虛擬仿真系統(tǒng)在印刷工程專業(yè)實踐教學(xué)改革中的應(yīng)用研究

張傳香 李蔚 朱新連 張姍姍 鐘云飛

(湖南工業(yè)大學(xué)包裝與材料工程學(xué)院，湖南 株洲 412007)

印刷是中華民族的驕傲，時至今日，印刷行業(yè)依然是我國甚至世界各國經(jīng)濟發(fā)展和生活中不可或缺的一個重要產(chǎn)業(yè)，且多年來發(fā)展態(tài)勢持續(xù)穩(wěn)定。尤其是近年，隨著我國工業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，以及加快綠色印刷發(fā)展進程的各種政策的頒布實施，我國印刷行業(yè)的發(fā)展迎來了新的機遇和挑戰(zhàn)。目前，我國印刷行業(yè)不斷自主創(chuàng)新和技術(shù)升級，發(fā)展態(tài)勢良好，快速更新?lián)Q代的印刷業(yè)對技術(shù)人員和研發(fā)人員的專業(yè)技能和經(jīng)驗要求越來越高，復(fù)合型、創(chuàng)新型、高素質(zhì)綜合性人才成為目前印刷行業(yè)最迫切的需求。這也對印刷專業(yè)院校在人才培養(yǎng)和教學(xué)內(nèi)容設(shè)置上提出了更大挑戰(zhàn)，在專業(yè)理論、實踐教學(xué)的改革及創(chuàng)新上提出了更高的要求。

文章擬通過分析當前我國高校印刷工程專業(yè)實踐教學(xué)的現(xiàn)狀，探討如何通過虛擬仿真系統(tǒng)在印刷工程專業(yè)實踐教學(xué)中的輔助應(yīng)用，以提高印刷工程專業(yè)的教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)出適應(yīng)印刷行業(yè)高速發(fā)展的高素質(zhì)、高技能人才。

1 當前印刷工程專業(yè)實踐教學(xué)現(xiàn)狀

印刷行業(yè)是一個專業(yè)性、技能性很強的領(lǐng)域，競爭激烈的用人單位希望高校畢業(yè)生不僅具備扎實的理論基礎(chǔ)，更看重學(xué)生的動手能力，因此，對于以培養(yǎng)高層次應(yīng)用型人才為宗旨的應(yīng)用型本科院校來說，實踐教學(xué)環(huán)節(jié)尤為重要[1]。然而，國內(nèi)大部分相關(guān)院校的印刷專業(yè)實踐教學(xué)由于存在以下幾個方面的原因，導(dǎo)致教學(xué)與用人單位要求脫節(jié)：

（1）高?！半p師型”教師稀缺，專業(yè)教師雖有著豐富的理論知識，可大多沒有企業(yè)一線實操經(jīng)驗，培養(yǎng)具有實踐技能的學(xué)生似乎是一件“不可能完成的任務(wù)”。

（2）印刷、印后加工設(shè)備復(fù)雜多樣，占地面積大，購置具備完整功能的實驗設(shè)備需要投入大量的資金，硬件、維修場地的要求較高，學(xué)校教育難以提供相應(yīng)的實踐教學(xué)資金和場地支持；現(xiàn)有教學(xué)設(shè)備類型少、數(shù)量少，設(shè)備陳舊與企業(yè)生產(chǎn)脫節(jié)。

（3）實踐教學(xué)成本偏高。雖然目前一些學(xué)校印刷專業(yè)配備了先進的印刷及后加工機械，但由于實驗過程中油墨、版材、紙張以及其他耗材成本開銷較大，加之實踐教學(xué)經(jīng)費緊張，導(dǎo)致實踐教學(xué)流于形式，學(xué)生很難親自動手操作，無法進行不計成本、不計次數(shù)、不限時間的訓(xùn)練[2]。

