何 斌，劉 超，譚冬宜，汪澤幸，趙 晶

(湖南工程學(xué)院 紡織服裝學(xué)院，湖南 湘潭 411104)

虛擬仿真在紡織類(lèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

何 斌，劉 超，譚冬宜，汪澤幸，趙 晶

(湖南工程學(xué)院 紡織服裝學(xué)院，湖南 湘潭 411104)

闡述了將虛擬仿真應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的重要性，介紹了虛擬仿真技術(shù)的特點(diǎn)及其應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)勢(shì)，分析了目前高校紡織類(lèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問(wèn)題，結(jié)合學(xué)校省級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的建設(shè)，探討了虛擬仿真在紡織類(lèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用。

虛擬仿真；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；紡織實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)是高校教學(xué)的重要組成部分，通過(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)有助于促進(jìn)學(xué)生由理論知識(shí)向能力的轉(zhuǎn)化，為解決各種實(shí)際問(wèn)題奠定基礎(chǔ)[1]。實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)在培養(yǎng)實(shí)踐能力、激發(fā)創(chuàng)新能力、提高綜合素質(zhì)等方面發(fā)揮著極其重要的作用。重視實(shí)驗(yàn)教學(xué)，使其與理論教學(xué)協(xié)同發(fā)展是培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新復(fù)合人才的重要途徑之一。隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展，信息化、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室建設(shè)成為實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)與改革的重要方向。虛擬仿真也稱(chēng)虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality),簡(jiǎn)稱(chēng) VR，借助于仿真技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、傳感技術(shù)等來(lái)實(shí)現(xiàn)一種可創(chuàng)建的、虛擬世界的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)依托虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫(kù)和網(wǎng)絡(luò)通訊等技術(shù)，構(gòu)建高度仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對(duì)象，學(xué)生在虛擬環(huán)境中開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，達(dá)到教學(xué)大綱所要求的教學(xué)效果。在培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力、研究能力、創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)等方面有著其他教學(xué)環(huán)節(jié)所不能替代的獨(dú)特作用。2013年8月，國(guó)家教育部印發(fā)了《關(guān)于開(kāi)展國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作的通知》指出“虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高等教育信息化建設(shè)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建設(shè)的重要內(nèi)容，是學(xué)科專(zhuān)業(yè)與信息技術(shù)深度融合的產(chǎn)物”[2]。因此，開(kāi)展虛擬仿真在紡織類(lèi)專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用探索具有重要的意義。

1 高校紡織類(lèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀及其存在問(wèn)題

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備和教學(xué)場(chǎng)地?zé)o法滿(mǎn)足教學(xué)需求

紡織類(lèi)加工生產(chǎn)設(shè)備復(fù)雜龐大，購(gòu)置和實(shí)際生產(chǎn)相類(lèi)似的設(shè)備需要投入的資金多，設(shè)備占用場(chǎng)地大，維護(hù)費(fèi)用也較高。且目前紡織類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生人數(shù)日漸增多，部分老牌紡織類(lèi)高校存在設(shè)備更新不及時(shí)、臺(tái)套數(shù)少、老化等問(wèn)題，這些都成為高校提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的障礙。

1.2 實(shí)驗(yàn)耗材費(fèi)用上漲，經(jīng)費(fèi)受限

近年來(lái)，實(shí)驗(yàn)耗材價(jià)格不斷上漲，導(dǎo)致高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)成本急劇增加，雖然各高校也在上調(diào)實(shí)驗(yàn)耗材費(fèi)用，但其增幅和耗材價(jià)格上漲比例不相匹配。部分學(xué)校不得不調(diào)整實(shí)驗(yàn)類(lèi)型和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，甚至有的削減實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。這對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的提高極為不利。

1.3 企業(yè)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐開(kāi)展困難，效果不佳

市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)下的企業(yè)面臨的競(jìng)爭(zhēng)壓力很大，企業(yè)所關(guān)注的是接納學(xué)生實(shí)習(xí)實(shí)踐能否給自身帶來(lái)利益，學(xué)生去企業(yè)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐會(huì)給企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)帶來(lái)一定程度的干擾，這是企業(yè)不愿意面對(duì)的[3]。現(xiàn)階段，各高校都有合作企業(yè)，愿意接納學(xué)生進(jìn)企業(yè)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)實(shí)踐活動(dòng)，但大部分企業(yè)考慮到生產(chǎn)成本、實(shí)際生產(chǎn)加工的危險(xiǎn)性及安全管理問(wèn)題，并沒(méi)有安排學(xué)生在實(shí)際生產(chǎn)中親自動(dòng)手操作，這就大大降低了實(shí)驗(yàn)實(shí)踐的效果。

