印刷工程專業(yè)虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)的應(yīng)用與改革

楊永剛 劉江浩 王華明

（北京印刷學(xué)院 北京 102600）

近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和信息技術(shù)的快速發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)大規(guī)模進(jìn)入實(shí)驗(yàn)教學(xué)已是必然趨勢，并孕育出虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)，它將企業(yè)化的實(shí)體設(shè)備與虛擬教學(xué)環(huán)境有機(jī)結(jié)合，發(fā)揮各自的優(yōu)勢，從而有效地提升學(xué)生的理論知識(shí)和實(shí)踐技能。當(dāng)前，印刷產(chǎn)業(yè)正在經(jīng)歷一場以數(shù)字和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為核心的技術(shù)革命，產(chǎn)業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)正從物理媒體向數(shù)字媒體、模擬流程向數(shù)字流程的轉(zhuǎn)變。數(shù)字時(shí)代的現(xiàn)代印刷業(yè)已呈現(xiàn)出數(shù)字化、信息化和智能化的技術(shù)特征。采用虛擬仿真技術(shù)開發(fā)的模擬印刷系統(tǒng)，或者說虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，是借助于三維仿真技術(shù)模擬出來的真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，讓學(xué)生在虛擬的三維環(huán)境下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和實(shí)訓(xùn)練習(xí)，使用信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對用戶進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和實(shí)訓(xùn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，再通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)課程安排和實(shí)驗(yàn)效果的考察，結(jié)合學(xué)生的實(shí)踐實(shí)習(xí)，可以為學(xué)生在印刷專業(yè)實(shí)習(xí)中印刷機(jī)操作模塊提供一定的輔助作用。該仿真系統(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(tái)操控要點(diǎn)，印刷工藝參數(shù)的調(diào)節(jié)對印刷質(zhì)量的影響，實(shí)際印刷生產(chǎn)故障的分析與解決。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)以“虛”代“實(shí)”，能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)條件不具備或難以實(shí)踐操作的教學(xué)環(huán)節(jié)，能節(jié)省實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開設(shè)費(fèi)用，并具有互動(dòng)性、自主性、擴(kuò)展性及共享性等特點(diǎn)，是數(shù)字時(shí)代印刷工程教學(xué)的必然要求。

1 印刷工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)的現(xiàn)狀

印刷行業(yè)是一個(gè)專業(yè)性、實(shí)踐性、技能型要求高的領(lǐng)域，用人單位希望高校畢業(yè)生不僅具備扎實(shí)的理論基礎(chǔ)，更看重學(xué)生的工程實(shí)踐能力，因此，對于培養(yǎng)高層次應(yīng)用型人才為主的本科院校來說，實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)尤為重要，它促使學(xué)生把理論知識(shí)與實(shí)踐技能結(jié)合起來，解決實(shí)際問題，加快技術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)品開發(fā)。然而，由于受到高校發(fā)展定位、教學(xué)經(jīng)費(fèi)、實(shí)訓(xùn)場地等因素的影響，在實(shí)際實(shí)踐教學(xué)中仍存在諸多問題。

（1）開設(shè)印刷工程專業(yè)的高校缺少“雙師型”教師，其專業(yè)教師雖理論知識(shí)較豐富，但大多沒有企業(yè)一線工作經(jīng)驗(yàn)，工程實(shí)踐能力普遍不足，這使得培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)與實(shí)踐技能存在很大困難。

（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(shí)驗(yàn)設(shè)備需要投入大量的資金，硬件、維修場地的要求較高，高校難以持續(xù)提供相應(yīng)的實(shí)踐教學(xué)資金和場地支持；現(xiàn)有教學(xué)設(shè)備數(shù)量少，且型號陳舊、功能簡單，實(shí)踐教學(xué)環(huán)境與條件跟實(shí)際印刷相比，有較大差距，導(dǎo)致學(xué)校實(shí)踐教學(xué)與企業(yè)生產(chǎn)相脫節(jié)。

