楊 卓，鄭亞雯，陳 英，王 煒，樊 吉

(東華大學(xué) 化學(xué)化工與生物工程學(xué)院，上海 201620)

一、 染整實踐教學(xué)現(xiàn)狀

紡織化學(xué)與染整工程是一門實踐性很強的學(xué)科。我校(東華大學(xué))輕化工程專業(yè)(染整方向)的主要任務(wù)是為社會培養(yǎng)和輸送生產(chǎn)一線的工程師、研發(fā)人員以及染整相關(guān)行業(yè)的技術(shù)服務(wù)人員。這就要求我們培養(yǎng)的學(xué)生必須具備綜合運用科學(xué)基礎(chǔ)理論與技術(shù)方法分析和解決復(fù)雜工程問題的能力，這也是“新工科”背景下國家對高等教育提出的要求[1]。

目前我國工程教育已經(jīng)由科學(xué)模式向工程模式轉(zhuǎn)型。工程模式倡導(dǎo)工程回歸，將工程科學(xué)技術(shù)與工程實踐融為一體，是一種具有實踐性、綜合性和創(chuàng)新性的工程實踐教育，培養(yǎng)學(xué)生具備完整的學(xué)科知識體系和工程實踐能力，使學(xué)生能夠有效應(yīng)對復(fù)雜的工程系統(tǒng)問題[2]。自2009年國家提出“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”以來，各高校都在積極探索卓越工程師培養(yǎng)模式以及實踐教學(xué)實施方案，如校內(nèi)實踐基地建設(shè)、校企合作實習(xí)基地開發(fā)、工程課程開設(shè)等[3-5]。目前工程實踐在教學(xué)中的融入已經(jīng)受到重視，但我們對畢業(yè)生跟蹤調(diào)查發(fā)現(xiàn)，畢業(yè)生普遍反映學(xué)校教學(xué)與生產(chǎn)實踐存在明顯的脫節(jié)現(xiàn)象，他們在企業(yè)需要較長的學(xué)習(xí)期以熟悉實際生產(chǎn)過程，短時間無法體現(xiàn)大學(xué)生的價值。

染整實踐教學(xué)效果不理想主要在于以下原因：(1)實踐基地不能滿足學(xué)校的教學(xué)要求，學(xué)生在企業(yè)實習(xí)過程中無法動手操作。對于大多數(shù)企業(yè)來說，由于工作任務(wù)重，競爭壓力大，加上安全因素等，一般不愿意接納學(xué)生實習(xí)，即使接收了實習(xí)生，學(xué)生也只能在化驗室從事一些輔助性工作，在生產(chǎn)一線僅能安排參觀等認(rèn)識實習(xí)，學(xué)生沒有參與和動手的機會。學(xué)校組織實習(xí)的目的是讓學(xué)生了解真實的生產(chǎn)過程，由于染整大樣生產(chǎn)和小樣生產(chǎn)實驗在設(shè)備、工藝和質(zhì)量控制上有著很大的區(qū)別，僅以參觀代替實習(xí)使教學(xué)效果大打折扣。(2)校內(nèi)缺乏建設(shè)實踐教學(xué)基地的條件。首先是場地限制。染整生產(chǎn)設(shè)備種類多，占地面積大，即使是小樣設(shè)備，構(gòu)建一條全流程生產(chǎn)線也需要幾百平方米甚至上千平方米的用房。其次是安全隱患。染整設(shè)備多為高溫、高壓且具有一定運轉(zhuǎn)速度，設(shè)備操作需要經(jīng)過嚴(yán)格培訓(xùn)，稍不注意就可能出現(xiàn)安全問題。(3)經(jīng)費投入較大，而設(shè)備使用率較低，投入產(chǎn)出比低。這些因素制約了工程實踐教學(xué)的發(fā)展和學(xué)生工程能力的培養(yǎng)[6-7]。

