基于FCF-9無紡布與紡絲/BCF絲綜合機虛擬實驗的設(shè)計和應(yīng)用

馬 艷 黃 赫 汪 濤 李 智 張 碩 冉瑞龍

(1. 西南大學(xué)紡織服裝學(xué)院，重慶 400716；2. 西南大學(xué)計算機與信息科學(xué)學(xué)院，重慶 400716)

基于FCF-9無紡布與紡絲/BCF絲綜合機虛擬實驗的設(shè)計和應(yīng)用

馬 艷1黃 赫2汪 濤1李 智1張 碩1冉瑞龍1

(1. 西南大學(xué)紡織服裝學(xué)院，重慶 400716；2. 西南大學(xué)計算機與信息科學(xué)學(xué)院，重慶 400716)

虛擬實驗作為一種信息化手段已逐步應(yīng)用在各類實驗教學(xué)中。本文介紹了基于紡織工程FCF-9無紡布與紡絲/BCF絲綜合機虛擬實驗的構(gòu)建。測試結(jié)果顯示，設(shè)計虛擬實驗不僅可以讓學(xué)生在課前課后充分自學(xué)，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，增強實驗教學(xué)效果，還可以有效緩解傳統(tǒng)實驗教學(xué)資源消耗大、危險性較高、耗時等問題，可作為傳統(tǒng)實驗教學(xué)的有力補充。

非織造學(xué)；實驗教學(xué)；虛擬實驗

虛擬實驗室的概念是在1989年由美國威廉·沃爾夫(William Wolf)教授首次提出的[1]。隨著高等教育信息化水平的不斷提升，虛擬實驗已成為許多高校積極開發(fā)的內(nèi)容。虛擬實驗是一種能夠通過計算機技術(shù)，結(jié)合圖片、動畫、視頻等多媒體手段對實驗操作和知識進行模擬的過程[2]。通過模擬的方式讓學(xué)生可以對實驗儀器、實驗過程有全方位和深層次的理解，具有良好的交互性、可重復(fù)性、參與性強、安全性能高等諸多優(yōu)點[3]，虛擬的環(huán)境對于教學(xué)環(huán)境和實驗條件的限制也是一種突破，可以彌補傳統(tǒng)實驗教學(xué)由于儀器昂貴、時間場地限制等缺點[4,5]。國家對虛擬實驗的支持力度也非常大，2015年教育部批準了100個國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心。虛擬實驗教學(xué)已經(jīng)成為現(xiàn)代實驗教學(xué)發(fā)展的方向之一[6]。

就紡織類專業(yè)而言，為加深對理論知識的理解和培養(yǎng)實操能力，絕大部分專業(yè)課都有實驗教學(xué)內(nèi)容。部分紡織工程類實驗教學(xué)需要昂貴的大型實驗儀器設(shè)備，以《非織造學(xué)》課程為例，實驗教學(xué)需要使用的FCF-9無紡布與紡絲/BCF絲綜合機是一臺大型設(shè)備，機器成本高達20萬元，高3m左右，體積較為龐大，機器分為上下兩層，在實驗教學(xué)過程中，開機成本、學(xué)生人數(shù)、危險性都是很大的限制，針對此類實驗設(shè)計虛擬實驗就顯得尤為重要。