（3）實(shí)踐教學(xué)成本偏高，存在較大的安全隱患。雖然目前一些高校印刷工程專業(yè)配備了先進(jìn)的印刷及印后加工機(jī)械，但由于設(shè)備昂貴，臺(tái)套數(shù)不足，無法滿足學(xué)生實(shí)際動(dòng)手操作的需求，導(dǎo)致相關(guān)的實(shí)踐教學(xué)以教學(xué)演示為主；由于實(shí)驗(yàn)過程中油墨、版材、紙張以及其他耗材成本開銷較大，實(shí)踐教學(xué)成本偏高，部分實(shí)踐教學(xué)流于形式，學(xué)生得不到有效的訓(xùn)練；印刷設(shè)備的飛速運(yùn)轉(zhuǎn)不僅帶來學(xué)生的人身安全隱患，也客觀存在環(huán)境污染問題。

2 虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)的優(yōu)越性

（1）虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)利用虛擬仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信和人機(jī)交互等技術(shù)對印刷機(jī)實(shí)際產(chǎn)生和印刷故障進(jìn)行全方位的仿真模擬，學(xué)生能夠模擬扮演印刷機(jī)長的角色進(jìn)行技能訓(xùn)練，全身心地投入到實(shí)際“印刷”環(huán)境中去，學(xué)生的工程實(shí)踐技能必將得到提升。

（2）由于虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容可以隨時(shí)隨地根據(jù)印刷行業(yè)新技術(shù)、新業(yè)態(tài)、新模式和新產(chǎn)業(yè)的發(fā)展對印刷生產(chǎn)設(shè)備及場景進(jìn)行及時(shí)地更新，實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容跟實(shí)際印刷生產(chǎn)相一致，能在很大程度上彌補(bǔ)教學(xué)客觀條件存在的不足，為學(xué)生提供近似真實(shí)地實(shí)踐教學(xué)環(huán)境。學(xué)生在沒有進(jìn)入企業(yè)之前就可以在逼真的實(shí)訓(xùn)環(huán)境下操作和訓(xùn)練，其解決實(shí)際問題的能力將顯著提升。

（3）課堂內(nèi)外、線上線下，學(xué)生可隨時(shí)對虛擬仿真系統(tǒng)進(jìn)行操作，打破了實(shí)際上機(jī)教學(xué)的時(shí)間和時(shí)空限制，學(xué)生通過不斷試錯(cuò)的方式來掌握實(shí)際操作和設(shè)備故障分析解決能力，不必考慮實(shí)際錯(cuò)誤操作所帶來的教學(xué)成本和設(shè)備損耗成本，延伸了實(shí)踐教學(xué)的時(shí)間和空間，滿足每個(gè)學(xué)生對印刷生產(chǎn)不同層次和不同要求的實(shí)踐操作需求，進(jìn)而提升實(shí)踐教學(xué)的教學(xué)質(zhì)量和效果。

（4）在虛擬仿真教學(xué)環(huán)境中，通過計(jì)算機(jī)屏幕模擬代替?zhèn)鹘y(tǒng)的印刷設(shè)備，避免了學(xué)生直接參與印刷生產(chǎn)時(shí)因流程不熟悉或方法不得當(dāng)而造成的設(shè)備損壞、耗材浪費(fèi)等現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)可能出現(xiàn)的人身傷害等重大安全事故，提高了實(shí)踐教學(xué)的安全性。同時(shí)，老師可以根據(jù)學(xué)生在實(shí)際仿真模擬系統(tǒng)中出現(xiàn)的問題進(jìn)行及時(shí)查看，及時(shí)反饋學(xué)生最新的學(xué)習(xí)動(dòng)態(tài)，有利于實(shí)踐教學(xué)案例分析。

