基于仿真軟件的紡織工程類課程虛擬資源建設(shè)及教學(xué)實(shí)踐

李新榮， 王建坤， 王 浩， 李玉卓

(天津工業(yè)大學(xué) a.機(jī)械工程學(xué)院； b.紡織科學(xué)與工程學(xué)院， 天津 300387)

現(xiàn)代信息技術(shù)與教育教學(xué)的深度融合引發(fā)了課程建設(shè)與課堂教學(xué)的重大變革，打破了傳統(tǒng)的教學(xué)模式與學(xué)習(xí)方式。工程類學(xué)科的特點(diǎn)是工程性、實(shí)踐性、應(yīng)用性強(qiáng)。紡織工程類專業(yè)的核心課程同樣具有很強(qiáng)的實(shí)踐性，如“紡紗工藝及設(shè)備”課程，學(xué)生首先要對(duì)紡紗工藝流程和設(shè)備有清晰的認(rèn)知，才能更好地理解工藝?yán)碚撝R(shí)，進(jìn)而掌握紡紗工藝及設(shè)備機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求，達(dá)到課程的教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)效果[1-3]。然而，(1)由于紡織生產(chǎn)流程長(zhǎng)，工序設(shè)備多，某些設(shè)備占地面積大，實(shí)驗(yàn)室無(wú)法安裝，普遍存在實(shí)驗(yàn)室設(shè)備臺(tái)套殘缺不全的問(wèn)題[4]；(2)紡紗設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，生產(chǎn)中大多是封閉狀態(tài)，不易呈現(xiàn)，采用傳統(tǒng)的教學(xué)方式很難使學(xué)生理解并掌握；(3)高校生源不斷擴(kuò)大，教學(xué)資源相對(duì)不足；(4)校外實(shí)習(xí)基地受人數(shù)、企業(yè)生產(chǎn)調(diào)度、實(shí)際生產(chǎn)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)速度快、危險(xiǎn)系數(shù)高、機(jī)物料消耗大等實(shí)際情況制約，企業(yè)很難給學(xué)生提供較大的自主設(shè)計(jì)機(jī)會(huì)，使學(xué)生難以得到全流程設(shè)備機(jī)構(gòu)與工藝設(shè)計(jì)的實(shí)踐。

為此，課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)本著產(chǎn)學(xué)研用的教學(xué)理念，通過(guò)與企業(yè)合作，引進(jìn)HyperWorks、Inspire等虛擬仿真軟件，并由任課教師與學(xué)生一起組成團(tuán)隊(duì)，以“紡紗工藝及設(shè)備”課程為例，對(duì)軟件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，彌補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)室紡紗設(shè)備臺(tái)套不全、內(nèi)部結(jié)構(gòu)不易呈現(xiàn)、不可視等缺陷，解決了教學(xué)資源不足的問(wèn)題，完善了課程內(nèi)容體系，建成了虛實(shí)結(jié)合、以虛輔實(shí)的信息化教學(xué)平臺(tái)，同時(shí)改革課程教學(xué)模式和考核方式，實(shí)現(xiàn)了信息技術(shù)與課程教學(xué)的深度融合，有效促進(jìn)了教學(xué)，提高了教與學(xué)的效率及效果。

一、基于仿真軟件的紡織工程類課程虛擬資源建設(shè)