（4）印刷設(shè)備的飛速運轉(zhuǎn)不僅帶來學(xué)生的人身安全隱患，也帶來廢液、廢氣排放、噪聲污染等教學(xué)場地環(huán)境污染問題。同時，實驗室或?qū)嵙曑囬g氣味、噪音等環(huán)境的負面影響可能會降低學(xué)生的實驗興趣，實驗教學(xué)效果將大打折扣[3]，更有甚者從此失去專業(yè)學(xué)習的興趣，影響整個大學(xué)學(xué)習生涯。

（5）盡管學(xué)生也有機會進入企業(yè)進行認知學(xué)習，但由于涉及企業(yè)正常生產(chǎn)、安全等因素，學(xué)生也無法充分了解高端設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、運轉(zhuǎn)動態(tài)特征、內(nèi)部狀態(tài)，以及印刷設(shè)備總體工作流程等，教學(xué)效果依然不理想[4]。

2 印刷工程專業(yè)開發(fā)虛擬仿真資源的必要性

虛擬仿真技術(shù)，或稱為模擬技術(shù)，是一種可創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機系統(tǒng)。利用虛擬仿真進行實驗教學(xué)是教育信息化建設(shè)的重要內(nèi)容，是指利用計算機多媒體技術(shù)結(jié)合虛擬現(xiàn)實設(shè)備及技術(shù)，通過人機交互、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)通信等手段，搭建虛擬實驗環(huán)境和實驗對象，讓學(xué)生在虛擬仿真環(huán)境中進行實驗操作的一種信息化教學(xué)手段[5]。圖1顯示的是印刷模擬系統(tǒng)的印刷車間，其形象逼真的虛擬實驗使學(xué)習形式更加多樣，學(xué)習資源更加豐富，使原本枯燥的實驗教學(xué)煥發(fā)新的生機。

早在幾年前，歐美國家的印刷教育和培訓(xùn)機構(gòu)在教學(xué)上已經(jīng)開始采用虛擬仿真的模擬印刷系統(tǒng)，幫助學(xué)生深入了解印刷完整的工藝流程、印刷設(shè)備的結(jié)構(gòu)功能，掌握各控制平臺操控要點，印刷工藝參數(shù)的調(diào)節(jié)對印刷質(zhì)量的影響，生產(chǎn)中遇到真實的故障如何進行分析和解決。模擬仿真實驗以“虛”代“實”、以“軟”代“硬”，能為傳統(tǒng)實驗教學(xué)中迫切需要解決的問題提供策略和方法，能實現(xiàn)現(xiàn)實實驗條件不具備或難以實踐操作的教學(xué)環(huán)節(jié)，能節(jié)省實驗項目開設(shè)費用，并具有透明性、共享性、互動性、自主性及擴展性等特點，是信息時代數(shù)據(jù)共享、知識共享的必然要求[6]。

3 虛擬仿真在實踐教學(xué)中的典型應(yīng)用

印刷工程專業(yè)是湖南工業(yè)大學(xué)的國家級特色專業(yè)，多年來，專業(yè)教師一直走在教學(xué)改革和創(chuàng)新的前沿。2013年就引進了印刷模擬系統(tǒng)，并結(jié)合專業(yè)特點搭建了印刷工程虛擬仿真實驗教學(xué)平臺。虛擬仿真實驗教學(xué)圍繞學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新精神為培養(yǎng)目標，以專業(yè)基礎(chǔ)課程虛擬仿真實驗教學(xué)為主線，以信息化手段為依托，以校園網(wǎng)為平臺，在校內(nèi)大力開展跨學(xué)科跨專業(yè)的創(chuàng)新型虛擬仿真實驗教學(xué)，實驗教學(xué)內(nèi)容更加豐富。學(xué)生學(xué)習空間和時間更加自主，可以隨時隨地利用網(wǎng)絡(luò)終端學(xué)習，增加了學(xué)生動手操作的機會，學(xué)生的實踐技能也得以增強。

