陸 贊 高偉洪

（上海工程技術(shù)大學(xué)，中國 上海201620）

0 引言

教育部目前關(guān)于虛擬仿真實驗教學(xué)建設(shè)要求主要有：《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011—2020年）》《關(guān)于開展國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)工作的通知》（2013年）以及《教育部辦公廳關(guān)于2017—2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學(xué)項教育部目建設(shè)的通知》（2017年）[1]。虛擬仿真實驗教學(xué)具有強烈的沉浸感，能夠通過三維場景的仿真建模，使得學(xué)生在授課過程中高度關(guān)注所學(xué)內(nèi)容，從而提高學(xué)習(xí)熱情。同時，虛擬仿真實驗教學(xué)能夠改變教師傳統(tǒng)的“注入式”教學(xué)方式，強調(diào)學(xué)生“邊動手邊學(xué)”的實驗教學(xué)理念，通過結(jié)合理論預(yù)習(xí)、虛擬仿真操作，以學(xué)生自主學(xué)習(xí)為主，教師指導(dǎo)為輔，幫助學(xué)生獨立思考所學(xué)知識內(nèi)容，靈活判斷，最終達(dá)成理論與實踐的統(tǒng)一。將虛擬仿真實驗教學(xué)與線上教學(xué)相結(jié)合，可以解決一些傳統(tǒng)實驗課程開展線上教學(xué)困難的處境，同時也能改善一些實驗課程教學(xué)成本高、危險系數(shù)大等問題，學(xué)生可以自由自主地在仿真場景中進(jìn)行操作和學(xué)習(xí)。因此，虛擬仿真實驗教學(xué)是學(xué)科專業(yè)與信息技術(shù)深度融合的產(chǎn)物。

1 針織產(chǎn)品設(shè)計與織造實驗教學(xué)背景

近年來，隨著針織工業(yè)在世界范圍內(nèi)發(fā)展迅速，針織產(chǎn)品變化多、更新快、生產(chǎn)靈活，能迅速適應(yīng)市場的變化和客戶的需求。而三維全成形無縫針織物的出現(xiàn)，除了能減少產(chǎn)品的生產(chǎn)流程，也為客制化針織產(chǎn)品的發(fā)展提供了技術(shù)基礎(chǔ)。但是三維針織物由于產(chǎn)品組織與結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)針織物有別，新產(chǎn)品在設(shè)計時需要通過多次打樣，并根據(jù)打樣效果進(jìn)行修正后，才能正式投入生產(chǎn)中[2]。而這些專業(yè)知識在紡織類專業(yè)本科教育中并不重視，造成學(xué)生所學(xué)與實際生產(chǎn)存在偏差。同時，由于生產(chǎn)三維全成形無縫針織產(chǎn)品的設(shè)備比較昂貴，有些設(shè)備占地大，教學(xué)成本以及學(xué)生單位操作時間均無法滿足實驗課建設(shè)要求。

因此，將三維無縫針織物產(chǎn)品的設(shè)計與織造與紡織類專業(yè)人才培養(yǎng)相結(jié)合，圍繞三維無縫針織機的結(jié)構(gòu)與織造認(rèn)知環(huán)節(jié)、操作流程和考核標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計腳本，再根據(jù)腳本通過3D仿真、動畫、AR技術(shù)等建設(shè)虛擬實驗室，從而模擬三維無縫針織物的設(shè)計與織造過程，讓學(xué)生更直觀充分地理解與掌握三維無縫針織物從設(shè)計到成品的整個工藝流程，從而提高學(xué)生的專業(yè)知識與技術(shù)儲備，能夠讓紡織類專業(yè)學(xué)生在就業(yè)過程中更具競爭力。

2 針織產(chǎn)品設(shè)計與織造虛擬仿真實驗教學(xué)建設(shè)

2.1 虛擬仿真實驗教學(xué)模塊設(shè)計

在虛擬仿真系統(tǒng)中，目前設(shè)計包括學(xué)習(xí)系統(tǒng)、虛擬實驗室以及考核系統(tǒng)三大部分。學(xué)習(xí)系統(tǒng)的主要作用是總結(jié)課堂理論知識點，幫助學(xué)生自主學(xué)習(xí)，回顧與實驗有關(guān)的內(nèi)容，也方便學(xué)生在虛擬實驗操作過程中遇到問題時反過來進(jìn)行查漏補缺。本實驗課程主要教學(xué)內(nèi)容涉及三維全成形無縫針織產(chǎn)品的織物組織設(shè)計與上機工藝參數(shù)的設(shè)定。

虛擬實驗室的主要作用是通過動畫、模型等虛擬方式，幫助學(xué)生更好地理解實驗涉及的所有內(nèi)容。除此之外，學(xué)生能夠根據(jù)預(yù)設(shè)好的條件充分發(fā)揮自己的主觀能動性，結(jié)合所學(xué)內(nèi)容進(jìn)行實踐操作。三維全成形無縫針織產(chǎn)品可以由針織電腦橫機以及圓機來實現(xiàn)織造，本專業(yè)針織實驗室中目前配套有德國STOLL公司的電腦橫機，以及圣東尼（上海）有限公司的無縫針織圓機和襪機。在虛擬實驗室中，技術(shù)人員根據(jù)實際設(shè)備中的主要機構(gòu)設(shè)計模型，同時每個零部件都有相關(guān)說明進(jìn)行介紹，讓學(xué)生“隨點隨學(xué)”，理解針織機內(nèi)部各個功能部件的結(jié)構(gòu)與作用。

