倪云鳳 孫佳儀 李金嶼 付琳淋 楊允出

（1.浙江理工大學服裝學院，浙江 杭州 310000；2.浙江理工大學國際教育學院，浙江 杭州 310000)

服裝材料學（Clothing Materials Science，CMS）是服裝設計與工程專業(yè)中一門重要的專業(yè)基礎課程，涉及紡織學、材料學、設計學等多種學科。CMS的教學內(nèi)容包括書本理論教學和實驗儀器教學。實驗儀器教學基于儀器而開展，因此完備的服裝材料實驗儀器是開展教學的首要條件。然而，現(xiàn)階段實踐教學的儀器購入及維護成本高，新舊版本迭代慢，落后于市場前沿研究。限于儀器數(shù)目，大量學生必須分批等待學習，效率較低。因此如何改變傳統(tǒng)實驗課程教學環(huán)節(jié)的方式，增強學生對實驗的學習興趣，提升學習效率和教學效果是當前需要解決的問題。面對服裝材料實驗教學改革，各高校學者也對此進行了大量的探索與改革[1-4]。

本文利用虛擬仿真技術的優(yōu)越性，針對目前服裝材料實驗教學的局限性，根據(jù)教學目標與要求，將教學實驗內(nèi)容進行整理分類，進行服裝材料實驗課程教學建設并提出服裝材料虛擬實驗教學系統(tǒng)。通過各種途徑對具體實驗項目知識進行查找與收集，設計線上操作教學平臺，輔助線下實驗課程教學?？茖W規(guī)劃實驗課時與分數(shù)考核，提供可以合理量化學習成果的方式，有利于學習效果的整體評定。以“KES織物風格實驗”項目為例，利用Unity3D研發(fā)了虛擬實驗教學系統(tǒng)，對系統(tǒng)架構(gòu)與內(nèi)容進行設計，實現(xiàn)了線上實踐教學功能，為服裝專業(yè)課程改革提供了途徑與方向。

1 傳統(tǒng)服裝材料實驗課程教學現(xiàn)狀分析

服裝材料學實驗課程是一門獨立的實驗課程，教學大綱主要體現(xiàn)在具體實驗內(nèi)容和考核形式。傳統(tǒng)服裝材料實驗課程主要依靠老師課題講解，學生線下操作的形式，難以提高學生的興趣與積極性，目前存在的問題主要如下：

1.1 實驗指導手冊陳舊，儀器設備更迭慢

一方面實驗指導手冊陳舊，實驗數(shù)據(jù)缺乏說服力。實驗是根據(jù)國家標準進行測定的。但隨著人們認知的增加與技術的發(fā)展，其中不合理的條例逐漸被國家有關部門修改，使得日后實驗操作更加科學規(guī)范。學校編寫的實驗指導手冊并未及時對相關方面進行修改，造成不必要的實驗偏差，不利于后續(xù)實驗數(shù)據(jù)的研究與分析。另一方面實驗儀器昂貴，設備換代更新慢。對于不同的實驗，實驗室需要配置不同的實驗儀器。實驗儀器的價格從幾千到幾十萬不等，有些甚至達到上百萬，學校投入資金大并且維護成本高。隨著領域新技術的研發(fā)，原先所購儀器落后于市場前沿。

1.2 面料選擇單一化，知識理解不透徹

面料的結(jié)構(gòu)與性能是服裝材料教學里面重要的學習環(huán)節(jié)，通過實驗操作學習，可以加深學生對相關知識的記憶與了解。面對不同的服裝材料實驗，實驗所選擇的面料品種往往是單一的或者固定的幾種面料，這樣操作不利于學生對不同面料結(jié)構(gòu)與性能知識的掌握[5]。

1.3 授課方式落后，學習效率低

在傳統(tǒng)的授課方式中，限于儀器數(shù)量，一般會讓學生分組分批進行實驗。教師會在實驗前向?qū)W生們講解本次實驗的原理、實驗目的、實驗操作等有關知識，然后進行儀器的操作演示。通常成績是根據(jù)小組打分的，因此學生們在小組操作中為了拿到分數(shù)很容易機械化地進行實驗操作而不去思考實驗背后的原理，這種教學方式相對自由散漫，無法讓每一位同學都真正接觸到儀器學習到知識。由于儀器運作原理無法形象化地展示出來，也不利于知識的理解與傳播。

