紡紗虛擬仿真實驗室的建設(shè)與應(yīng)用

周 琪，譚冬宜，何 斌，王 坤

(湖南工程學院 紡織服裝學院，湖南 湘潭 411101)

虛擬仿真實驗教學是國家信息化教育戰(zhàn)略的重要內(nèi)容[1-2]，而加速信息化教學建設(shè)是高校“十三五”規(guī)劃的重要建設(shè)內(nèi)容之一[3]。“紡紗學”是紡織工程專業(yè)本科教育的必修專業(yè)基礎(chǔ)課程之一，對提高學生專業(yè)素養(yǎng)，培養(yǎng)學生實踐動手能力非常重要。目前，“紡紗學”課程教學存在實驗設(shè)備缺乏，工廠設(shè)備高速運轉(zhuǎn)而導致學生實踐參與度低，實際操作不可逆等問題。我校(湖南工程學院)紡織服裝學院紡紗虛擬仿真實驗室的建設(shè)，旨在從教學思路、教學過程、教學方法等方面突破傳統(tǒng)的教學模式，培養(yǎng)學生的動手能力和創(chuàng)新能力。

一、 紡紗虛擬仿真實驗室的建設(shè)

紡紗虛擬仿真實驗室能將紡紗過程實時、細致、全面地呈現(xiàn)在學生面前。紡紗虛擬仿真實驗室建設(shè)包括紡紗設(shè)備建設(shè)和紡紗流程建設(shè)兩部分。

1. 紡紗虛擬仿真實驗設(shè)備建設(shè)

紡紗設(shè)備是“紡紗學”課程教學的重點內(nèi)容，是學生掌握和運用紡紗技術(shù)的基礎(chǔ)。通過三維動畫和實時錄像將復雜、高速、抽象的紡紗設(shè)備簡單化、低速化、具象化。紡紗虛擬仿真設(shè)備建設(shè)包括對紡紗每一環(huán)節(jié)中涉及設(shè)備的虛擬仿真化，紡紗虛擬仿真設(shè)備展示過程的建設(shè)需要完成紡紗設(shè)備匯總、設(shè)備材料收集與制作以及設(shè)備展示制作。

(1) 紡紗設(shè)備匯總。按照“紡紗學”課程教學內(nèi)容以及紡紗過程的順序，紡紗虛擬仿真實驗的設(shè)備展示包括抓棉機、混棉機、開棉機、梳棉機、精梳機、并條機、粗紗機和細紗機。在對紡紗設(shè)備匯總時，考慮到設(shè)備和工藝的發(fā)展，對于同一設(shè)備的不同型號需在紡紗設(shè)備發(fā)展過程中加以說明，以保證整個紡紗設(shè)備的系統(tǒng)性。

(2) 設(shè)備材料收集與制作。在確定上述紡紗虛擬仿真實驗室中所需展示的設(shè)備后，收集各個設(shè)備工作狀態(tài)下的三維動畫圖、實時錄像以及其他相關(guān)圖片、動畫、視頻等設(shè)備展示材料，為后續(xù)設(shè)備展示制作提供基本素材，并完成后期的制作，便于植入設(shè)備展示平臺。

(3) 設(shè)備展示制作。將收集和制作的虛擬材料搭配硬件構(gòu)成紡紗虛擬仿真實驗室的設(shè)備展示平臺，將紡紗過程中的所有設(shè)備鑲嵌于同一模塊中，建立虛擬工廠。

2. 紡紗虛擬仿真實驗流程建設(shè)

在完成了紡紗虛擬仿真設(shè)備的建設(shè)后，紡紗虛擬仿真實驗流程的建設(shè)將串聯(lián)所有紡紗設(shè)備，還原真實的紡紗車間，可以實現(xiàn)對整個車間的漫游瀏覽；同時還可以根據(jù)具體要求設(shè)置生產(chǎn)任務(wù)進行實時的工廠模擬，對生產(chǎn)流程進行交互性操作。紡紗虛擬仿真實驗流程建設(shè)包括紡紗工藝流程系統(tǒng)和紡紗車間虛擬環(huán)境的構(gòu)建。

(1) 紡紗工藝流程系統(tǒng)的構(gòu)建。在紡紗過程中，根據(jù)原料特點和對最終產(chǎn)品的要求，可以設(shè)計不同的紡紗工藝。在紡紗虛擬仿真實驗流程的建設(shè)中，除了要建立基本的普梳系統(tǒng)、精梳系統(tǒng)及廢紡系統(tǒng)用于“紡紗學”課程理論教學外，還需搭建工藝流程選擇和設(shè)計平臺，可靈活選擇工藝環(huán)節(jié)中的設(shè)備種類及數(shù)量，為學生開展工藝設(shè)計提供窗口。