1 設(shè)計虛擬實驗的必要性

FCF-9無紡布與紡絲/BCF絲綜合機分上下兩層，加料口在第二層，對于觀察(進行實驗操作)的人數(shù)有很大的限制，二層最多可以容納3人同時觀察實驗進程，上實驗課學(xué)生無法同一批觀察。而此用于非織造學(xué)課程的實驗機每次開機的成本大概在2000元，如果多次重復(fù)實驗演示，會增加更多成本。另外，本實驗儀器的操作有一定的危險性，紡PP料時，溫度可高達180-245℃之間；紡布時，應(yīng)將鋪在網(wǎng)上的布小心地送到二壓布輥中，高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)頭具有比較高的危險性，對操作人員的技術(shù)水平有很高的要求。再加上本儀器是國內(nèi)生產(chǎn)的儀器，說明書相當簡單，對于初學(xué)者很難通過說明書進行上機操作，需要有經(jīng)驗的人進行輔導(dǎo)。基于以上，設(shè)計虛擬實驗?zāi)軌虿灰蕾噷嶒炘O(shè)備模擬操作整個實驗過程，能夠讓每一個學(xué)生全方位熟悉實驗過程，根據(jù)自己的學(xué)習(xí)進度反復(fù)學(xué)習(xí)設(shè)備的功能和操作而不受時間、場地、開機成本和設(shè)備的限制。另外，通過模擬實驗，能夠有效的降低實驗成本，減少不必要的重復(fù)實驗。虛擬實驗還能避免每個初學(xué)者都要花費大量時間摸索儀器的使用流程。

2 虛擬實驗設(shè)計

2.1 實驗儀器展示

為使實驗場景真實、逼真，利用Photoshop軟件還原實驗儀器在實驗室中的真實模樣(圖1)。每個部位名稱均明確標示出來便于學(xué)生課前預(yù)習(xí)。為便于理解，本部分采用了正面、側(cè)面和二樓進行分別展示，力求清晰易懂。

圖1 FCF-9無紡布與紡絲/BCF絲綜合機外觀圖

2.2 實驗流程的虛擬設(shè)計

為方便學(xué)生快速熟悉儀器的功能和操作，把操作流程的設(shè)計劃分為機器外觀、紡絲和紡布，紡絲部分又劃分為BCF絲(bulked continuous filament膨體變形長絲)和非BCF絲(圖2)。學(xué)生進入實驗室后，實驗操作主要包括：(1)實驗前的準備。初次操作的學(xué)生需要觀察機器的外觀，熟悉機器的各個部件、機器運行的安全注意事項和機器的預(yù)熱。(2)基本操作流程：①選擇紡絲加入原料加入絲油設(shè)置參數(shù)啟動紡絲；②選擇紡布加入原料設(shè)置參數(shù)啟動紡布。(3)實驗后的處理。機器的關(guān)閉和開機順序相反。在學(xué)生操作過程中，如果操作錯誤，將進行相應(yīng)的提示。

2.3 虛擬實驗軟件的制作

采用Adobe Photoshop CC制作實驗項目場景和機器部件，每個部件都是參照機器說明書按照等比例進行制作，最大程度的模仿機器的外觀。利用Adobe Flash中的actionscript 3.0進行編程，完成多媒體素材的組織，最后完成實驗過程的模擬和操作。在虛擬實驗中，每個步驟有詳細的操作幫助，當學(xué)生進行不當操作的時候，會彈出提示，在正確實驗流程進行操作后，才能進入到下一步。

圖2 虛擬實驗流程設(shè)計圖

3 虛擬實驗體驗測試

3.1 學(xué)生問卷調(diào)查

將設(shè)計制作的“FCF-9無紡布與紡絲/BCF絲綜合機虛擬實驗_V1.0”軟件發(fā)給學(xué)生使用體驗。使用在線問卷調(diào)查工具“問卷星”設(shè)計調(diào)查問卷，總共10個問卷選項，包括9個客觀選擇題，1個主觀意見反饋題。收集2014級紡織工程專業(yè)全體共53位同學(xué)使用虛擬實驗后的反饋，有效回收率為100%，問卷調(diào)查結(jié)果客觀選擇題統(tǒng)計見表1。從反饋結(jié)果可以看出，100%的學(xué)生認為虛擬實驗對實驗操作的預(yù)習(xí)有幫助，98.11%的同學(xué)認為虛擬實驗有助于了解儀器的構(gòu)造、熟悉實驗流程、可以帶著問題進行實驗操作、同時有助于課后鞏固實驗操作。但仍有小部分同學(xué)認為虛擬實驗并不能夠激發(fā)他們對實驗課程的興趣，用戶界面還不夠友好。問卷還征集了同學(xué)們對虛擬實驗的意見和建議，有29位同學(xué)進行了反饋。主要建議包括：希望加入人工語音或者小動畫，增加趣味性；希望看到成品的展示；希望每一步的說明更加詳細；在原料的處理上能夠更加接近真實等。