2 虛擬仿真實驗教學模式分析

虛擬仿真作為獲取信息和知識的一種新興媒介，具有交互性、沉浸性、虛幻性和逼真性等特點[6]。因此虛擬仿真教學模式作為增強教學培訓和演練的手段，在近年來的教學應用中具有相當優(yōu)勢。虛擬仿真實驗依托于計算機信息技術，借助三維建模軟件、Unity 3D等創(chuàng)建虛擬實驗系統(tǒng)，在該虛擬教學環(huán)境中，學生可以系統(tǒng)地了解各類儀器外觀及原理，并對面料性能各項實驗進行操作與研究，為日后的課程學習以及科研打下堅實的基礎。在提高效率的同時豐富眼界，還可以使用多種研究前沿的儀器，以最新的測試方法對服裝材料進行實驗研究。虛擬仿真實驗教學模式具有以下優(yōu)勢：

2.1 打破時間空間限制，線上線下相互補充

虛擬仿真教學模式打破了時間和空間的限制，讓做實驗不再受制于成本及人員，實現(xiàn)學生“想學就學、想做就做”的愿望，減少了實驗材料的浪費以及器材大量資金的投入。虛擬實驗作為輔助真實實驗的手段，能夠有效提高學生興趣，幫助知識理解。

2.2 教學內(nèi)容豐富，知識多元化

通過文字、圖片、視頻、交互等方式來豐富教學手段，避免學生感到枯燥乏味產(chǎn)生走神、學習效率低等現(xiàn)象。進行虛擬實驗時，豐富的面料可供選擇，改變以往傳統(tǒng)教學中單一面料實驗的情況，更加有利于學生對面料知識的理解與記憶。

2.3 沉浸體驗感強，提高學生積極性

虛擬仿真教學模式創(chuàng)造了一個逼真、可交互的三維環(huán)境，學生操作實驗即可感受到身臨其境的感覺，激發(fā)好奇心，吸引注意力，在有趣的指導下完成整個實驗。將傳統(tǒng)被動的學習模式轉(zhuǎn)化為以學生為中心的主動學習。

2.4 考核科學合理

結(jié)合多位專家的意見以及實驗課程教學大綱的要求，科學合理規(guī)劃課程課時與章節(jié)時長，避免過長或過短的情況，保證在合理范圍內(nèi)集中學生的注意力。

將虛擬仿真技術融于服裝材料實驗教學，改變傳統(tǒng)實驗教學中學生被動接受知識的現(xiàn)狀，以學生為中心，引導學生主動探索學習，構(gòu)建“有趣、有效、有目標”的新型教學模式。

3 服裝材料實驗課程教學建設

3.1 實驗教學內(nèi)容

在服裝材料課程的實驗教學中，主要內(nèi)容分為面料結(jié)構(gòu)實驗與面料性能實驗。

面料結(jié)構(gòu)測試包括紗線細度捻度測定、織物經(jīng)緯密度、織物組織分析、織物質(zhì)量、織物厚度等內(nèi)容。面料性能測試包括各類性能實驗，比如面料耐用性能：拉伸性能、耐磨性能、撕破性能、頂破性能。面料舒適性能：保暖性能、冷暖感、透氣性能、透濕性能、吸水性能、干燥性能、防水性能。面料外觀性能：懸垂性能、剛?cè)嵝阅堋⒖拱櫺阅?。其他服用性能：起毛起球性能、染色性能、燃燒性能、靜電性能、電磁屏蔽性能、抗紫外線性能?？椢镄阅茉u價：KES織物風格實驗。

3.2 實驗教學項目分析

面料結(jié)構(gòu)測試所用到的儀器基本上是小而操作簡單的儀器，比如織物密度鏡、捻度測試儀、織物厚度測試儀、電子天平等。面料性能測試所用到的則是大而操作復雜的儀器，比如KES織物風格儀、懸垂測試儀、織物透氣量測試儀等。對于操作簡單、上手快，對環(huán)境要求不高的小型實驗設備，可在實驗室中快速進行學習。而大型實驗設備價格昂貴、操作復雜，需要在特定的環(huán)境中才可以使用，給實驗教學帶來了困難。因此，在考慮時間與精力的前提下，結(jié)合課程實驗教學要求，優(yōu)先選擇面料性能實驗中的復雜實驗進行虛擬仿真。

