虛擬實驗在“機織學”實踐教學中的應(yīng)用

龍嘯云，曹海建，孫啟龍，葉 偉，馬 巖

（南通大學 紡織服裝學院，江蘇 南通 226019）

在我國，紡織產(chǎn)業(yè)是四大傳統(tǒng)支柱產(chǎn)業(yè)之一，對于國民經(jīng)濟有著舉足輕重的作用[1]。近年來，隨著科技的迅猛發(fā)展，紡織新技術(shù)、新產(chǎn)品層出不窮，國內(nèi)紡織行業(yè)面臨著巨大的變革和挑戰(zhàn)。特別是高性能纖維、產(chǎn)業(yè)用紡織品行業(yè)[2]的快速發(fā)展，紡織產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為我國新興領(lǐng)域中不可或缺的一部分。在此背景下，高等院校作為紡織行業(yè)人才培養(yǎng)和輸送的基地，肩負著為行業(yè)培養(yǎng)適應(yīng)紡織科技發(fā)展人才隊伍的任務(wù)和使命。然而，紡織工程專業(yè)課程多、課時緊、教學任務(wù)重，老師為了完成教學任務(wù)往往只能蜻蜓點水式地講授書本上的知識，在這樣的情況下，很多教學內(nèi)容講不透、講不深，學生也是聽得云里霧里、一知半解?！皺C織學”[3]作為紡織工程中一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，它的任務(wù)是讓學生具有全流程的機織工藝理論知識和一定的操作實踐能力，使學生在走上工作崗位后能夠勝任車間管理、產(chǎn)品開發(fā)等工作。但是，“機織學”涉及的工藝流程長、機械原理復(fù)雜、知識點繁多，老師想要在有限的課時內(nèi)講明白不容易，學生想學明白也不容易，特別是“機織學”的相關(guān)設(shè)備原理結(jié)構(gòu)復(fù)雜，操作困難。同時，由于教學場地和課時的限制，學生經(jīng)過僅有的幾節(jié)實踐課很難較為熟練地掌握其中的知識點，這不利于高質(zhì)量地教學。針對這一問題，本研究提出采用構(gòu)建“機織學”虛擬實驗室來彌補傳統(tǒng)紡織教學中的不足，為提高“機織學”的教學質(zhì)量提供了一種新的方案。

1 虛擬實驗的特點

網(wǎng)上虛擬實驗室[4]以現(xiàn)代教育思想為依據(jù)，以現(xiàn)代教育技術(shù)手段為支撐，以計算機實時仿真為核心，在教學實踐中表現(xiàn)出以下幾個特點[5-7]。

1.1 開放性

區(qū)別于傳統(tǒng)的教學方法，虛擬實驗室構(gòu)建于網(wǎng)絡(luò)，不受場地限制，具有顯著的開放性。學生可以不受地域限制，只要具備基本的網(wǎng)絡(luò)操作技能即可在網(wǎng)絡(luò)上進行學習。同時，相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)教學資源還可以分享在公共服務(wù)平臺上，讓更多學校的學生共同學習，也可以促進同行院校老師之間的交流。

1.2 可重復(fù)性

在傳統(tǒng)的教學中，課時有限、學生多，老師在講課的過程中為了完成預(yù)期的教學任務(wù)很難面面俱到，這就導致有的學生沒聽明白，對于實驗設(shè)備和方法理解不夠深入。而虛擬實驗教學可以在很大程度上解決這一問題，學生學習不受時間限制，可以根據(jù)自己的需要重復(fù)觀看和學習，對于難度大的地方反復(fù)學習。以增強學習效果。

1.3 自主性

在虛擬實驗教學中，完全依靠學生自主學習，老師只能通過考核、現(xiàn)場操作等方法來評判學生的學習效果，這就需要學生具有較好的自主學習能力和主觀能動性，配合教學的完成，否則很可能適得其反。