1.完善課程內(nèi)容體系

依據(jù)紡織工程類專業(yè)人才培養(yǎng)方案和“紡紗工藝及設(shè)備”課程教學(xué)目標(biāo)，課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)通過(guò)認(rèn)真研討，梳理了傳統(tǒng)理論教學(xué)存在的問(wèn)題，如課程信息化教學(xué)資源不足，現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)開(kāi)展困難，教學(xué)效果不理想等，明確了以HyperWorks軟件二次開(kāi)發(fā)為手段，將“紡紗工藝與設(shè)備”課程內(nèi)容模塊化設(shè)計(jì)，采用虛擬仿真技術(shù)使學(xué)生產(chǎn)生身臨其境的感覺(jué)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。模塊的設(shè)計(jì)以紡紗各個(gè)工序?yàn)榛締卧Y(jié)合紡織類專業(yè)學(xué)生的實(shí)際學(xué)習(xí)情況，對(duì)HyperWorks軟件中的每個(gè)操作單元進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，構(gòu)建了符合紡紗工序流程的教學(xué)模塊。如開(kāi)清棉作為紡紗的第一道工序，流程長(zhǎng)、設(shè)備多，且設(shè)備占地面積大，實(shí)驗(yàn)室無(wú)法配套等，因此采用虛擬仿真軟件進(jìn)行模擬，重點(diǎn)呈現(xiàn)設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和虛擬車間，使學(xué)生很好地理解抓棉機(jī)、混棉機(jī)、開(kāi)棉機(jī)、清棉機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工序流程，達(dá)到身臨其境的效果；再如精梳機(jī)作為高檔紡織品的專用設(shè)備，內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格較貴，國(guó)內(nèi)紡織院校的實(shí)驗(yàn)室大多沒(méi)有這種設(shè)備，因此采用虛擬仿真平臺(tái)，進(jìn)行局部化仿真模擬，使學(xué)生搞清給棉羅拉、上下鉗板、錫林、分離羅拉、頂梳的運(yùn)動(dòng)配合情況，進(jìn)一步理解生產(chǎn)高質(zhì)紗的原理；此外，為了讓學(xué)生掌握紡紗工藝原理，采用虛擬仿真平臺(tái)，分別對(duì)開(kāi)松、梳理、牽伸、加捻等紡紗的主要環(huán)節(jié)建立纖維動(dòng)力學(xué)模型。通過(guò)對(duì)軟件的二次開(kāi)發(fā)，完善了課程內(nèi)容體系，夯實(shí)了教學(xué)基礎(chǔ)，促進(jìn)了課程教學(xué)。

2.構(gòu)建課程教學(xué)平臺(tái)

原有教學(xué)平臺(tái)以小型設(shè)備為主，因其占地少、調(diào)整靈活、機(jī)物料消耗少，在教學(xué)中起到了重要作用。但受臺(tái)套不齊全、更新速度慢等客觀條件的制約，這些設(shè)備的技術(shù)落后于企業(yè)生產(chǎn)設(shè)備，導(dǎo)致學(xué)生接觸不到最新的工藝技術(shù)，不能滿足學(xué)生的發(fā)展與社會(huì)需求，影響了培養(yǎng)效果。隨著信息技術(shù)與教育教學(xué)的不斷融合，虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用與課程平臺(tái)的建設(shè)成為解決上述問(wèn)題的良方。為此，團(tuán)隊(duì)成員積極調(diào)研，與Altair公司合作，引進(jìn)其強(qiáng)大的虛擬仿真軟件HyperWorks，并進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，完成了開(kāi)清棉和精梳虛擬車間以及纖維動(dòng)力學(xué)模型等模塊，每個(gè)模塊均參照實(shí)際生產(chǎn)中最先進(jìn)的設(shè)備開(kāi)發(fā)，特別注重信息化與智能化技術(shù)的呈現(xiàn)，有些甚至超前于實(shí)際設(shè)備；同時(shí)在已有小型紡紗設(shè)備的基礎(chǔ)上，與國(guó)內(nèi)知名紡織機(jī)械企業(yè)合作，適時(shí)更新設(shè)備的部分結(jié)構(gòu)、傳動(dòng)、顯示等部件，如采用變頻調(diào)速、PLC可編程控制等取代傳統(tǒng)的減速箱等，實(shí)現(xiàn)了電子牽伸、電子升降、觸摸屏顯示等功能，使學(xué)生有機(jī)會(huì)接觸先進(jìn)的工藝設(shè)備與技術(shù)。建成的虛實(shí)結(jié)合、以虛輔實(shí)課程教學(xué)平臺(tái)，可為學(xué)生清晰展現(xiàn)紡紗系統(tǒng)構(gòu)成，各工序設(shè)備及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)、任務(wù)與原理等，使得教學(xué)內(nèi)容更加生動(dòng)直觀，教學(xué)手段更加靈活多樣，彌補(bǔ)了紡紗實(shí)驗(yàn)設(shè)備不能客觀反映生產(chǎn)實(shí)際的不足，為“紡紗工藝及設(shè)備”課程教學(xué)提供了強(qiáng)有力的軟硬件支撐。

3.改革課程教學(xué)模式

通過(guò)完善課程教學(xué)內(nèi)容，并運(yùn)用虛實(shí)結(jié)合課程教學(xué)平臺(tái)，采用全新的“紡紗工藝與設(shè)備”課程教學(xué)模式：開(kāi)發(fā)與應(yīng)用相結(jié)合——干中學(xué)，線上與線下相結(jié)合——重點(diǎn)學(xué)，課內(nèi)與課外相結(jié)合——靈活學(xué)。