在此基礎(chǔ)上，湖南工大在實驗室建設(shè)中對虛擬仿真教學(xué)進行了更進一步的加強，對現(xiàn)有課程實驗項目進行了細化，構(gòu)建了包括基本仿真實驗、提高型仿真實驗和研究創(chuàng)新型仿真實驗在內(nèi)的完整仿真教學(xué)體系，可提供本科層次學(xué)生完成基本仿真實驗、綜合設(shè)計型仿真實驗和有創(chuàng)新意義的仿真實驗訓(xùn)練。使學(xué)生在掌握基本原理的基礎(chǔ)上可根據(jù)自身學(xué)習情況進行深入研究并完成一些創(chuàng)新實驗項目或課題。虛擬仿真在本專業(yè)實踐教學(xué)中的典型應(yīng)用主要通過以下幾種方式。

圖1 印刷模擬系統(tǒng)的印刷車間

3.1 建立基于全景技術(shù)的虛擬印刷實驗室

全景虛擬現(xiàn)實又稱實景虛擬，它是基于全景靜態(tài)圖像在計算機平臺上展示真實場景的虛擬現(xiàn)實技術(shù)，它可以通過計算機技術(shù)實現(xiàn)全方位互動式觀看真實場景的還原展示[7]。其與視頻、音頻、圖片等傳統(tǒng)的流媒體最大的區(qū)別是“可操作，可交互”。

虛擬印刷實驗室建設(shè)的數(shù)據(jù)源直接取材于湖南工業(yè)大學(xué)合作的優(yōu)秀包裝印刷企業(yè)，如常德金鵬、深圳雅昌、深圳勁嘉等真實的生產(chǎn)車間場景，真實的車間設(shè)備，實現(xiàn)了真實生產(chǎn)現(xiàn)場的360度全景展示，學(xué)生可以操控鼠標、鍵盤、虛擬現(xiàn)實頭盔以及數(shù)據(jù)手套等，漫游印刷車間、建立與虛擬印刷車間的互動，印刷機機構(gòu)部件的展示及拆解、印刷機部分機構(gòu)傳動過程的動態(tài)演示。圖2所示的是輸紙機的虛擬紙張分離和輸送過程。通過虛擬操作面板實現(xiàn)印刷機的虛擬基礎(chǔ)操作、觀察印刷故障的產(chǎn)生及分析原因等，實現(xiàn)在生動和逼真的虛擬環(huán)境中進行身臨其境的交互觀察和體驗。結(jié)合語音解說、圖片、文字介紹，以及Flash動畫等，使學(xué)生在生動、逼真、立體、類似游戲的體驗中獲得了與實驗室實驗同等的學(xué)習成效，提高了學(xué)生的學(xué)習興趣，極大地節(jié)約了教學(xué)及培訓(xùn)成本。

3.2 印刷模擬系統(tǒng)仿真軟件教學(xué)

圖2 輸紙?zhí)摂M示意圖

印刷專業(yè)所采用的虛擬仿真教學(xué)軟件是由海德堡、巴斯夫及CATF等國際知名印刷機制造商、材料供應(yīng)商和世界著名印刷企業(yè)及基金會共同研制開發(fā)的印刷模擬系統(tǒng)。該系統(tǒng)可模擬單張紙膠印、輪轉(zhuǎn)膠印、凹印、柔印、凸印等不同印刷類型的各種常見機型，能模擬印刷設(shè)備的結(jié)構(gòu)，可進行輸紙、輸墨、輸水等相關(guān)模擬操控，并可以設(shè)置和調(diào)控車間環(huán)境溫濕度等的印刷環(huán)境參數(shù)。在模擬教學(xué)中，學(xué)生可操控印刷機各個部件，從而認識印刷機的結(jié)構(gòu)和運行原理。通過對印刷材料選擇、印刷設(shè)備調(diào)節(jié)和印刷各工藝參數(shù)的設(shè)置來學(xué)習印刷過程中各種因素對印刷質(zhì)量的影響。