2 虛擬仿真技術(shù)的特點(diǎn)及其用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)勢(shì)

2.1 技術(shù)特點(diǎn)[4-5]

2.1.1 沉浸性

虛擬仿真系統(tǒng)中，使用者可獲得與現(xiàn)實(shí)生活中相差無(wú)幾的感官感受。通過(guò)操作虛擬設(shè)備，體驗(yàn)真實(shí)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程。

2.1.2 交互性

虛擬仿真系統(tǒng)中，系統(tǒng)與使用者之間的控制具有較強(qiáng)的交互性，使用者可以操控設(shè)備，而虛擬設(shè)備會(huì)根據(jù)操控做出相應(yīng)的反應(yīng)，展現(xiàn)出真實(shí)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

2.1.3 開(kāi)放性

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)發(fā)布到互聯(lián)網(wǎng)上，使用者可以不受時(shí)間、空間的限制，隨時(shí)隨地通過(guò)授權(quán)的用戶(hù)名進(jìn)入系統(tǒng)進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的學(xué)習(xí)操作。

2.1.4 拓展性

可以對(duì)虛擬設(shè)備進(jìn)行靈活配置和組合，進(jìn)一步更新和優(yōu)化軟件功能，使使用者能夠?qū)μ摂M設(shè)備進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。

2.1.5 局限性

虛擬仿真畢竟是虛擬的，能夠完成非常逼真的操作，體驗(yàn)真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，但并不是真實(shí)的訓(xùn)練操作，對(duì)使用者動(dòng)手操作能力的培養(yǎng)存在局限性，不能完全替代實(shí)際操作。

2.2 在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)

虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于紡織類(lèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有明顯的優(yōu)勢(shì)：

(1)可以實(shí)現(xiàn)紡織類(lèi)專(zhuān)業(yè)各種生產(chǎn)設(shè)備、工藝流程及產(chǎn)品性能的展示，任意調(diào)整工藝參數(shù)，體驗(yàn)真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的系統(tǒng)性和完整性。

(2)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)功能性強(qiáng)，占地面積小，克服了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)受時(shí)間和空間限制的弊端，雖然前期投入可能會(huì)較大，但通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)共享。且同類(lèi)高校可整合資源、統(tǒng)籌規(guī)劃，各自根據(jù)自身優(yōu)勢(shì)建立虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)項(xiàng)目，再實(shí)現(xiàn)共享，避免同類(lèi)項(xiàng)目重復(fù)化建設(shè)，這可大大降低整體資金投入。

(3)真實(shí)的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景的構(gòu)建，配以動(dòng)畫(huà)模型及豐富的色彩和活躍的音樂(lè)，更能激發(fā)學(xué)生的興趣，很好地彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的枯燥性，提高了學(xué)習(xí)效率。

(4)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)和項(xiàng)目的建立，不僅限于服務(wù)高校，還可以拓展到整個(gè)社會(huì)，提供更多的學(xué)習(xí)培訓(xùn)服務(wù)。

3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的建立與發(fā)展

作為應(yīng)用型本科院校，我們一直堅(jiān)持以培養(yǎng)紡織類(lèi)應(yīng)用型復(fù)合人才為目標(biāo)，以培養(yǎng)服務(wù)于行業(yè)和地方區(qū)域經(jīng)濟(jì)的創(chuàng)新型高級(jí)技術(shù)應(yīng)用型人才為導(dǎo)向。因此，我校非常重視培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐技能，將虛擬仿真技術(shù)引入實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合、能實(shí)不虛的實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念。