軟件的二次開(kāi)發(fā)過(guò)程是：(1)采取導(dǎo)師制，由任課教師與學(xué)生組成開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)，教師負(fù)責(zé)，學(xué)生參與；(2)項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)，針對(duì)具體開(kāi)發(fā)內(nèi)容，教師下達(dá)任務(wù)，學(xué)生收集資料，并在教師的指導(dǎo)下進(jìn)行開(kāi)發(fā)；(3)匯報(bào)討論，學(xué)生分組匯報(bào)討論，完善開(kāi)發(fā)方案，改進(jìn)開(kāi)發(fā)技術(shù)，最終完成開(kāi)發(fā)任務(wù)。經(jīng)過(guò)這一過(guò)程的訓(xùn)練，學(xué)生掌握了虛擬仿真軟件的應(yīng)用技術(shù)，補(bǔ)充完善了部分課程教學(xué)內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)了“干中學(xué)”，提高了學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，提升了學(xué)習(xí)效果。

在教學(xué)過(guò)程中，教師可以采用線上與線下相結(jié)合的教學(xué)方式，課前通過(guò)線上推送虛擬仿真預(yù)習(xí)模塊并布置學(xué)習(xí)任務(wù)。在線下課堂上，教師除了講解重點(diǎn)難點(diǎn)內(nèi)容外，還針對(duì)學(xué)生預(yù)習(xí)中遇到的問(wèn)題進(jìn)行重點(diǎn)說(shuō)明，并組織學(xué)生開(kāi)展課堂討論，加強(qiáng)互動(dòng)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性與主動(dòng)性，實(shí)現(xiàn)了線上線下結(jié)合——重點(diǎn)學(xué)。為考察學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，還可要求學(xué)生在課外分組交流，學(xué)生根據(jù)教師布置的任務(wù)以及自己搜集的資料在虛擬仿真平臺(tái)模擬操作，分享虛擬平臺(tái)紡紗設(shè)備的操作經(jīng)驗(yàn)和工藝原理。這種教學(xué)模式改變了單一課堂教學(xué)的“滿堂灌”，使教與學(xué)靈活多樣，實(shí)現(xiàn)了課內(nèi)課外結(jié)合——靈活學(xué)。

通過(guò)參與虛擬仿真軟件開(kāi)發(fā)，課前預(yù)習(xí)虛擬模塊，課上聽(tīng)重點(diǎn)內(nèi)容講解，課外查找資料、虛擬操作等環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)與訓(xùn)練，充分發(fā)揮了虛擬仿真教學(xué)模式的作用，促進(jìn)了學(xué)生利用平臺(tái)資源更加有效地掌握紡紗工藝原理和設(shè)備結(jié)構(gòu)，了解典型紡紗工序的特點(diǎn)，并能運(yùn)用所學(xué)知識(shí)分析和解決紡紗過(guò)程中的常見(jiàn)技術(shù)問(wèn)題，為后續(xù)的生產(chǎn)實(shí)習(xí)和工作打下良好的專業(yè)基礎(chǔ)[5-7]。

二、基于仿真軟件的紡織工程類課程教學(xué)實(shí)踐

1.課堂教學(xué)

課堂教學(xué)是課程教學(xué)的基礎(chǔ)。在課堂教學(xué)中，教師主要講解紡紗工藝流程和設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)、原理以及使用方法。針對(duì)“紡紗工藝與設(shè)備”課程內(nèi)容廣、實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)，課堂教學(xué)采用線上線下相結(jié)合和多媒體教學(xué)手段。教師布置線上學(xué)習(xí)任務(wù)，學(xué)生自主學(xué)習(xí)并在虛擬仿真平臺(tái)上模擬操作。線下采用案例式、互動(dòng)式和討論式教學(xué)。一方面通過(guò)紗線半成品生產(chǎn)實(shí)例講解紡紗工藝與設(shè)備的基本理論；另一方面實(shí)施互動(dòng)式和討論式教學(xué)，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性。根據(jù)紡紗工藝流程，教師按章節(jié)講解要點(diǎn)，對(duì)學(xué)生分組，要求學(xué)生在虛擬仿真平臺(tái)上模擬操作，并分享操作經(jīng)驗(yàn)。通過(guò)課堂討論和布置課外作業(yè)形式，促使學(xué)生積極參與和自我學(xué)習(xí)。