3.3 虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)的規(guī)劃

3.3.1 教學系統(tǒng)的項目設計

通過對服裝材料實驗項目的研究與梳理，確立了以面料性能實驗為主的虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)的建設方案，設計包含面料耐用性能、面料舒適性能、面料外觀性能、織物性能評價4個方向及其下屬共計15種面料服用性能實驗。如圖1所示。利用虛擬仿真技術的真實性以及交互性的優(yōu)點，將服裝材料實驗設備的結(jié)構(gòu)、工作原理，操作流程，結(jié)果分析等知識系統(tǒng)、形象地展示給學生。通過人機交互的技術手段，增強大家對專業(yè)知識的記憶與理解。

圖1 服裝材料虛擬實驗教學系統(tǒng)項目設計圖

3.3.2 教學系統(tǒng)的功能設計

服裝材料虛擬實驗教學系統(tǒng)是集理論學習、交互操作與知識鞏固為一體的實驗教學系統(tǒng)，由用戶登錄、數(shù)據(jù)庫管理、虛擬實驗教學、練習鞏固、課后小測等模塊組成，系統(tǒng)的功能設計如圖2所示。

圖2 服裝材料虛擬實驗教學系統(tǒng)功能設計圖

根據(jù)用戶注冊類型的不同，系統(tǒng)自動分配不同的操作權限；通過數(shù)據(jù)庫存儲與管理實驗中涉及的各類數(shù)據(jù)；虛擬實驗教學模塊分為實驗目的、實驗原理、實驗操作和實驗結(jié)果，用戶可在各小節(jié)中學習了解實驗的基本目的、原理與操作流程，并在系統(tǒng)提示下完成交互實驗，最后根據(jù)實驗生成的表格或圖像數(shù)據(jù)進行實驗結(jié)果的分析。在練習鞏固模塊中，用戶可根據(jù)實驗數(shù)據(jù)進行相關指標間曲線的繪制，操作完成后，需進行實驗報告的填寫。學之后進行課后小測，考核學生在相應實驗模塊的知識學習成果，并記錄最終的考核成績。

3.3.3 教學系統(tǒng)的考核設計

對虛擬仿真實驗內(nèi)容進行課時分配與分數(shù)考核設計。同種類型的實驗項目歸入同一章，章節(jié)中的每個小節(jié)分配1種實驗，共計4章15個課時，每個課時保持在15分鐘內(nèi)為宜。采用百分制對實驗環(huán)節(jié)進行考核[7]，對于不同實驗步驟根據(jù)側(cè)重點分配不同的分數(shù)，課后小測題型主要為選擇題，每題得分相同。操作步驟分占比50%，課后小測分占比50%，實驗完成后對這兩項進行加權核分。當總成績沒有達到預期值時，本節(jié)則不予通過，可重復進行實驗直至成功通過即可。

4 KES織物風格虛擬仿真實驗教學

織物風格是指織物的外觀特質(zhì)與穿著服用性能的綜合反映，不僅對服裝穿著舒適和造型美觀有著重要影響，也對服裝的設計、生產(chǎn)及加工以及引導人群消費方面有著重要的作用。KES織物風格儀價格昂貴，操作復雜且學生們不易接觸到，本文選擇通過對織物風格實驗的設計與開發(fā)來論證服裝材料虛擬實驗教學系統(tǒng)的可行性。利用3D建模技術，基于Unity 3D平臺設計開發(fā)KES織物風格虛擬仿真實驗。三維沉浸式學習可使學生輕松了解儀器外觀及原理，并對服用面料進行各項實驗操作與研究。

4.1 KES織物風格實驗原理

織物風格評價的方式有兩種：主觀評價和客觀評價。主觀評價是通過人工手感目測對織物的風格特征進行評價。客觀評價利用織物風格儀對織物性能進行評價。日本川端季雄設計制造的KES織物風格儀對織物風格評價的影響最大最廣。利用川端系統(tǒng)評價織物風格時，把織物的客觀評定分為3個層次，織物的力學、物理指標，基本風格HV和綜合風格THV[8]。KES織物風格評價體系如圖3所示。

圖3 KES織物風格評價體系圖

KES織物風格系統(tǒng)由FB1-拉伸剪切儀、FB2-彎曲試驗儀、FB3-壓縮儀、FB4-表面摩擦儀及控制計算機組成[9]。實驗選用20cm×20cm織物試樣，按照順序分別測量織物的16個力學、物理指標。計算機軟件根據(jù)不同的面料類別選擇不同的計算公式，把這些指標轉(zhuǎn)換成基本風格值HV[10]?；撅L格分為硬挺度、平展度、懸垂度、豐滿度、滑爽度和光滑度6項，每一基本風格值HV代表織物在某一方面的特性。之后再根據(jù)綜合風格值THV的計算公式，代入上階段求得的HV,計算出THV。這些數(shù)據(jù)最終可歸納在手印圖中，對織物的風格進行更加直觀全面的展示。