印刷模擬系統(tǒng)也是一種印刷故障學(xué)習系統(tǒng)，它含有一個龐大的印刷故障數(shù)據(jù)庫。一方面，可通過改變印刷參數(shù)，虛擬印刷品實時反映出的印刷故障來學(xué)習印刷參數(shù)對印刷質(zhì)量的影響；另一方面，可以通過對故障數(shù)據(jù)庫中的樣張故障現(xiàn)象的判斷，以及數(shù)據(jù)庫中對印刷故障的描述，學(xué)習印刷故障產(chǎn)生的原因和解決辦法。印刷設(shè)備、工藝的精密性，印刷機型及材料的多樣性決定了印刷故障的多樣性及復(fù)雜性，加之教學(xué)條件限制，教師難以將眾多抽象的印刷故障教給學(xué)生。而印刷模擬系統(tǒng)能夠?qū)⑦@些繁雜抽象的印刷故障形象地模擬呈現(xiàn)出來，幫助學(xué)生學(xué)習快速判斷印刷故障、產(chǎn)生的原因和有效的解決方法。教學(xué)過程中，學(xué)生不僅可以應(yīng)用印刷模擬系統(tǒng)內(nèi)置的印刷故障題庫進行練習和測試，而且針對真實實驗難以完成的實驗內(nèi)容，教師可以利用印刷模擬系統(tǒng)的培訓(xùn)師模塊設(shè)計實驗對學(xué)生進行考核，完成對學(xué)生知識掌握程度的評價。

3.3 建立開放式網(wǎng)絡(luò)化、立體化虛擬仿真實驗教學(xué)與實驗管理信息平臺

湖南工業(yè)大學(xué)在湖南省印刷媒體虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)的過程中,緊跟科技發(fā)展，注重虛擬現(xiàn)實技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、人機交互技術(shù)、多媒體技術(shù)、數(shù)據(jù)庫管理，以及遠程網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的綜合應(yīng)用，建立了開放式網(wǎng)絡(luò)化、立體化虛擬仿真實驗教學(xué)與實驗管理信息平臺。實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化虛擬仿真教學(xué)與實驗、輔導(dǎo)、預(yù)習，以及網(wǎng)絡(luò)查詢、網(wǎng)絡(luò)管理等先進的虛擬仿真實驗和遠程實驗教學(xué)系統(tǒng)，達到拓展教學(xué)時空、優(yōu)化教學(xué)體系、共享教學(xué)資源的目的。學(xué)生不僅能在課堂上學(xué)知識，課下也可以隨時隨地通過電腦、手機客戶端遠程操作虛擬仿真實驗教學(xué)平臺自主學(xué)習，教師也可以及時通過網(wǎng)絡(luò)遠程管理和指導(dǎo)、評價學(xué)生的學(xué)習，幫助學(xué)生形象、直觀地理解所學(xué)專業(yè)知識[9]。同時，還建立了學(xué)習激勵機制，如定期對學(xué)生的學(xué)習情況組織各種形式的考核和評測，考核成績計入各相關(guān)專業(yè)課程的平時考核成績，每年通過比賽選拔學(xué)生參加國內(nèi)國際虛擬仿真大賽等。

4 虛擬仿真在實踐教學(xué)中的實施效果分析

4.1 更好地彌補了真實課程實驗的不足

虛擬仿真實驗教學(xué)遵循了“虛實結(jié)合、能實不虛、資源共享、持續(xù)發(fā)展”的原則和指導(dǎo)思想，注重虛擬仿真實驗的建設(shè)目的是完成實驗室實驗難以實現(xiàn)的實驗項目，充分做到了與真實課程實驗的良好互補，信息技術(shù)與學(xué)科專業(yè)的深度融合，不僅是理論教學(xué)的有益補充，更使實踐教學(xué)安排更科學(xué)合理，教學(xué)質(zhì)量得以很大程度地提高，用人單位反饋更好。