2 “機織學”虛擬實驗構(gòu)建技術(shù)路線

首先，采用建模軟件UG構(gòu)建機織工序中的主要設(shè)備，如自動絡(luò)筒機、整經(jīng)機、漿紗機、織機等的虛擬模型。其次，實現(xiàn)動態(tài)虛擬網(wǎng)絡(luò)平臺構(gòu)建?；谇捌诮⒌哪Ｐ?，輸入虛擬現(xiàn)實建模語言VRML和Javascript，建立動態(tài)的虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，VR），促進網(wǎng)絡(luò)平臺關(guān)聯(lián)和互動的實現(xiàn)。再次，對建立的虛擬模型進行整合，設(shè)計與優(yōu)化虛擬實驗體系。最后，完成網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計及試運行。采用集成技術(shù)，建立相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)平臺，并對平臺進行試運行。針對試運行中出現(xiàn)的問題，對前期工作進行反饋，進而對網(wǎng)絡(luò)平臺進行優(yōu)化，技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 技術(shù)路線

3 支撐理論

3.1 “經(jīng)驗之塔”理論

戴爾將人的經(jīng)驗分成了3大類：直接的經(jīng)驗（做的經(jīng)驗）、間接的經(jīng)驗（觀察的經(jīng)驗）和抽象的經(jīng)驗（符號的經(jīng)驗）。其中，直接的經(jīng)驗位于經(jīng)驗之塔的底層，表示直接的經(jīng)驗是上面兩大類經(jīng)驗的基礎(chǔ)，人的學習過程總是從最底層做的經(jīng)驗開始，然后不斷上升到最頂層抽象的經(jīng)驗?！敖?jīng)驗之塔”理論為虛擬機織實驗系統(tǒng)的開發(fā)提供了理論指導，學生操作機織設(shè)備的過程是學生獲得直接經(jīng)驗的過程，從直接經(jīng)驗入手來學習機織設(shè)備的操作，這樣的學習更容易被學生掌握[8]。

3.2 混合學習論

混合式學習就是要把傳統(tǒng)學習方式的優(yōu)勢和網(wǎng)絡(luò)化學習的優(yōu)勢結(jié)合起來，也就是說，既要發(fā)揮教師引導、啟發(fā)、監(jiān)控教學過程的主導作用，又要充分體現(xiàn)學生作為學習過程主體的主動性、積極性與創(chuàng)造性。將虛擬機織實驗系統(tǒng)應(yīng)用于實踐教學當中，將先進的資源與機織課程相結(jié)合，本身就是一種混合，即混合學習[9]。

4 教學實例

以“機織學”中的縷紗測長實驗為例，進行虛擬實驗輔助教學和常規(guī)教學對比。縷紗測長是“機織學”中的必修環(huán)節(jié)，要求學生了解縷紗測長儀的工作原理和操作方法，并且能夠熟練操作設(shè)備。本實驗所使用的縷紗測長虛擬實驗由UG軟件重建單紗強力測試設(shè)備和測試場景，采用Adobe Flash再現(xiàn)了測試操作過程。本研究隨機選取紡織工程專業(yè)2017級學生40人，分為2組，一組為常規(guī)教學組，另一組為虛擬實驗輔助教學組。教學過程及教學效果如表1所示。

表1 常規(guī)實驗教學與虛擬實驗輔助教學過程及教學效果

從表1中可以看出，相較于常規(guī)實驗教學，虛擬輔助實驗教學的效率更高，教學質(zhì)量更好，通過虛擬實驗室的自主學習，完成一組實驗所需的時間明顯縮短。同時，虛擬輔助實驗教學法可節(jié)約場地，解決了高校教學場地不足的難題。

5 結(jié)語

將虛擬實驗手段應(yīng)用于“機織學”教學，是一種可以解決現(xiàn)階段高校教學場地不足、經(jīng)費困難以及課時有限等問題的有效手段，值得推廣和應(yīng)用。但是作為一種輔助教學方法，虛擬實驗手段也存在自身的不足，比如模擬失真、需要學生有較強的自學能力等，因此，在實際教學當中，還是需要將現(xiàn)場教學和虛擬教學相結(jié)合，以達到最好的教學效果。