湖南工程學(xué)院紡織服裝學(xué)院擁有省級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心——紡織基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中心。經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，現(xiàn)有用房面積1 900多m2，實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備600多臺(tái)套，涵蓋了“纖維-紗線-織物-染整-服裝”與紡織產(chǎn)業(yè)鏈生產(chǎn)流程相適應(yīng)的實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備及相關(guān)檢測(cè)設(shè)備。實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建設(shè)按照“三個(gè)結(jié)合”(即虛擬實(shí)驗(yàn)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合、軟件平臺(tái)建設(shè)與教儀硬件建設(shè)相結(jié)合、企業(yè)、學(xué)校、科研機(jī)構(gòu)教研相結(jié)合)的指導(dǎo)思想開(kāi)展實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，并建立有利于激勵(lì)學(xué)生學(xué)習(xí)和提高學(xué)生能力的有效管理機(jī)制，創(chuàng)造學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)、個(gè)性化學(xué)習(xí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。同步構(gòu)建了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，并于2015年成功申報(bào)立項(xiàng)省級(jí)虛擬紡織實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心——紡織工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心按照 “大平臺(tái)、大數(shù)據(jù)、大紡織”的觀念，構(gòu)建了“紡織基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)→綜合訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)→研究創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)”的遞進(jìn)式“三層次”實(shí)驗(yàn)分類(lèi)項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)了學(xué)生能力的貫通式遞進(jìn)培養(yǎng)；構(gòu)建了“紡織材料、紡織工藝、產(chǎn)品設(shè)計(jì)”關(guān)聯(lián)式的“三平臺(tái)”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，各教學(xué)平臺(tái)根據(jù)紡織行業(yè)科技發(fā)展前沿及時(shí)調(diào)整更新教學(xué)綱要和計(jì)劃，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)與行業(yè)科技發(fā)展的緊密結(jié)合；各平臺(tái)下還分了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)分室。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建立后，能實(shí)現(xiàn)一批在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室中無(wú)法做到，或者高成本、高消耗、高風(fēng)險(xiǎn)的多種實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，達(dá)到接近現(xiàn)場(chǎng)實(shí)體教學(xué)的效果。例如，通過(guò)對(duì)紡紗工藝流程的模擬及各工序工藝參數(shù)的模擬調(diào)整，學(xué)生可以了解整個(gè)生產(chǎn)工藝流程及參數(shù)設(shè)置情況，通過(guò)工藝參數(shù)的調(diào)整增強(qiáng)了學(xué)生對(duì)紗線質(zhì)量控制的掌控，使理論知識(shí)與實(shí)踐操作融會(huì)貫通，再結(jié)合后續(xù)生產(chǎn)實(shí)習(xí)的環(huán)節(jié)，虛實(shí)結(jié)合，極大地提升了教學(xué)質(zhì)量。

4 結(jié)語(yǔ)

將虛擬仿真應(yīng)用于紡織類(lèi)專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，堅(jiān)持虛實(shí)結(jié)合、能實(shí)不虛，能較好地彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的某些不足，解決當(dāng)前各紡織類(lèi)高校所存在的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面的普遍性問(wèn)題，明顯增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能，提升學(xué)生的實(shí)踐能力。促使學(xué)生主動(dòng)地掌握專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手操作和解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的建立，可以更好地輔助高校教學(xué)科研工作的開(kāi)展，為社會(huì)提供更多的學(xué)習(xí)培訓(xùn)服務(wù)。

[1] 彭 慧. 論現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)教學(xué)中虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用[J]. 赤峰學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2016，32(8):266-267.

[2] 中華人民共和國(guó)教育部高等教育司.關(guān)于開(kāi)展國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作的通知[Z]. 2013-08-13.

[3] 何 斌，汪建華，劉常威，等. 紡織工程專(zhuān)業(yè)“卓越工程師”校企合作培養(yǎng)模式的探索與實(shí)踐[J]. 紡織服裝教育，2015，30(2):100-102.

[4] 黃 晨，羅艷蘭，浦釗鋒，等. O2O模式與三維虛擬仿真在紡織服裝業(yè)的應(yīng)用[J]. 中國(guó)高新技術(shù)企業(yè)，2016，(23):46-47.

[5] 侯珂珂. 虛擬仿真在化學(xué)化工類(lèi)專(zhuān)業(yè)實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用探索與研究[J]. 安徽化工，2015，41(3):95-96.

Application of Virtual Simulation Technology in Textile Experiment Teaching

HE Bin, LIU Chao, TAN Dong-yi, WANG Ze-xing, ZHAO Jing

(College of Textile and Fashion, Hunan Institute of Engineering, Xiangtan 411104, China)

The importance of virtual simulation technology in experiment teaching was elaborated, the characteristics and advantages of virtual simulation technology in experimental teaching were introduced. The existing problems in the textile experiment teaching of colleges and universities were analyzed. Combined the construction of provincial level virtual simulation experiment teaching center, the application of virtual simulation technology in the textile experiment teaching was discussed.

virtual simulation; experiment teaching; textile experiment

2017-03-23

湖南省2016年普通高校教學(xué)改革研究立項(xiàng)項(xiàng)目(2016-400)

何 斌(1982-)，男，講師，博士，主要研究方向?yàn)榧徔棽牧辖Y(jié)構(gòu)與性能，E-mail：hb126_b@163.com。

G642.0

A

1673-0356(2017)06-0062-03