4.2 學(xué)生的專業(yè)學(xué)習能力得以提高

學(xué)生利用虛擬仿真平臺學(xué)習印刷專業(yè)理論及實踐知識，提高了自己的專業(yè)素養(yǎng)。部分專業(yè)知識扎實、計算機編程、軟件設(shè)計制作能力強的同學(xué)，更是在實驗中心老師的指導(dǎo)下參與虛擬仿真實驗教學(xué)平臺的建設(shè)和管理，掌握了更多的技能，拓寬了自己的就業(yè)途徑。

4.3 學(xué)生的專業(yè)學(xué)習更加積極主動

虛擬仿真印刷實驗教學(xué)安全無污染、無耗材消耗，交互性強，不受時間空間限制以及能遠程操作學(xué)習，學(xué)生可通過解決問題的方式來檢驗理論知識的綜合運用能力，吸引了大多數(shù)同學(xué)的學(xué)習興趣，調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習積極性，由以前的“被動式學(xué)習”變“主動式學(xué)習”。多次在各類虛擬仿真印刷技能競賽中取得好成績，這又進一步吸引和帶動了低一屆的學(xué)生主動參入到虛擬仿真實驗的學(xué)習中來，形成了良性循環(huán)。

5 總結(jié)

通過近幾年在學(xué)校教學(xué)中引入虛擬仿真實驗系統(tǒng)，搭建印刷媒體虛擬仿真實驗室，并帶領(lǐng)學(xué)生參與印刷模擬大賽等教學(xué)改進措施，使得該學(xué)科教學(xué)中較難理解和難以進行實踐操作的環(huán)節(jié)得到很大改善，將抽象、不可再現(xiàn)或難以實驗完成的現(xiàn)象及過程通過多維可視化、動態(tài)交互、遠程網(wǎng)絡(luò)、實時計算的方式展現(xiàn)給學(xué)生，學(xué)生的學(xué)習熱情及學(xué)習效果都得到了巨大提高，并增強了學(xué)生的創(chuàng)新思維。該教學(xué)手段的使用，必將為學(xué)校在培養(yǎng)理論聯(lián)系實際的能力及科學(xué)研究能力，為行業(yè)培養(yǎng)綜合性創(chuàng)新人才提供持續(xù)的動力。

[1] 李金麗，葉卉榮，劉鵬.淺談印刷專業(yè)校外實踐教育基地的建設(shè)與管理[J].教育教學(xué)論壇,2015,(46):10-11.

[2] 劉悅，唐萬有.淺析虛擬仿真技術(shù)在印刷教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國印刷,2011,(8):61-63.

[3] 張傳香，朱新連，張姍姍等.印刷工程專業(yè)教學(xué)中的綠色化學(xué)教育[J].教育教學(xué)論壇,2016,(6):53-55.

[4] 杜寶江，呂韋斌，林靈等. 基于虛擬樣機技術(shù)的印刷系統(tǒng)仿真研究[J].信息技術(shù),2015,(7):147-151.

[5] 柯長青，肖鵬峰，李滿春等.地球系統(tǒng)科學(xué)國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)[J].中國大學(xué)教學(xué),2016,(10):83-87.

[6] 侯珂珂.虛擬仿真在化學(xué)化工類專業(yè)實踐教學(xué)中的應(yīng)用探索與研究[J].安徽化工,2015,41(3):95-96.

[7] 于興艷，卞琛.基于全景技術(shù)的虛擬印刷實訓(xùn)室的實現(xiàn)[J].軟件工程師,2015,18(11):32-34.

[8] 陳挺，李蔚，朱新連等.印刷模擬系統(tǒng)在印刷工程專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用與實踐[J].中國印刷與包裝研究,2012,4(4):65-69.

[9] 王開宇，程春雨，金明錄等.遠程虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)[J].實驗技術(shù)與管理,2016,33(12):242-245.