虛擬仿真技術(shù)在輕化工程(染整)實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用

楊 卓，鄭亞雯，陳 英，王 煒，樊 吉

(東華大學(xué) 化學(xué)化工與生物工程學(xué)院，上海 201620)

一、 染整實(shí)踐教學(xué)現(xiàn)狀

紡織化學(xué)與染整工程是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科。我校(東華大學(xué))輕化工程專業(yè)(染整方向)的主要任務(wù)是為社會(huì)培養(yǎng)和輸送生產(chǎn)一線的工程師、研發(fā)人員以及染整相關(guān)行業(yè)的技術(shù)服務(wù)人員。這就要求我們培養(yǎng)的學(xué)生必須具備綜合運(yùn)用科學(xué)基礎(chǔ)理論與技術(shù)方法分析和解決復(fù)雜工程問題的能力，這也是“新工科”背景下國(guó)家對(duì)高等教育提出的要求[1]。

目前我國(guó)工程教育已經(jīng)由科學(xué)模式向工程模式轉(zhuǎn)型。工程模式倡導(dǎo)工程回歸，將工程科學(xué)技術(shù)與工程實(shí)踐融為一體，是一種具有實(shí)踐性、綜合性和創(chuàng)新性的工程實(shí)踐教育，培養(yǎng)學(xué)生具備完整的學(xué)科知識(shí)體系和工程實(shí)踐能力，使學(xué)生能夠有效應(yīng)對(duì)復(fù)雜的工程系統(tǒng)問題[2]。自2009年國(guó)家提出“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”以來，各高校都在積極探索卓越工程師培養(yǎng)模式以及實(shí)踐教學(xué)實(shí)施方案，如校內(nèi)實(shí)踐基地建設(shè)、校企合作實(shí)習(xí)基地開發(fā)、工程課程開設(shè)等[3-5]。目前工程實(shí)踐在教學(xué)中的融入已經(jīng)受到重視，但我們對(duì)畢業(yè)生跟蹤調(diào)查發(fā)現(xiàn)，畢業(yè)生普遍反映學(xué)校教學(xué)與生產(chǎn)實(shí)踐存在明顯的脫節(jié)現(xiàn)象，他們?cè)谄髽I(yè)需要較長(zhǎng)的學(xué)習(xí)期以熟悉實(shí)際生產(chǎn)過程，短時(shí)間無法體現(xiàn)大學(xué)生的價(jià)值。

染整實(shí)踐教學(xué)效果不理想主要在于以下原因：(1)實(shí)踐基地不能滿足學(xué)校的教學(xué)要求，學(xué)生在企業(yè)實(shí)習(xí)過程中無法動(dòng)手操作。對(duì)于大多數(shù)企業(yè)來說，由于工作任務(wù)重，競(jìng)爭(zhēng)壓力大，加上安全因素等，一般不愿意接納學(xué)生實(shí)習(xí)，即使接收了實(shí)習(xí)生，學(xué)生也只能在化驗(yàn)室從事一些輔助性工作，在生產(chǎn)一線僅能安排參觀等認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)，學(xué)生沒有參與和動(dòng)手的機(jī)會(huì)。學(xué)校組織實(shí)習(xí)的目的是讓學(xué)生了解真實(shí)的生產(chǎn)過程，由于染整大樣生產(chǎn)和小樣生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)在設(shè)備、工藝和質(zhì)量控制上有著很大的區(qū)別，僅以參觀代替實(shí)習(xí)使教學(xué)效果大打折扣。(2)校內(nèi)缺乏建設(shè)實(shí)踐教學(xué)基地的條件。首先是場(chǎng)地限制。染整生產(chǎn)設(shè)備種類多，占地面積大，即使是小樣設(shè)備，構(gòu)建一條全流程生產(chǎn)線也需要幾百平方米甚至上千平方米的用房。其次是安全隱患。染整設(shè)備多為高溫、高壓且具有一定運(yùn)轉(zhuǎn)速度，設(shè)備操作需要經(jīng)過嚴(yán)格培訓(xùn)，稍不注意就可能出現(xiàn)安全問題。(3)經(jīng)費(fèi)投入較大，而設(shè)備使用率較低，投入產(chǎn)出比低。這些因素制約了工程實(shí)踐教學(xué)的發(fā)展和學(xué)生工程能力的培養(yǎng)[6-7]。

