng)定。

3. 實(shí)驗(yàn)步驟

本實(shí)驗(yàn)為線上虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，在線虛擬仿真系統(tǒng)將各類(lèi)織造工藝參數(shù)模塊化、細(xì)致化，經(jīng)過(guò)在線虛擬運(yùn)行后，給出反饋信息和調(diào)整意見(jiàn)。以平紋織物為例，學(xué)生輸入紗線、織造和工藝參數(shù)后，從參數(shù)輸入、動(dòng)作運(yùn)行、織物效果等角度，展示織機(jī)虛擬仿真各階段的模擬效果，最后學(xué)生撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告。具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：

(1) 開(kāi)啟電腦，打開(kāi)軟件，在人機(jī)交互主界面輸入用戶(hù)名和密碼，進(jìn)入虛擬仿真系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 虛擬仿真系統(tǒng)的用戶(hù)名和密碼輸入界面

(2) 在線選擇織機(jī)菜單，選擇相應(yīng)的織機(jī)類(lèi)型(如圖2所示)，如噴氣織機(jī)、劍桿織機(jī)和片梭織機(jī)等，在織機(jī)類(lèi)型中可選擇不同操作練習(xí)的模塊。

圖2 虛擬仿真系統(tǒng)主界面

(3) 認(rèn)識(shí)織機(jī)模擬主界面組成模塊，包括上機(jī)參數(shù)設(shè)置窗口、機(jī)器慢動(dòng)作回放窗口、生產(chǎn)參數(shù)匯總表、生成織物模擬效果、開(kāi)機(jī)關(guān)機(jī)按鈕和正常運(yùn)行及緊急情況指示燈等，如圖3所示。根據(jù)模塊信息回答問(wèn)題：界面由哪些菜單構(gòu)成？每一個(gè)菜單的功能是什么？

圖3 織機(jī)各部件功能導(dǎo)航系統(tǒng)

圖4 織機(jī)參數(shù)輸入界面

(4) 選擇系統(tǒng)導(dǎo)航菜單，選擇引緯數(shù)據(jù)設(shè)定菜單，如圖4所示?；卮鹨韵聠?wèn)題：引緯數(shù)據(jù)設(shè)定內(nèi)容有哪些？每一個(gè)參數(shù)分別是什么含義？引緯參數(shù)設(shè)定與紗線品種之間的關(guān)系是什么？紗線原料的變化如何影響織機(jī)的引緯？

(5) 選擇經(jīng)紗目標(biāo)張力以及停車(chē)擋調(diào)整設(shè)定菜單，回答以下問(wèn)題：經(jīng)紗目標(biāo)張力及停車(chē)擋調(diào)整的數(shù)據(jù)設(shè)定內(nèi)容有哪些？經(jīng)紗目標(biāo)張力及停車(chē)擋調(diào)整的數(shù)據(jù)設(shè)定與紗線品種之間的關(guān)系是什么？經(jīng)紗目標(biāo)張力及停車(chē)擋調(diào)整的數(shù)據(jù)設(shè)定與織物組織之間的關(guān)系是什么？

(6) 選擇機(jī)械調(diào)整量設(shè)定菜單，回答以下問(wèn)題：機(jī)械調(diào)整量設(shè)定的內(nèi)容是什么？機(jī)械調(diào)整量設(shè)定中經(jīng)緯紗線的線密度之間的關(guān)系是什么？

(7) 選擇空氣壓力設(shè)定菜單，回答以下問(wèn)題：空氣壓力設(shè)定的內(nèi)容是什么？空氣壓力設(shè)定與紗線原料之間的關(guān)系是什么？空氣壓力設(shè)定與紗線線密度之間的關(guān)系是什么？

(8) 選擇緯紗飛行曲線設(shè)定菜單，如圖5所示，回答以下問(wèn)題：飛行曲線設(shè)定的內(nèi)容是什么？

圖5 緯紗飛行曲線設(shè)定菜單

(9) 選擇落布方法設(shè)定菜單，回答以下問(wèn)題：落布設(shè)定的內(nèi)容是什么？落布中計(jì)算用紗量與產(chǎn)品產(chǎn)量的方法是什么？