3 虛擬仿真教學(xué)在印刷工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用

印刷工程專業(yè)的虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)之一是選擇法國Sin-apse公司的SHOTS作為印刷模擬器(印刷模擬軟件)，該模擬軟件(系統(tǒng))功能非常強(qiáng)大，它全程模擬德國曼羅蘭(Man Roland 700)印刷機(jī)或最新的海德堡（Heidelberg）印刷機(jī)(六色印刷+上光，如圖1所示），通過軟件的形式對真實(shí)印刷機(jī)生產(chǎn)中的故障以及錯(cuò)誤進(jìn)行了模擬再現(xiàn)。該系統(tǒng)構(gòu)建了從輸紙、印刷、收紙等六色印刷和上光模擬等整個(gè)流程，其中包括了印版、橡皮布、油墨、潤版液、紙張等一系列模塊，可以實(shí)時(shí)觀測到各個(gè)模塊。通過該系統(tǒng)，操作者可以直觀的感受到印刷機(jī)，仿佛在操作真實(shí)的印刷機(jī)。該模擬系統(tǒng)的原理就是通過犯錯(cuò)來學(xué)習(xí)，只不過是在模擬系統(tǒng)而非印刷機(jī)上犯錯(cuò)，因此，其最大特點(diǎn)就是允許學(xué)員通過不斷試錯(cuò)來學(xué)習(xí)實(shí)際操作和故障分析與排除，通過軟件可以直觀感受印刷機(jī)的運(yùn)行和故障的處理方法。與實(shí)際印刷相比，SHOTS印刷模擬系統(tǒng)不會(huì)產(chǎn)生紙張、油墨的損耗以及印刷機(jī)的損耗與折舊。由于不需要實(shí)際上機(jī)而只需要在電腦上操作，因此受訓(xùn)操作人員的安全也得到了保證。

圖1：SHOTS印刷模擬軟件的印刷大廳

SHOTS印刷模擬軟件有三大亮點(diǎn)。其一，對于印刷技術(shù)的學(xué)習(xí)和提升，故障診斷無疑是一個(gè)很好的工具。在實(shí)際印刷中，工人師傅對故障的診斷一般都是根據(jù)自己的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)來的，但這些經(jīng)驗(yàn)的積累需要多年的機(jī)臺(tái)操作經(jīng)歷才能總結(jié)出來，并且個(gè)人的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)不可能很全面，而SHOTS印刷模擬系統(tǒng)給我們提供了一個(gè)捷徑，它集合了歐洲各國印刷專家的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，將600多種印刷故障產(chǎn)生的原因一一列舉出來，從這些原因中就可以輕松地找到解決方案并留下深刻的印象，以便受訓(xùn)人員在以后的實(shí)際印刷操作中即使沒有遇到類似故障也能輕松排除。其二，對印刷時(shí)間成本以及印刷費(fèi)用的模擬也是一個(gè)亮點(diǎn)，它類似于印刷ERP管理系統(tǒng)，操作人員可以通過這一模塊了解到自己在解決實(shí)際問題時(shí)所需要的時(shí)間和費(fèi)用。在模擬軟件中，紙張、油墨、印版、潤版液和橡皮布、膠輥等部件的更換等材料的消耗都有相應(yīng)的費(fèi)用。只要預(yù)先設(shè)計(jì)好單位數(shù)量損耗值，模擬軟件就會(huì)在使用者的操作過程中自動(dòng)計(jì)算好消耗的成本。同時(shí)，對應(yīng)于每一步的操作，SHOTS中都有其對應(yīng)的在實(shí)際操作中所消耗的時(shí)間。通過這一功能，操作者可以基本測試出自己在解決實(shí)際印刷故障時(shí)消耗的時(shí)間成本和費(fèi)用，從而對自身能力做出初步評估。更重要的是可以通過一系列操作找到一個(gè)最佳的操作方案，使印刷的實(shí)際效益達(dá)到最大化。其三，SHOTS印刷模擬系統(tǒng)還可以模擬實(shí)際印刷中的微小變化，類似這種某個(gè)參數(shù)的微小變動(dòng)都可能導(dǎo)致印刷品質(zhì)量出現(xiàn)較大差異，而SHOTS則可以模擬出參數(shù)變動(dòng)時(shí)的樣張變化情況。操作者可以很直觀地觀察到每一個(gè)參數(shù)對印刷過程的影響，從而對印刷工藝有一個(gè)更加深入的了解。

