數(shù)碼印刷教學(xué)中半實物仿真實訓(xùn)方案的設(shè)計與實踐

張來東

（廣西紡織工業(yè)學(xué)校 廣西南寧 530007）

引言

根據(jù)現(xiàn)實情況的發(fā)展，提前做好市場的判斷，是每一個成功企業(yè)家必須要做的事情，而企業(yè)離不開具有創(chuàng)新意識、基礎(chǔ)技能牢靠的員工，而為這些企業(yè)輸送人才的地方，就是各地高校。如何培養(yǎng)學(xué)生的知識技能，是整個教學(xué)過程中不可缺少的一步，在數(shù)碼印刷這個行業(yè)，具有很多抽象、難以理解的知識點，這對教師提出了現(xiàn)實要求，在實際教學(xué)過程中，半實物仿真技術(shù)就派上了用場。

一、半實物仿真實訓(xùn)方案提出的背景

印刷術(shù)工業(yè)是中國主體經(jīng)濟的一部分，但目前，在印刷術(shù)工作者隊伍中，接受教育并且具有技術(shù)職稱的人員還不及中國全部工業(yè)企業(yè)平均水平，同時從事專業(yè)技術(shù)的人才也還不到全國在職員工總數(shù)的百分之十六；高技術(shù)人才管理、人才短缺，特別是具有復(fù)合型技術(shù)的高級技師更為匱乏。這不但嚴重抑制了包裝印刷產(chǎn)業(yè)整體的提升與發(fā)展，還降低了與全球同行業(yè)的市場競爭性。據(jù)行業(yè)協(xié)會預(yù)測，到二零零五年廣東省地區(qū)印刷包裝產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟增長率保持在百分之十七以下，人員短缺問題尤為明顯，珠三角地區(qū)印刷包裝產(chǎn)業(yè)在生產(chǎn)工程師中層管理技術(shù)人員開發(fā)設(shè)計等方面約有十五萬職位虛位以待。目前，雖然國內(nèi)開設(shè)印刷專業(yè)的院校不少，但在操作技能和動手能力方面，實施理論聯(lián)系實際的方法培養(yǎng)印刷技術(shù)和高級維修人員的不多，主要原因是現(xiàn)代印刷設(shè)備價格昂貴（一套中等彩色數(shù)碼印刷設(shè)備200萬元左右）、結(jié)構(gòu)復(fù)雜精密度高，按照傳統(tǒng)的教學(xué)模式無法讓學(xué)生通過拆裝學(xué)習(xí)設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理和訓(xùn)練維修的技能；并且，由于設(shè)備數(shù)量有限，難以讓多個學(xué)生同時進行實訓(xùn)操作，這些都是不利于提高學(xué)生專業(yè)技術(shù)能力的問題[1]。

今天的數(shù)碼打印和以往的機器制版打印技術(shù)不同，它的內(nèi)容是百分之一百的可變內(nèi)容，流程主要是從電腦到紙上或打印的流程（Computer-to-Paper Print），即通過將數(shù)字文檔/網(wǎng)頁轉(zhuǎn)換成打印品的流程，而最終圖像的生成流程則是完全數(shù)碼式的，不需要其他媒介的參與，現(xiàn)代印刷設(shè)備的科技含量大大提高，新工藝新技術(shù)不斷出現(xiàn)，這也增加了印刷技術(shù)人才培養(yǎng)的難度，在教育資源有限的情況下，怎樣才能滿足實踐訓(xùn)練的需要，讓更多的學(xué)生通過拆裝設(shè)備，了解設(shè)備的結(jié)構(gòu)，訓(xùn)練對故障的排除和維修的技能，我們探索的解決方法是運用半實物仿真的方法建立虛擬現(xiàn)實數(shù)碼印刷的訓(xùn)練環(huán)境，開創(chuàng)新的教學(xué)模式。