二、 虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)建設(shè)的意義

2017年7月教育部發(fā)布了《2017—2020年示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)規(guī)劃》，要求開展示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)，拓展高等教育實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的深度和廣度，強(qiáng)化信息技術(shù)在實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)與創(chuàng)新能力，提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量與水平[8]。虛擬仿真技術(shù)可生成一個(gè)三維可視化虛擬環(huán)境，借助人機(jī)交互設(shè)備和位置跟蹤設(shè)備把人的控制信息和現(xiàn)實(shí)中的相關(guān)空間信息傳遞到虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境，從而把人、現(xiàn)實(shí)世界和虛擬空間結(jié)合起來，融為一體[9]。近年來，虛擬仿真技術(shù)在醫(yī)療、場(chǎng)景展覽、航天軍事、新能源、消防演習(xí)等領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用。利用虛擬仿真系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)各類工藝仿真，對(duì)生產(chǎn)工藝過程中參數(shù)的改變進(jìn)行推演并實(shí)景展示，具有很好的培訓(xùn)效果[10]。虛擬仿真技術(shù)可為實(shí)踐教學(xué)帶來全新的解決方案。利用虛擬仿真技術(shù)模擬工廠的實(shí)際生產(chǎn)情況，學(xué)生能夠獲得與真實(shí)場(chǎng)景相同的體驗(yàn)，并可通過鼠標(biāo)、鍵盤、VR等設(shè)備對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行操作，同時(shí)通過三維建模了解設(shè)備的內(nèi)部構(gòu)造，而這些都是在工廠實(shí)踐中無法做到的。

虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用可改變?nèi)菊麑?shí)驗(yàn)教學(xué)和生產(chǎn)實(shí)際不匹配的現(xiàn)狀，突破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)時(shí)間和空間的限制。在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，逼真的畫面和實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)反饋?zhàn)寣W(xué)生有操作實(shí)體設(shè)備的感覺，并觀察到相似的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，從而達(dá)到類似實(shí)體實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果。這一技術(shù)能很好地解決實(shí)踐教學(xué)中學(xué)生不能動(dòng)手的問題，有助于培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐和技術(shù)創(chuàng)新能力。

三、繩狀染色虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用

紡織品染色是染整加工的重要工序，由于繩狀加工設(shè)備占地面積大且染色用時(shí)長(zhǎng)，一次染色用時(shí)至少6小時(shí)，難以開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)。學(xué)生主要通過企業(yè)實(shí)習(xí)和課堂教學(xué)學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)。但由于設(shè)備密閉不透明，課堂教學(xué)采用平面設(shè)備圖，內(nèi)容抽象，難以直觀展示染色原理，學(xué)生學(xué)習(xí)難度大。而工廠實(shí)踐學(xué)生也只能觀看，不能參與實(shí)際生產(chǎn)，教學(xué)效果不理想。我校利用虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建三維設(shè)備模型，形象展示染色過程中設(shè)備內(nèi)部的運(yùn)行情況。學(xué)生通過虛擬設(shè)備的操作演練，掌握生產(chǎn)過程中工藝控制的相關(guān)知識(shí)，培養(yǎng)解決實(shí)際工程問題的能力。

1. 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

繩狀染色虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)針對(duì)教學(xué)中的難點(diǎn)以及實(shí)踐教學(xué)的短板開展。教學(xué)目的：(1)掌握繩狀染色原理，了解實(shí)際生產(chǎn)與實(shí)驗(yàn)室小試加工之間的區(qū)別；(2)掌握噴射溢流染色機(jī)和氣流染色機(jī)兩種典型繩狀染色加工設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并能對(duì)運(yùn)行過程中的故障進(jìn)行及時(shí)處理；(3)掌握不同紡織品的繩狀染色條件及過程參數(shù)控制，并能根據(jù)設(shè)備特點(diǎn)獨(dú)立設(shè)計(jì)染色工藝流程；(4)了解印染廠設(shè)計(jì)的相關(guān)知識(shí)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)包括三個(gè)模塊，分別是車間導(dǎo)覽、設(shè)備認(rèn)知、生產(chǎn)仿真。實(shí)驗(yàn)構(gòu)架如表1所示。