SHOTS培訓(xùn)中有標(biāo)準(zhǔn)模式和練習(xí)模式，系統(tǒng)包括了300多道實(shí)踐練習(xí)題，其中包括約200道GATF標(biāo)準(zhǔn)的膠印印刷工藝培訓(xùn)和考試題，另外還有各種其他標(biāo)準(zhǔn)的練習(xí)題。操作者可以通過習(xí)題對印刷工藝有一個(gè)實(shí)質(zhì)性的了解，并通過不斷的練習(xí)逐漸累積解決印刷故障的經(jīng)驗(yàn)。操作人員也可以通過Trainer模塊自己編輯習(xí)題，并進(jìn)行有針對性的考核。SHOTS印刷模擬系統(tǒng)的優(yōu)勢在于可針對受訓(xùn)者不同的專業(yè)程度，進(jìn)行分層次的難度設(shè)置，從而使所有受訓(xùn)者得到最適合自己的培訓(xùn)，真正做到“因材施教”。上機(jī)操作前先在SHOTS印刷模擬系統(tǒng)上充分練習(xí)，就可以大大縮短上機(jī)培訓(xùn)時(shí)間，節(jié)約培訓(xùn)成本。

部分高校的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心正在研發(fā)印刷虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理系統(tǒng)、印刷生產(chǎn)線虛擬仿真實(shí)驗(yàn)(如圖2)、全自動(dòng)無線膠訂聯(lián)動(dòng)線虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。印刷生產(chǎn)線虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目將陸續(xù)涵蓋平版膠印機(jī)、柔性版印刷機(jī)、凹版印刷機(jī)、全自動(dòng)無線膠訂機(jī)、全自動(dòng)騎馬訂機(jī)等操作的全工藝流程，主要為印刷工程、包裝工程等相關(guān)專業(yè)學(xué)生的“印刷專業(yè)實(shí)習(xí)”“印刷工藝實(shí)習(xí)”等實(shí)踐課程提供虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)工作。學(xué)生可以在進(jìn)入印刷工廠實(shí)習(xí)期間，使用電腦通過本地或網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)在虛擬仿真環(huán)境中如何操作印刷機(jī)、裝訂設(shè)備以及印后加工設(shè)備。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)具有學(xué)習(xí)和考核兩種不同的模式，學(xué)生通過多次學(xué)習(xí)后最終完成一個(gè)印刷任務(wù)的考核。為了更好地達(dá)到教學(xué)目標(biāo)，可以采用項(xiàng)目與任務(wù)的教學(xué)設(shè)計(jì)。每個(gè)項(xiàng)目分別進(jìn)行知識(shí)點(diǎn)講解、虛擬印刷操作練習(xí)和實(shí)體印刷實(shí)訓(xùn)操作練習(xí)的“循環(huán)式”循序漸進(jìn)的教學(xué)方式，使同學(xué)們在學(xué)習(xí)過程中將理論知識(shí)迅速貫穿到實(shí)踐中，從而又將虛擬印刷操作用于指導(dǎo)實(shí)體印刷設(shè)備的操作，使得知識(shí)點(diǎn)相互貫通，以提高學(xué)習(xí)興趣，改善教學(xué)效果。通過虛擬和實(shí)操相結(jié)合的學(xué)習(xí)方法，解決了大型實(shí)驗(yàn)中會(huì)出現(xiàn)的安全為題，成本問題以及設(shè)備臺(tái)套數(shù)少的問題，并解決了大型實(shí)驗(yàn)開展高速動(dòng)態(tài)過程不利于監(jiān)測和展示的弊端，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)全面提高了學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力。