(2) 紡紗車間虛擬環(huán)境的構(gòu)建。在完成工藝系統(tǒng)的構(gòu)建后，為進一步提升整個虛擬仿真紡紗車間的真實感，使學生直觀地感知工廠紡紗車間的設(shè)備配置，需按工藝流程系統(tǒng)的實際情況，將設(shè)備在紡紗車間的管道連接、位置分布等在虛擬環(huán)境中表示出來，使得整個紡紗車間完整地展現(xiàn)于紡紗虛擬仿真實驗室，如圖1所示。

圖1 虛擬仿真實驗室的紡紗車間

二、 紡紗虛擬仿真實驗室在“紡紗學”課程教學中的應(yīng)用

1. 在理論教學中的應(yīng)用

在“紡紗學”課程理論教學中，紡紗工藝和原理是教學的核心，教學時可以展示設(shè)備結(jié)構(gòu)細節(jié)以便直觀地介紹工藝與質(zhì)量把控。

(1) 在紡紗工藝教學中的應(yīng)用。在以往的紡紗工藝教學中多以教師講授、學生參觀為主，缺乏學生動手參與過程，對于抽象的工藝過程、產(chǎn)品質(zhì)量指標，學生難以理解和掌握。在紡紗虛擬仿真實驗室中完成工藝設(shè)計，學生可以實時地看到工藝參數(shù)設(shè)定與產(chǎn)品質(zhì)量之間的關(guān)系，更加深入地掌握紡紗工藝，提升學生對紡紗過程中紗線品質(zhì)的把控能力。同時，在虛擬仿真工藝設(shè)計中，實時工藝調(diào)整環(huán)節(jié)能激發(fā)學生對紗線設(shè)計的創(chuàng)新潛能。學生置身于虛擬仿真實驗室中，提高了參與度，激發(fā)了主觀能動性。

(2) 在紡紗原理教學中的應(yīng)用。在紡紗虛擬仿真實驗室，利用相關(guān)的文字、圖片、動畫、視頻等材料，可清晰地表達原理涉及的結(jié)構(gòu)和相互關(guān)系，直觀而準確地展示抽象、枯燥的原理。如圖2所示為紡紗虛擬仿真實驗室展示的抓棉小車間歇下降距離與棉塊重量關(guān)系的原理。

圖2 抓棉小車間歇下降距離與棉塊重量關(guān)系的原理

將紡紗虛擬仿真實驗室用于課堂教學，以生動而有效的方式展示紡紗原理，調(diào)動了學生的學習積極性，改變了過去專業(yè)課程教學沉悶、無趣的課堂氛圍。

2. 在實踐教學中的應(yīng)用

傳統(tǒng)的紡紗實踐教學一般在工廠進行，主要以教師或車間技術(shù)人員講授為主，學生在工廠大多走馬觀花，在實踐過程中參與度不高。有了紡紗虛擬仿真實驗室，學生可在線上模擬完成對紡紗設(shè)備的拆卸和裝配，讓學生詳細地學習紡紗設(shè)備的各個結(jié)構(gòu)，了解構(gòu)件的安裝位置以及各構(gòu)件之間的相互關(guān)系，使他們掌握各種紡紗設(shè)備，克服了在工廠實驗操作時因設(shè)備高速運轉(zhuǎn)而無法深入實踐的缺陷。

三、 結(jié)語

我校紡紗虛擬仿真實驗室的建設(shè)包括紡紗實驗設(shè)備建設(shè)和實驗流程建設(shè)兩部分， 將紡紗

車間從工廠移到了虛擬實驗室，縮短了理論與實踐之間的距離。教學實踐表明，紡紗虛擬仿真實驗室在“紡紗學”課程教學中發(fā)揮了重要作用，學生可以深入地了解設(shè)備結(jié)構(gòu)，實時地了解工藝參數(shù)設(shè)定與產(chǎn)品質(zhì)量之間的關(guān)系，直觀地掌握紡紗工藝與原理。紡紗虛擬仿真實驗室的應(yīng)用，使學生在課堂上的拆機、裝機成為可能，提高了學生的學習積極性，加深了學生對紡紗知識的理解，調(diào)動了學生的主觀能動性，激發(fā)了學生的創(chuàng)造性。