表1 繩狀染色虛擬仿真實(shí)驗(yàn)構(gòu)架

(1) 車間導(dǎo)覽模塊。從宏觀的角度構(gòu)建一個(gè)與現(xiàn)實(shí)工廠相同的虛擬三維染色車間和自動(dòng)化料輸送車間。學(xué)生進(jìn)入車間導(dǎo)覽模塊，通過鍵盤走至車間的任意位置，用鼠標(biāo)進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn)，通過俯視、仰視等不同角度，觀察設(shè)備排布、廠房結(jié)構(gòu)、屋頂排氣設(shè)計(jì)、排水管道設(shè)計(jì)、進(jìn)水管道排布以及自動(dòng)化料、送料過程，并與工廠設(shè)計(jì)課程的相關(guān)內(nèi)容相互印證，深化對(duì)印染廠設(shè)計(jì)以及工廠自動(dòng)化的理解。

(2)設(shè)備認(rèn)知模塊。包含噴射溢流染色機(jī)和氣流染色機(jī)兩臺(tái)典型的繩狀染色設(shè)備。該模塊由設(shè)備原理演示、設(shè)備拆裝及設(shè)備故障處理三個(gè)學(xué)習(xí)內(nèi)容組成，旨在使學(xué)生通過深入了解設(shè)備構(gòu)造掌握繩狀染色原理。染色原理是教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，在傳統(tǒng)的教學(xué)中大多采用平面圖進(jìn)行原理講解，過于抽象，缺乏空間感，在虛擬教學(xué)系統(tǒng)中，通過設(shè)備的三維展示及自由拆裝過程，學(xué)生可形象直觀地了解設(shè)備構(gòu)造及其工作原理，降低了學(xué)習(xí)難度。①設(shè)備拆裝(圖1a)，按一定順序?qū)υO(shè)備進(jìn)行拆卸和組裝，達(dá)到對(duì)設(shè)備組成及結(jié)構(gòu)認(rèn)知的目的。②設(shè)備原理演示(圖1b)，利用半透視頻動(dòng)畫，輔以音頻講解，使學(xué)生能夠清晰地看到染色過程中設(shè)備內(nèi)部的變化以及氣流霧化、染液噴射的動(dòng)畫效果。在觀看視頻的過程中，可同時(shí)對(duì)設(shè)備進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn)及放大縮小操作，方便對(duì)細(xì)節(jié)的觀察。③故障處理，演示設(shè)備常見的故障及產(chǎn)生原因，并根據(jù)提示解除故障，恢復(fù)正常生產(chǎn)。該模塊的學(xué)習(xí)主要為后續(xù)進(jìn)行染色工藝設(shè)計(jì)及控制打下扎實(shí)的理論基礎(chǔ)。

(a) 虛擬拆裝

(3) 生產(chǎn)仿真模塊。學(xué)生在設(shè)備認(rèn)知的基礎(chǔ)上，運(yùn)用以往學(xué)習(xí)的知識(shí)完成黏膠織物的染色程序設(shè)計(jì)，并在軟件上進(jìn)行染色實(shí)驗(yàn)，在學(xué)生熟練后進(jìn)行滌綸織物染色實(shí)驗(yàn)考核。該模塊是對(duì)學(xué)生所學(xué)知識(shí)的考核，也是虛擬實(shí)驗(yàn)的核心部分。為了使工藝設(shè)計(jì)能與實(shí)際生產(chǎn)相匹配，學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)后，系統(tǒng)首先給出工藝單，學(xué)生需要根據(jù)工藝單的要求進(jìn)行染色流程設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)步驟和參數(shù)完全參照實(shí)際生產(chǎn)過程。設(shè)計(jì)完成后，在操作過程中，設(shè)備為半透展示，每一步操作都會(huì)對(duì)應(yīng)相應(yīng)的運(yùn)行動(dòng)畫，幫助學(xué)生了解生產(chǎn)過程(圖2)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后系統(tǒng)給出實(shí)驗(yàn)分?jǐn)?shù)。

2. 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的實(shí)施

在教學(xué)中，我們采用虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)模式，以虛促實(shí)，化虛為實(shí)。實(shí)施過程包含教、學(xué)、考、習(xí)四個(gè)環(huán)節(jié)。

(1) “教”即集中教學(xué)。通過3D互動(dòng)課件，針對(duì)重點(diǎn)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)充和擴(kuò)展。這部分教學(xué)主要利用車間導(dǎo)覽和設(shè)備認(rèn)知模塊，講解工廠設(shè)計(jì)布局及染色原理，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)室小樣機(jī)進(jìn)行實(shí)物現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)；針對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)操作部分，講解操作要點(diǎn)及影響因素等。通過集中教學(xué)，使學(xué)生明確實(shí)驗(yàn)的目的和任務(wù)，掌握課程的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