圖2：膠印生產(chǎn)線虛擬仿真系統(tǒng)及操作界面

4 虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)的改革措施

4.1 建立教學(xué)引導(dǎo)—仿真模擬—實(shí)際操作閉環(huán)機(jī)制

每一個(gè)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的教學(xué)都離不開理論知識(shí)點(diǎn)的講解與指導(dǎo)，教師要根據(jù)印刷工程專業(yè)人才培養(yǎng)的目標(biāo)和要求，先通過印刷理論知識(shí)、印刷流程及印刷故障教學(xué)案例對學(xué)生進(jìn)行教學(xué)引導(dǎo)，讓其對印刷理論、設(shè)備操作規(guī)程及印刷故障有一種清晰地了解和認(rèn)知；然后通過虛擬仿真系統(tǒng)進(jìn)行仿真模擬操作，讓學(xué)生能夠熟練地掌握印刷設(shè)備操作規(guī)程和分析解決印刷故障；最后，通過實(shí)際的印刷設(shè)備操作驗(yàn)證，熟練操作印刷設(shè)備并能盡可能地解決實(shí)際印刷生產(chǎn)出現(xiàn)的各種印刷故障。

4.2 建立虛擬仿真教學(xué)案例資源庫

結(jié)合學(xué)生學(xué)習(xí)情況，建立滿足不同層次與需求、不同印刷質(zhì)量與關(guān)聯(lián)故障的虛擬仿真教學(xué)資源庫。根據(jù)教學(xué)內(nèi)容和實(shí)際印刷設(shè)備，可將虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容分為三大部分，其一是基礎(chǔ)部分，即印刷流程部分，主要講解與呈現(xiàn)常用印刷設(shè)備操作及各個(gè)部件之間的銜接情況，熟練掌握各個(gè)部件的性能及印刷參數(shù)，幫助學(xué)生鞏固理論知識(shí)；其二是印刷樣張檢驗(yàn)部分，主要講解與訓(xùn)練學(xué)生通過密度計(jì)、分光光度計(jì)、光澤度儀、白度儀、平滑度儀等儀器設(shè)備工作原理及檢測方法，鞏固學(xué)生在實(shí)際課程實(shí)驗(yàn)中對紙張及印品性能測試的掌握程度；其三是印刷故障分析與排除部分，主要講解與訓(xùn)練實(shí)際印刷過程中產(chǎn)生的不同印刷故障產(chǎn)生的原因及排除方法，如按照引起不同印刷質(zhì)量事故的原因分為工藝故障、材料故障和機(jī)械故障幾大類。

4.3 線上、線下相結(jié)合的教學(xué)模式

傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)多采用指導(dǎo)教師面對面的方式進(jìn)行上機(jī)操作，因?qū)W生多、設(shè)備數(shù)量少，且因安全教學(xué)的要求使得訓(xùn)練內(nèi)容不深入，導(dǎo)致學(xué)生對印刷機(jī)設(shè)備構(gòu)造與操作規(guī)范流程掌握不夠，對印刷故障的診斷與原因分析不到位。如果在線下，根據(jù)虛擬仿真系統(tǒng)制作虛擬仿真教學(xué)案例與多媒體課件，在理論課和實(shí)踐課時(shí)給學(xué)生進(jìn)行講解和分析。通過線上教學(xué)，學(xué)生可以通過相應(yīng)的學(xué)習(xí)平臺(tái)查看上課資料，并開展線上交流、討論和互動(dòng)答疑，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和自主性。

5 總結(jié)

本文將虛擬仿真教學(xué)引入到印刷工程專業(yè)應(yīng)用型人才培養(yǎng)的實(shí)踐教學(xué)中，把復(fù)雜抽象的或難以實(shí)驗(yàn)完成的印刷現(xiàn)象及過程、生產(chǎn)場景通過多維可視化、動(dòng)態(tài)交互的形式生動(dòng)形象地呈現(xiàn)在學(xué)生面前，學(xué)生通過不斷試錯(cuò)，反復(fù)參與印刷模擬訓(xùn)練，激發(fā)了其學(xué)習(xí)積極性與和自主性，增強(qiáng)了其創(chuàng)新思維，學(xué)習(xí)效果大大提高。該方式以學(xué)生為中心，重視學(xué)生的體驗(yàn)感與參與度，重視學(xué)生理論與實(shí)踐相結(jié)合能力的培養(yǎng)，能促進(jìn)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)，提升學(xué)生未來職場就業(yè)的競爭力。