4.2 KES織物風格實驗平臺搭建

前期通過各類途徑收集織物風格儀器外觀、尺寸等圖文資料，利用3ds Max軟件對儀器進行等比例實物建模。提前對儀器各部件的功能進行梳理，將其中需要進行交互操作的部件單獨建模，如儀器的開關、功能按鈕以及實驗中需要運動的部件等。收集實驗室場景素材，構(gòu)建包括墻壁、地板、電燈、安全警示海報、實驗臺、面料等物件。場景構(gòu)建完畢后依次對模型進行面數(shù)優(yōu)化，通過貼圖、烘焙以及光照等手法增添整個實驗環(huán)境的真實感，最終將渲染好的模型文件以FBX格式進行保存。最后，將所有文件打包導入Unity 3D中使用。搭建而成的KES織物風格實驗平臺如圖4所示。

圖4 KES織物風格實驗室

在Unity 3D中，使用軟件自帶的UGUI工具來設計整套人機交互界面，實現(xiàn)用戶對整個實驗流程的操作。在交互實驗中，通過點擊KES實驗儀器，觸發(fā)UI界面，通過UI界面的選項按鈕對儀器進行操控。將C#語言編寫的腳本綁定在相應的儀器模型上，通過UI觸發(fā)事件，實現(xiàn)仿真實驗操作和數(shù)據(jù)處理。

4.3 KES織物風格實驗操作流程

本文以全棉男士襯衫面料作為實驗對象[11]，利用KES織物風格實驗平臺對面料進行風格測定與評價。具體操作流程如圖5所示。

圖5 KES織物風格實驗操作流程圖

在虛擬實驗教學模塊進行實驗內(nèi)容的學習（以拉伸實驗為例），操作步驟如下：

（1）在實驗目的與實驗原理環(huán)節(jié)進行拉伸實驗理論的學習，加深對儀器和實驗原理的理解。

（2）進入實驗操作環(huán)節(jié)，選擇拉伸實驗，點擊測試，觀察織物在拉力作用下發(fā)生的變形。

（3）運動停止后點擊下一步，進入到數(shù)據(jù)與圖像分析界面，觀察拉伸曲線的變化。

（4）對測得的實驗數(shù)據(jù)進行學習，了解拉伸線性度、拉伸功、拉伸功恢復率等指標的風格含義以及反映在服用性能上的意義。

（5）重新進入選擇子實驗界面，依次選擇其他實驗——壓縮、彎曲、剪切以及表面摩擦實驗，重復上述步驟，記錄下實驗數(shù)據(jù)。

KES織物風格實驗部分操作界面如圖6所示。

圖6 KES織物風格實驗部分操作界面

在練習鞏固模塊進行全棉男士襯衫面料風格的評定。繪制數(shù)據(jù)圖環(huán)節(jié)導入試樣的各項力學、物理指標值以及硬挺度、滑爽度、平展度和豐滿度4個基本風格值和綜合風格值，自動生成全棉男士襯衫面料風格手印圖，如圖7所示。根據(jù)實驗內(nèi)容填寫實驗報告，如圖8，保存并上交系統(tǒng)進行分數(shù)評定。

圖7 棉質(zhì)襯衫面料風格手印圖

圖8 實驗報告

課后小測模塊會對實驗的重難點、易混淆點進行考察，學生在此進行課后習題作答，檢測學生在交互實驗學習中的學習成果。

5 結(jié)論

本文通過虛擬仿真技術，對服裝材料實驗教學系統(tǒng)的框架與功能模塊、用戶界面、實驗項目以及交互方式進行設計，開發(fā)并實現(xiàn)了KES織物風格實驗，驗證了基于Unity 3D平臺進行服裝材料實驗教學系統(tǒng)開發(fā)的可行性。本實驗教學系統(tǒng)具有直觀性、靈活性和模塊化的特點，為使用者提供簡便、準確、人性化的交互體驗。增強學生對服裝材料實驗課程的學習興趣、提高學習效率、提升教學效果，響應國家將虛擬仿真技術與高校教育有效結(jié)合的號召，也是服裝材料學新型實驗教學探索中的一次創(chuàng)新實踐。