二、 虛擬仿真實踐教學(xué)建設(shè)的意義

2017年7月教育部發(fā)布了《2017—2020年示范性虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)規(guī)劃》，要求開展示范性虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)，拓展高等教育實驗教學(xué)內(nèi)容的深度和廣度，強化信息技術(shù)在實踐教學(xué)中的應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識與創(chuàng)新能力，提升實驗教學(xué)質(zhì)量與水平[8]。虛擬仿真技術(shù)可生成一個三維可視化虛擬環(huán)境，借助人機交互設(shè)備和位置跟蹤設(shè)備把人的控制信息和現(xiàn)實中的相關(guān)空間信息傳遞到虛擬現(xiàn)實環(huán)境，從而把人、現(xiàn)實世界和虛擬空間結(jié)合起來，融為一體[9]。近年來，虛擬仿真技術(shù)在醫(yī)療、場景展覽、航天軍事、新能源、消防演習(xí)等領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用。利用虛擬仿真系統(tǒng)，可實現(xiàn)各類工藝仿真，對生產(chǎn)工藝過程中參數(shù)的改變進(jìn)行推演并實景展示，具有很好的培訓(xùn)效果[10]。虛擬仿真技術(shù)可為實踐教學(xué)帶來全新的解決方案。利用虛擬仿真技術(shù)模擬工廠的實際生產(chǎn)情況，學(xué)生能夠獲得與真實場景相同的體驗，并可通過鼠標(biāo)、鍵盤、VR等設(shè)備對系統(tǒng)進(jìn)行操作，同時通過三維建模了解設(shè)備的內(nèi)部構(gòu)造，而這些都是在工廠實踐中無法做到的。

虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用可改變?nèi)菊麑嶒灲虒W(xué)和生產(chǎn)實際不匹配的現(xiàn)狀，突破傳統(tǒng)實驗時間和空間的限制。在計算機上進(jìn)行仿真實驗，逼真的畫面和實時的數(shù)據(jù)反饋讓學(xué)生有操作實體設(shè)備的感覺，并觀察到相似的實驗現(xiàn)象，從而達(dá)到類似實體實驗的教學(xué)效果。這一技術(shù)能很好地解決實踐教學(xué)中學(xué)生不能動手的問題，有助于培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐和技術(shù)創(chuàng)新能力。

三、繩狀染色虛擬仿真實驗的應(yīng)用

紡織品染色是染整加工的重要工序，由于繩狀加工設(shè)備占地面積大且染色用時長，一次染色用時至少6小時，難以開展實驗教學(xué)。學(xué)生主要通過企業(yè)實習(xí)和課堂教學(xué)學(xué)習(xí)相關(guān)知識。但由于設(shè)備密閉不透明，課堂教學(xué)采用平面設(shè)備圖，內(nèi)容抽象，難以直觀展示染色原理，學(xué)生學(xué)習(xí)難度大。而工廠實踐學(xué)生也只能觀看，不能參與實際生產(chǎn)，教學(xué)效果不理想。我校利用虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建三維設(shè)備模型，形象展示染色過程中設(shè)備內(nèi)部的運行情況。學(xué)生通過虛擬設(shè)備的操作演練，掌握生產(chǎn)過程中工藝控制的相關(guān)知識，培養(yǎng)解決實際工程問題的能力。

1. 虛擬仿真實驗設(shè)計

繩狀染色虛擬仿真實踐教學(xué)針對教學(xué)中的難點以及實踐教學(xué)的短板開展。教學(xué)目的：(1)掌握繩狀染色原理，了解實際生產(chǎn)與實驗室小試加工之間的區(qū)別；(2)掌握噴射溢流染色機和氣流染色機兩種典型繩狀染色加工設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點，并能對運行過程中的故障進(jìn)行及時處理；(3)掌握不同紡織品的繩狀染色條件及過程參數(shù)控制，并能根據(jù)設(shè)備特點獨立設(shè)計染色工藝流程；(4)了解印染廠設(shè)計的相關(guān)知識。虛擬仿真實驗包括三個模塊，分別是車間導(dǎo)覽、設(shè)備認(rèn)知、生產(chǎn)仿真。實驗構(gòu)架如表1所示。