(10) 選擇綜合數(shù)據(jù)設(shè)定菜單，如圖6所示，回答以下問(wèn)題：綜合數(shù)據(jù)設(shè)定的內(nèi)容是什么？哪些綜合數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)需要考慮紗線參數(shù)？

圖6 綜合數(shù)據(jù)設(shè)定菜單

(11) 選擇其他菜單項(xiàng)，并說(shuō)明其功能。

(12) 完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，提交作業(yè)，關(guān)閉電腦。

利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，如圖7所示，可讓學(xué)生更好地理解織機(jī)工藝、流程、細(xì)節(jié)、模塊，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用理論知識(shí)分析問(wèn)題、解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力。

圖7 虛擬仿真運(yùn)行數(shù)據(jù)匯總

4. 評(píng)價(jià)方式

本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的實(shí)施，以學(xué)生素質(zhì)和能力發(fā)展為出發(fā)點(diǎn)，以學(xué)習(xí)成果為導(dǎo)向，注重培養(yǎng)學(xué)生提出問(wèn)題的多種解決方案的能力，注重形成性過(guò)程評(píng)價(jià)，而不是簡(jiǎn)單的一次考核。通過(guò)考核與反饋，建立相關(guān)實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目學(xué)時(shí)互認(rèn)和轉(zhuǎn)換機(jī)制。

在課程教學(xué)中，通過(guò)完成2個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行評(píng)價(jià)，考核如下：實(shí)驗(yàn)操作占40%，實(shí)驗(yàn)報(bào)告占30%，實(shí)驗(yàn)校正占30%。課程目標(biāo)與考核方式對(duì)應(yīng)的權(quán)重分配如表1所示。學(xué)生學(xué)習(xí)成績(jī)需結(jié)合這三個(gè)方面進(jìn)行綜合評(píng)定，從而分析學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握程度以及應(yīng)用能力，并針對(duì)學(xué)習(xí)各個(gè)環(huán)節(jié)中存在的突出問(wèn)題提出建設(shè)性改進(jìn)措施。

表1 課程目標(biāo)與考核方式對(duì)應(yīng)的權(quán)重分配

5. 教學(xué)效果

本虛擬仿真系統(tǒng)還可與其他軟件建立接口，以提高系統(tǒng)的拓展性，同時(shí)也提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：(1)學(xué)生查閱資料及在實(shí)驗(yàn)中形成自主學(xué)習(xí)能力，通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)處理數(shù)據(jù)，更加容易撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告以及相關(guān)的研究論文。(2)利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，使學(xué)生掌握專(zhuān)業(yè)相關(guān)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、專(zhuān)業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中可以反復(fù)操作，也可以進(jìn)行各類(lèi)錯(cuò)誤測(cè)試，以加深學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)室操作及相關(guān)理論知識(shí)的理解。(3)利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與其他軟件的集成方法，理解織機(jī)工藝性、流程化、系列化、模塊化設(shè)計(jì)思想，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用理論知識(shí)分析問(wèn)題、解決工程問(wèn)題的能力，虛擬平臺(tái)也可以進(jìn)一步擴(kuò)展系統(tǒng)的應(yīng)用。

三、 結(jié)語(yǔ)

本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的應(yīng)用不僅解決了紡織專(zhuān)業(yè)學(xué)生無(wú)法進(jìn)行實(shí)際操作的問(wèn)題，而且能夠?qū)崿F(xiàn)課堂教學(xué)內(nèi)容與工廠實(shí)際生產(chǎn)的對(duì)接，突破了當(dāng)前紡織工程專(zhuān)業(yè)教學(xué)偏重理論的問(wèn)題，以培養(yǎng)更全面的紡織專(zhuān)業(yè)人才。同時(shí)，本系統(tǒng)也可作為紡織企業(yè)員工的培訓(xùn)軟件，讓工人有機(jī)會(huì)學(xué)習(xí)織造知識(shí)，提高織布工人的專(zhuān)業(yè)素養(yǎng)。這不僅能夠提高工人對(duì)于所生產(chǎn)面料相關(guān)參數(shù)設(shè)定的認(rèn)知，也能夠增強(qiáng)車(chē)間布料織造設(shè)定出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)解決的及時(shí)性?？傮w而言，本系統(tǒng)具有較高的實(shí)用性，是極為有用的紡織工程專(zhuān)業(yè)教學(xué)與實(shí)踐培訓(xùn)工具。