考核系統(tǒng)主要是為了考核學(xué)生在課上所學(xué)知識的掌握情況，最終根據(jù)目標(biāo)達(dá)成度來給出相應(yīng)的實驗課成績。學(xué)生需要結(jié)合所學(xué)理論內(nèi)容，在內(nèi)置設(shè)計界面中實際操作設(shè)計織物組織并能夠?qū)︶樋棛C的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。同時，學(xué)生在充分認(rèn)知三維無縫針織物設(shè)計與織造流程的基礎(chǔ)上進(jìn)行產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計，以最終綜合成績加以考查。

2.2 虛擬仿真實驗教學(xué)組織與實施

本虛擬仿真實驗系統(tǒng)學(xué)習(xí)主要針對紡織工程專業(yè)大三學(xué)生，學(xué)生已經(jīng)較系統(tǒng)地學(xué)習(xí)紡織材料學(xué)課程以及針織學(xué)和針織學(xué)實驗基本理論和操作流程，因此對于針織產(chǎn)品的設(shè)計、加工工藝的理論及應(yīng)用有深入的理解。本實驗課程主要涉及全成形針織工藝在電腦橫機與圓機上的實現(xiàn)，因此圍繞兩種不同的針織機械需要設(shè)計不同的教學(xué)方法，本文以全成形針織產(chǎn)品在電腦橫機上的設(shè)計與織造為例來加以說明。

通過虛實結(jié)合的教學(xué)方法，首先在學(xué)習(xí)系統(tǒng)中將全成形針織物的設(shè)計場景在虛擬軟件中進(jìn)行還原，在該系統(tǒng)中嵌入SDS-ONE APEX3服裝設(shè)計工作系統(tǒng)，實現(xiàn)全成形針織物紗線原料的選擇、肌理種類和面料效果的選擇、針織樣片織造設(shè)計、基本款式與結(jié)構(gòu)設(shè)計、尺寸與花型設(shè)計等方面的實訓(xùn)教學(xué)[3]。同時，在各個實訓(xùn)教學(xué)內(nèi)容中分別實現(xiàn)針型與紗支關(guān)系、肌理和面料效果與織物組織的對應(yīng)關(guān)系、不同織物結(jié)構(gòu)和花型的織造工藝參數(shù)的階段性考核，讓學(xué)生在學(xué)完每部分內(nèi)容后進(jìn)行鞏固加強。

在虛擬實驗室系統(tǒng)中，實現(xiàn)電腦橫機的機架、控制機構(gòu)、傳動機構(gòu)、選針和編織機構(gòu)、搖床換梭機構(gòu)、送紗機構(gòu)和牽拉機構(gòu)等幾大主要結(jié)構(gòu)的建模還原。學(xué)生通過鼠標(biāo)或者VR眼鏡手柄選中相應(yīng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分解學(xué)習(xí)，了解各個部分的主要功能，同時與學(xué)習(xí)系統(tǒng)中的相關(guān)知識點進(jìn)行聯(lián)動。最終，學(xué)生在考核系統(tǒng)中根據(jù)所學(xué)內(nèi)容設(shè)計一款全成形針織產(chǎn)品，系統(tǒng)根據(jù)SDS-ONE編程系統(tǒng)中反饋出的結(jié)果進(jìn)行打分，并給出模擬編織錯誤的修改意見。

2.3 基于虛擬仿真的線上線下混合式教學(xué)

虛擬仿真技術(shù)因其特有屬性往往被用來作為線下實踐教學(xué)的補充，存在課時量少，知識點不全面等問題，利用線上教學(xué)平臺并結(jié)合虛擬仿真教學(xué)是未來普及實踐類課程值得思考的方式。目前，部分院校開始推廣的“云平臺+虛擬仿真”的混合式教學(xué)能夠較好地兼顧學(xué)校的自身特點和需求，尤其是一些以工科為主的大專院校[4]。一方面，借助“雨課堂”“超星學(xué)習(xí)通”“藍(lán)墨云班課”等線上平臺開展能夠?qū)崟r互動反饋的教學(xué)；另一方面，在線下利用虛擬仿真課程資源，實施從理論到虛擬的一體化教學(xué)，最終在線上根據(jù)學(xué)生的虛擬操作視頻來評估教學(xué)效果。

基于此類教學(xué)模式，針織產(chǎn)品設(shè)計與織造課程在線上理論教學(xué)的基礎(chǔ)上，通過線下或者在線形式的虛擬仿真課程對學(xué)生的理論知識進(jìn)行考查，同時結(jié)合虛擬仿真系統(tǒng)中的模擬操作分批讓學(xué)生在線下利用現(xiàn)有的設(shè)備資源進(jìn)行實物操作，最終實現(xiàn)“理虛實”一體化的教學(xué)模式。通過此類模式，能夠在特殊社會環(huán)境下實現(xiàn)實踐課程的教學(xué)，同時可以為實驗實訓(xùn)設(shè)備不足的學(xué)校提供可行的教學(xué)方式，從而深入融合線上資源與傳統(tǒng)實踐教學(xué)。

3 結(jié)論

隨著各院校“新工科”改革的不斷進(jìn)步，通過建設(shè)虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)是加速實驗實訓(xùn)類課程普及的有力措施。對于紡織工程專業(yè)的學(xué)生而言，針織產(chǎn)品設(shè)計與織造作為就業(yè)的知識儲備之一，其教學(xué)效果關(guān)系到學(xué)生的綜合競爭力。將虛擬仿真實驗與線上課程相結(jié)合并輔以線下實踐操作的混合式教學(xué)兼具靈活性與新穎性，能夠在不同外部條件下實施，同時也需要通過持續(xù)的研究去發(fā)現(xiàn)此類模式的問題和改進(jìn)之處，繼而不斷提升教師現(xiàn)代化教學(xué)能力與創(chuàng)新力。