表1 繩狀染色虛擬仿真實驗構(gòu)架

(1) 車間導(dǎo)覽模塊。從宏觀的角度構(gòu)建一個與現(xiàn)實工廠相同的虛擬三維染色車間和自動化料輸送車間。學(xué)生進(jìn)入車間導(dǎo)覽模塊，通過鍵盤走至車間的任意位置，用鼠標(biāo)進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn)，通過俯視、仰視等不同角度，觀察設(shè)備排布、廠房結(jié)構(gòu)、屋頂排氣設(shè)計、排水管道設(shè)計、進(jìn)水管道排布以及自動化料、送料過程，并與工廠設(shè)計課程的相關(guān)內(nèi)容相互印證，深化對印染廠設(shè)計以及工廠自動化的理解。

(2)設(shè)備認(rèn)知模塊。包含噴射溢流染色機和氣流染色機兩臺典型的繩狀染色設(shè)備。該模塊由設(shè)備原理演示、設(shè)備拆裝及設(shè)備故障處理三個學(xué)習(xí)內(nèi)容組成，旨在使學(xué)生通過深入了解設(shè)備構(gòu)造掌握繩狀染色原理。染色原理是教學(xué)的重點和難點，在傳統(tǒng)的教學(xué)中大多采用平面圖進(jìn)行原理講解，過于抽象，缺乏空間感，在虛擬教學(xué)系統(tǒng)中，通過設(shè)備的三維展示及自由拆裝過程，學(xué)生可形象直觀地了解設(shè)備構(gòu)造及其工作原理，降低了學(xué)習(xí)難度。①設(shè)備拆裝(圖1a)，按一定順序?qū)υO(shè)備進(jìn)行拆卸和組裝，達(dá)到對設(shè)備組成及結(jié)構(gòu)認(rèn)知的目的。②設(shè)備原理演示(圖1b)，利用半透視頻動畫，輔以音頻講解，使學(xué)生能夠清晰地看到染色過程中設(shè)備內(nèi)部的變化以及氣流霧化、染液噴射的動畫效果。在觀看視頻的過程中，可同時對設(shè)備進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn)及放大縮小操作，方便對細(xì)節(jié)的觀察。③故障處理，演示設(shè)備常見的故障及產(chǎn)生原因，并根據(jù)提示解除故障，恢復(fù)正常生產(chǎn)。該模塊的學(xué)習(xí)主要為后續(xù)進(jìn)行染色工藝設(shè)計及控制打下扎實的理論基礎(chǔ)。

(a) 虛擬拆裝

(3) 生產(chǎn)仿真模塊。學(xué)生在設(shè)備認(rèn)知的基礎(chǔ)上，運用以往學(xué)習(xí)的知識完成黏膠織物的染色程序設(shè)計，并在軟件上進(jìn)行染色實驗，在學(xué)生熟練后進(jìn)行滌綸織物染色實驗考核。該模塊是對學(xué)生所學(xué)知識的考核，也是虛擬實驗的核心部分。為了使工藝設(shè)計能與實際生產(chǎn)相匹配，學(xué)生進(jìn)入實驗后，系統(tǒng)首先給出工藝單，學(xué)生需要根據(jù)工藝單的要求進(jìn)行染色流程設(shè)計，設(shè)計步驟和參數(shù)完全參照實際生產(chǎn)過程。設(shè)計完成后，在操作過程中，設(shè)備為半透展示，每一步操作都會對應(yīng)相應(yīng)的運行動畫，幫助學(xué)生了解生產(chǎn)過程(圖2)。實驗結(jié)束后系統(tǒng)給出實驗分?jǐn)?shù)。

2. 虛擬仿真實驗的實施

在教學(xué)中，我們采用虛實結(jié)合的教學(xué)模式，以虛促實，化虛為實。實施過程包含教、學(xué)、考、習(xí)四個環(huán)節(jié)。

(1) “教”即集中教學(xué)。通過3D互動課件，針對重點知識點進(jìn)行補充和擴展。這部分教學(xué)主要利用車間導(dǎo)覽和設(shè)備認(rèn)知模塊，講解工廠設(shè)計布局及染色原理，并結(jié)合實驗室小樣機進(jìn)行實物現(xiàn)場教學(xué)；針對虛擬實驗操作部分，講解操作要點及影響因素等。通過集中教學(xué)，使學(xué)生明確實驗的目的和任務(wù)，掌握課程的重點和難點。