二、半實物仿真系統(tǒng)定義

實物模擬，也叫做硬件在電路中的模擬（Hardware in the Loop Simulation），是指在仿真實驗系統(tǒng)的模擬電路中接入部分實物設(shè)備的實時模擬。實時性也是進行實物模擬的必要前提條件。實模擬和其它類型的模擬方式一樣有著經(jīng)濟地達到更高真實度的可行性。從系統(tǒng)的設(shè)計觀點出發(fā)，由于實物仿真可以在軟件系統(tǒng)中接入部分實體，意味著能夠?qū)⑦@部分實體置于整個信息系統(tǒng)中加以考慮，以便使部件能夠在實現(xiàn)系統(tǒng)總體性能指標的環(huán)境中進行試驗，所以實物仿真是進一步提高軟件系統(tǒng)總體設(shè)計的安全性和研制產(chǎn)品質(zhì)量的必要手段[2]。

三、實物模擬系統(tǒng)的基本構(gòu)造和設(shè)計

實物模擬系統(tǒng)屬于數(shù)字模擬系統(tǒng)。這是一個智能硬件內(nèi)在環(huán)實時技術(shù)控制系統(tǒng)，將實體設(shè)備利用計算機接口植入到軟件環(huán)境中去，它規(guī)定了整個系統(tǒng)的軟體與硬件之間都要即時工作，以便模擬整個軟件系統(tǒng)的工作狀況，實時控制系統(tǒng)主要由如下幾部分構(gòu)成。

1.仿真計算機

模擬計算機系統(tǒng)是數(shù)字模擬系統(tǒng)的核心組成部分，它執(zhí)行實體對象和模擬環(huán)境的數(shù)學(xué)模型和編程。一般來說，可以利用多層次、模塊化的建模法，把模塊化程序分割為不同的速度塊，在模擬計算機系統(tǒng)中按速度塊實時調(diào)度執(zhí)行任務(wù)。對復(fù)雜的大型模擬系統(tǒng)
可以通過多臺計算機聯(lián)網(wǎng)，實時執(zhí)行。這也是實現(xiàn)實物模擬的巨大關(guān)鍵，也是必不可少的基礎(chǔ)設(shè)備[3]。

2.物理效應(yīng)設(shè)備

物理效應(yīng)裝置的主要功能就是通過仿真復(fù)現(xiàn)了真實世界中的物理學(xué)環(huán)境條件，從而構(gòu)成仿真自然環(huán)境或稱虛幻自然環(huán)境。物理效應(yīng)裝置可以實現(xiàn)的技術(shù)路線有很多，方法之一是引入伺服控制電路，再利用伺服控制電路控制產(chǎn)生對應(yīng)的物理量，方法二是已儲存好的數(shù)據(jù)庫，轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的物理量。

3.接口設(shè)備

仿真計算機輸入輸出中的驅(qū)動信息經(jīng)接口轉(zhuǎn)換后，驅(qū)動相應(yīng)的物理效應(yīng)裝置。接口裝置同時將操縱人員以及實物系統(tǒng)中的控制輸入等信息饋入模擬電腦。在模擬計算機中利用對空氣動力學(xué)體系和周圍環(huán)境的模型解算，可以得到體系和周圍環(huán)境中的各項基本參數(shù)。對于半實物化模擬系統(tǒng)，根據(jù)上述參數(shù)可以利用物理效應(yīng)裝置形成傳感器所要求的測量環(huán)境，并由此形成整體的閉環(huán)化模擬體系。由于物理效應(yīng)裝置是實現(xiàn)整個模擬體系所必須的中間環(huán)節(jié)，它們的動作特征、靜態(tài)特征以及時間延遲等都將對模擬體系的置信度和精度產(chǎn)生重大影響，因此需要有更嚴格的具體性能指標規(guī)定[4]。

四、數(shù)碼印刷教學(xué)現(xiàn)狀

目前，中國境內(nèi)不但數(shù)字印刷技術(shù)和外國的數(shù)字印制技術(shù)有很大的差異，同時對數(shù)字印制的人才培養(yǎng)水平也基本處于空白。而數(shù)字印制技術(shù)作為數(shù)字印制的核心學(xué)科，在許多印制類專業(yè)中并沒有設(shè)置該門學(xué)科，而僅僅作為印制工藝教學(xué)中的一個章節(jié)簡單講述。也有部分印制學(xué)?？紤]到了數(shù)字印制教學(xué)基礎(chǔ)的重要性，而設(shè)立了該門課程，不過在課程設(shè)置上也往往傾向于基礎(chǔ)理論而不重視實踐課程，而是根據(jù)學(xué)校當(dāng)前的實際狀況，進行數(shù)字印制教學(xué)基礎(chǔ)理論和實踐課程的綜合研究，對培育具備相應(yīng)基礎(chǔ)知識并同時具有一定操作技能的數(shù)碼印制人員來說有著重大的意義[5]。