表1 學(xué)生對虛擬實驗軟件的使用評價

3.2 教師對虛擬實驗的評價

請紡織工程專業(yè)4位專業(yè)課老師對設(shè)計的虛擬實驗進行體驗，均認為該虛擬實驗設(shè)計合理，能夠比較真實還原儀器的運行原理和操作流程，用戶界面友好，用戶體驗感良好。生動的設(shè)計能夠在課前激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣以及滿足課前預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)的需求，并且有利于學(xué)生課后復(fù)習(xí)，鞏固學(xué)習(xí)效果。建議在下次更新版本的時候增加語音提示，能夠在關(guān)鍵節(jié)點給予一定的講解。

3.3 結(jié)論

學(xué)生通過虛擬實驗預(yù)習(xí)實驗流程，熟悉儀器性能特點及重要注意事項，在實際操作中加深對技術(shù)難點和關(guān)鍵點的把握，發(fā)現(xiàn)問題后可以在課后通過虛擬實驗進行反復(fù)練習(xí)，實現(xiàn)實驗情境再現(xiàn)，通過“虛-實-虛”的環(huán)節(jié)不斷提高對實驗的掌握程度。

4 結(jié)語

隨著科技的進步，有更多虛擬現(xiàn)實的硬件和軟件產(chǎn)品推出[7,8]，這將極大推動虛擬實驗的發(fā)展，將虛擬實驗和真實實驗相結(jié)合是一種能夠取長補短，資源最優(yōu)化的組合實驗教學(xué)方式，具有廣泛的應(yīng)用前景[9,10]。虛擬實驗雖無法完全替代真實實驗的技能訓(xùn)練，但在實驗教學(xué)中作為學(xué)生課前預(yù)習(xí)和課后復(fù)習(xí)，初學(xué)者對儀器的熟悉過程都有很大的幫助，尤其對避免因不當操作而造成的危險和儀器損壞有重要的作用。未來，我們希望針對紡織類專業(yè)的實驗教學(xué)特點，設(shè)計出更多的虛擬實驗，構(gòu)建一體化的虛擬實驗平臺，通過這種“虛實結(jié)合”的方式，實訓(xùn)為主，以虛補實，更好地促進紡織類實驗教學(xué)的改革和發(fā)展。

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[3] 杜一寧. 虛擬實驗的研究現(xiàn)狀以及在教學(xué)中的意義[J]. 浙江海洋學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版), 2010, 29(4):390-393.

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DesignandApplicationofaVirtualExperimentBasedonFCF-9Non-wovenandSpinning/BCFSilkThreadIntegratedMachine

MAYan1HUANGHe2WANGTao1LIZhi1RANRui-long1

(1.CollegeofTextileandGarment，SouthwestUniversity，Chongqing400715，China；2.CollegeofComputer&InformationScience,SouthwestUniversity，Chongqing400715，China)

The virtual experiment has gradually been applied in various kinds of experimental teaching as an informational method. This paper introduces the construction of a virtual experiment based on FCF-9 non-woven and spinning/BCF silk thread integrated machine. The results of a test show that not only can virtual experiment help the students in their self-study before and after class, arouse their interest and enhance the effectiveness of experimental teaching, it also can effectively relieve the resource consumption, dangerous factors, time-consuming shortcomings. Therefore, it is recommended that it be used as a supplement of traditional experiment teaching.

nonwovens;experimentalteaching;virtualexperiment

西南大學(xué)2016年實驗技術(shù)研究項目(SYJ2016017)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費一般項目(XDJK2016C019)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費重點項目(XDJK2016B004)。

馬 艷(1983-)，女，助理實驗師，碩士。Email：mayan2@swu.edu.cn

冉瑞龍(1967-)，男，高級實驗師，碩士。Email：rrl123@swu.edu.cn