(2) “學(xué)”即自主學(xué)習(xí)。學(xué)生根據(jù)自身情況，在虛擬仿真平臺上自主安排學(xué)習(xí)時間，消化集中教學(xué)內(nèi)容。通過虛擬系統(tǒng)與以往學(xué)習(xí)的相關(guān)理論知識相互印證，加深對理論知識的理解，并在仿真操作模塊通過反復(fù)演練，熟悉繩狀染色操作流程，掌握染色工藝流程設(shè)計和質(zhì)量控制的相關(guān)知識。

(3) “考”即仿真實驗考核。根據(jù)實驗要求，學(xué)生獨立設(shè)計操作流程并予以實施，軟件將根據(jù)流程和參數(shù)設(shè)置的準(zhǔn)確性自動計分。在實驗完畢且考核合格后，學(xué)生按要求撰寫實驗報告并提交。

圖2 生產(chǎn)仿真模塊操作界面

(4) “習(xí)”即生產(chǎn)實習(xí)。通過上述虛擬實驗教學(xué)過程，促進(jìn)學(xué)生對實際知識的學(xué)習(xí)和掌握，有助于學(xué)生了解實際生產(chǎn)過程。但虛擬教學(xué)所涉及的產(chǎn)品及生產(chǎn)工藝較單一，為了使學(xué)生更好地將所學(xué)知識應(yīng)用于實踐，在后續(xù)企業(yè)生產(chǎn)實習(xí)中，學(xué)生雖然不能動手，但要求他們在已經(jīng)掌握基本操作和原理的基礎(chǔ)上，獨立設(shè)計不同產(chǎn)品的生產(chǎn)流程并與實際生產(chǎn)流程進(jìn)行對比分析，從而完善自身知識結(jié)構(gòu)，化虛為實。

通過上述教、學(xué)、考、習(xí)四個環(huán)節(jié)，充分利用學(xué)校教學(xué)資源，合理利用企業(yè)資源，虛實結(jié)合，化虛為實，培養(yǎng)學(xué)生解決工程問題的能力。

3. 虛擬仿真實驗教學(xué)存在的問題

目前染整類虛擬仿真實驗教學(xué)存在的主要問題是靈活度不夠[11-12]，實驗過程中操作流程是固定的，一旦實驗過程中出現(xiàn)錯誤，系統(tǒng)會報錯，學(xué)生需重新找到正確的操作步驟，繼續(xù)進(jìn)行，不能像在真實生產(chǎn)中，設(shè)備可以按照任意設(shè)計流程運行。但若提高實驗過程的自由度，不僅增加設(shè)計成本，而且還需要考慮不同程序組合造成的錯誤結(jié)果，這將導(dǎo)致程序設(shè)計復(fù)雜。因此如何使實驗設(shè)計更加靈活，是今后需要研究的課題。

四、 結(jié)語

虛擬仿真技術(shù)給輕化工程專業(yè)(染整方向)的實踐教學(xué)帶來了全新的解決方案，切實改變了以往走馬觀花式的實習(xí)模式。在現(xiàn)有建設(shè)的基礎(chǔ)上，我們將繼續(xù)完善前處理、印花、后整理等工藝流程，建立染整全景工廠虛擬仿真實訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)，形成一套完整的染整虛擬仿真實習(xí)實訓(xùn)教學(xué)體系。需要注意的是，虛擬仿真系統(tǒng)的建設(shè)費用較高，如果能聯(lián)合相關(guān)設(shè)備企業(yè)，降低設(shè)備3D模型的構(gòu)建費用，將有利于虛擬仿真實驗教學(xué)建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展。另外，目前虛擬仿真教學(xué)還停留在單機軟件的水平，不能與實際生產(chǎn)聯(lián)動。而虛擬現(xiàn)實技術(shù)更具魅力的地方是可以通過位置跟蹤和數(shù)據(jù)讀取，把人、現(xiàn)實世界和虛擬空間結(jié)合起來，這樣將可實現(xiàn)真正把現(xiàn)實工廠搬到教學(xué)中，但這一功能的實現(xiàn)需要印染企業(yè)的參與，以及學(xué)校、印染企業(yè)和軟件制作公司三方的通力合作。