(2) “學(xué)”即自主學(xué)習(xí)。學(xué)生根據(jù)自身情況，在虛擬仿真平臺(tái)上自主安排學(xué)習(xí)時(shí)間，消化集中教學(xué)內(nèi)容。通過虛擬系統(tǒng)與以往學(xué)習(xí)的相關(guān)理論知識(shí)相互印證，加深對(duì)理論知識(shí)的理解，并在仿真操作模塊通過反復(fù)演練，熟悉繩狀染色操作流程，掌握染色工藝流程設(shè)計(jì)和質(zhì)量控制的相關(guān)知識(shí)。

(3) “考”即仿真實(shí)驗(yàn)考核。根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，學(xué)生獨(dú)立設(shè)計(jì)操作流程并予以實(shí)施，軟件將根據(jù)流程和參數(shù)設(shè)置的準(zhǔn)確性自動(dòng)計(jì)分。在實(shí)驗(yàn)完畢且考核合格后，學(xué)生按要求撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告并提交。

圖2 生產(chǎn)仿真模塊操作界面

(4) “習(xí)”即生產(chǎn)實(shí)習(xí)。通過上述虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程，促進(jìn)學(xué)生對(duì)實(shí)際知識(shí)的學(xué)習(xí)和掌握，有助于學(xué)生了解實(shí)際生產(chǎn)過程。但虛擬教學(xué)所涉及的產(chǎn)品及生產(chǎn)工藝較單一，為了使學(xué)生更好地將所學(xué)知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐，在后續(xù)企業(yè)生產(chǎn)實(shí)習(xí)中，學(xué)生雖然不能動(dòng)手，但要求他們?cè)谝呀?jīng)掌握基本操作和原理的基礎(chǔ)上，獨(dú)立設(shè)計(jì)不同產(chǎn)品的生產(chǎn)流程并與實(shí)際生產(chǎn)流程進(jìn)行對(duì)比分析，從而完善自身知識(shí)結(jié)構(gòu)，化虛為實(shí)。

通過上述教、學(xué)、考、習(xí)四個(gè)環(huán)節(jié)，充分利用學(xué)校教學(xué)資源，合理利用企業(yè)資源，虛實(shí)結(jié)合，化虛為實(shí)，培養(yǎng)學(xué)生解決工程問題的能力。

3. 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問題

目前染整類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的主要問題是靈活度不夠[11-12]，實(shí)驗(yàn)過程中操作流程是固定的，一旦實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)錯(cuò)誤，系統(tǒng)會(huì)報(bào)錯(cuò)，學(xué)生需重新找到正確的操作步驟，繼續(xù)進(jìn)行，不能像在真實(shí)生產(chǎn)中，設(shè)備可以按照任意設(shè)計(jì)流程運(yùn)行。但若提高實(shí)驗(yàn)過程的自由度，不僅增加設(shè)計(jì)成本，而且還需要考慮不同程序組合造成的錯(cuò)誤結(jié)果，這將導(dǎo)致程序設(shè)計(jì)復(fù)雜。因此如何使實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)更加靈活，是今后需要研究的課題。

四、 結(jié)語

虛擬仿真技術(shù)給輕化工程專業(yè)(染整方向)的實(shí)踐教學(xué)帶來了全新的解決方案，切實(shí)改變了以往走馬觀花式的實(shí)習(xí)模式。在現(xiàn)有建設(shè)的基礎(chǔ)上，我們將繼續(xù)完善前處理、印花、后整理等工藝流程，建立染整全景工廠虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)，形成一套完整的染整虛擬仿真實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)教學(xué)體系。需要注意的是，虛擬仿真系統(tǒng)的建設(shè)費(fèi)用較高，如果能聯(lián)合相關(guān)設(shè)備企業(yè)，降低設(shè)備3D模型的構(gòu)建費(fèi)用，將有利于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展。另外，目前虛擬仿真教學(xué)還停留在單機(jī)軟件的水平，不能與實(shí)際生產(chǎn)聯(lián)動(dòng)。而虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)更具魅力的地方是可以通過位置跟蹤和數(shù)據(jù)讀取，把人、現(xiàn)實(shí)世界和虛擬空間結(jié)合起來，這樣將可實(shí)現(xiàn)真正把現(xiàn)實(shí)工廠搬到教學(xué)中，但這一功能的實(shí)現(xiàn)需要印染企業(yè)的參與，以及學(xué)校、印染企業(yè)和軟件制作公司三方的通力合作。