2.實(shí)驗(yàn)教學(xué)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是課程教學(xué)的主要環(huán)節(jié)，也是學(xué)生掌握紡紗工藝與設(shè)備的實(shí)踐環(huán)節(jié)。在“紡紗工藝與設(shè)備”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，以生產(chǎn)設(shè)備為例，設(shè)置了工藝?yán)碚摶仡?、設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)解析和紗線半成品生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)，使課程的理論學(xué)習(xí)和具體實(shí)例分析相結(jié)合。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，由于有些設(shè)備，如開(kāi)清棉工序的抓棉機(jī)、混棉機(jī)、開(kāi)棉機(jī)、清棉機(jī)等體積龐大，實(shí)驗(yàn)室無(wú)法配套，采用虛擬仿真平臺(tái)進(jìn)行模擬，能夠達(dá)到身臨其境的效果；再如，精梳機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在生產(chǎn)過(guò)程中無(wú)法展現(xiàn)，采用虛擬仿真平臺(tái)，進(jìn)行局部仿真模擬，可使學(xué)生清晰地理解給棉羅拉、上下鉗板、錫林、分離羅拉、頂梳幾個(gè)部分的運(yùn)動(dòng)配合情況。此外，學(xué)生可以采用虛擬仿真平臺(tái)，對(duì)開(kāi)松、梳理、牽伸、加捻等紡紗工藝原理建立比較直觀的認(rèn)識(shí)。

3.考核評(píng)價(jià)

結(jié)合教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)模式，將考核分為四部分：(1)軟件開(kāi)發(fā)，主要考察學(xué)生參與軟件二次開(kāi)發(fā)和積極主動(dòng)學(xué)習(xí)情況，該部分主要由指導(dǎo)教師負(fù)責(zé)評(píng)定；(2)課前預(yù)習(xí)，主要通過(guò)課堂互動(dòng)來(lái)考察學(xué)生完成課前預(yù)習(xí)的情況，由任課教師評(píng)定；(3)課下虛擬仿真平臺(tái)操作，主要考察學(xué)生對(duì)虛擬設(shè)備的掌握情況，進(jìn)而了解學(xué)生對(duì)工藝?yán)碚摰恼莆眨蓪W(xué)習(xí)平臺(tái)自動(dòng)記錄；(4)期末考試，主要考核學(xué)生掌握工藝?yán)碚撆c設(shè)計(jì)要點(diǎn)等重要內(nèi)容。這種多元化考核方式實(shí)現(xiàn)了對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)全過(guò)程的考核，同時(shí)還根據(jù)不同學(xué)年學(xué)生的具體情況適時(shí)調(diào)整各部分的占比，以更真實(shí)地反映學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，使評(píng)價(jià)結(jié)果更加科學(xué)合理[8-9]。

三、結(jié)語(yǔ)

以“紡紗工藝及設(shè)備”課程為例，基于虛擬仿真軟件及技術(shù)理順了“紡紗工藝與設(shè)備”課程各模塊間的銜接與遞進(jìn)關(guān)系，通過(guò)教學(xué)資源建設(shè)與教學(xué)實(shí)踐,使學(xué)生學(xué)習(xí)工程實(shí)踐類較強(qiáng)的課程時(shí)如身臨其境，從感性認(rèn)識(shí)到理性認(rèn)識(shí)，增加了學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，使學(xué)生從“要我學(xué)”變?yōu)椤拔乙獙W(xué)”，提升了教學(xué)效果，達(dá)到了培養(yǎng)目的。采用項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的導(dǎo)師制教學(xué)模式，提高了對(duì)教師掌握現(xiàn)代教育技術(shù)、應(yīng)用虛擬仿真軟件等教學(xué)能力的要求。這種新型教學(xué)模式及全過(guò)程考核評(píng)價(jià)方式，在增加學(xué)生學(xué)習(xí)挑戰(zhàn)度的同時(shí)也給學(xué)生自主學(xué)習(xí)留足了空間，摒棄了傳統(tǒng)“一考定終身”的不合理評(píng)價(jià)方式，能夠真實(shí)檢驗(yàn)培養(yǎng)效果。教學(xué)資源整合與信息化教學(xué)平臺(tái)構(gòu)建，提高了教師的項(xiàng)目開(kāi)發(fā)能力，靈活多樣的教學(xué)手段，提升了教師的教學(xué)能力。實(shí)踐表明：基于仿真軟件的紡織工程類課程虛擬資源建設(shè)及教學(xué)實(shí)踐為同類課程的改革起到了示范與引領(lǐng)作用。