五、半實物仿真實訓(xùn)方案設(shè)計的基礎(chǔ)

虛擬現(xiàn)實思想的源頭，可追蹤至一九六五年在美國IFIP大會上發(fā)表的名為《終極的顯示》的研究報告，該報告提出了把計算機屏幕作為《觀看虛擬世界的窗口》，其設(shè)想是：利用計算機系統(tǒng)構(gòu)造一個讓使用者“看起來景物真實運用真實聲音真實感覺真實”的世界。虛擬現(xiàn)實技術(shù)運用于學(xué)校教學(xué)中是教育科技發(fā)展的一次飛躍。從教學(xué)理論上來說，虛擬現(xiàn)實技術(shù)是一種富有真實感的交互式人機界面，人可以利用各種感官渠道與之進行信息互動、虛擬現(xiàn)實技術(shù)達到人的臨場化，以及參加者和虛擬現(xiàn)實周圍環(huán)境之間的交互作用、相互影響的一種整體的二個方面，它營造了由學(xué)習(xí)者利用自己與信息和周圍環(huán)境之間的互動來獲取認知技能的全新教學(xué)方法。

六、實訓(xùn)方案的設(shè)計和實踐

數(shù)碼印刷的虛擬訓(xùn)練采用半實物仿真的方法綜合運用人機交互與多媒體集成寬帶網(wǎng)絡(luò)自動控制技術(shù)，充分發(fā)揮現(xiàn)代信息技術(shù)的集成性、可視性和交互性。通過超文本圖形圖像動畫視頻聲音等多媒體形式，展現(xiàn)那些在傳統(tǒng)的教學(xué)模式中難以講授和訓(xùn)練的教學(xué)過程。通過虛擬現(xiàn)實科技，學(xué)員們可以在虛幻環(huán)境中“親自體會”對仿真裝置的拆裝，大大減少經(jīng)費的投入。虛擬實訓(xùn)不僅能夠減少實際培訓(xùn)的時間，還能夠達到更加直觀逼真的效果，并可以對一些不可視的因素和難以重組的精密裝置進作仿真實訓(xùn)[6]。

數(shù)碼印刷的虛擬半實物仿真訓(xùn)練包括：圖形圖像設(shè)計軟件、FIERY數(shù)碼印刷軟件系統(tǒng)、DC數(shù)碼印刷硬件系統(tǒng)，三部分形成一個從圖形圖像設(shè)計處理到最終完成印刷成品制作整個步驟的虛擬系統(tǒng)，讓學(xué)生掌握印前印中印后，以及印刷中排除故障和機器維修的能力。

1.DC數(shù)碼印刷機硬件系統(tǒng)的建模

利用建模軟件如3DMAX MAYA等對數(shù)碼印刷設(shè)備每個部分進行數(shù)字建模，形成三維圖像導(dǎo)入VR虛擬系統(tǒng)。DC型數(shù)碼印刷機的組成原理及虛擬訓(xùn)練界面[7]。

2.360度全景瀏覽圖的虛擬設(shè)計

印刷設(shè)備的逐層剖析結(jié)構(gòu)設(shè)計采用基于圖像的VR建模和360度瀏覽全景圖、利用VR虛擬系統(tǒng)可對設(shè)備每部分分層拆裝。虛擬實景空間BVS（Image-Based Virtual Space）是以朵集現(xiàn)實世界的實景圖像或視頻為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)建立起的具有三維操縱能力的虛擬空間，它的基礎(chǔ)是全景圖。全景圖相當(dāng)于實訓(xùn)方案的效果，讓學(xué)生充分了解機械結(jié)構(gòu)，通過虛擬環(huán)境對設(shè)備進行無損耗安全的拆裝訓(xùn)練，學(xué)生能夠同時通過虛擬環(huán)境學(xué)習(xí)整個印刷工藝系統(tǒng)的實操過程，而不需全部學(xué)生全過程都在實際設(shè)備上進行操作，其他院校也可通過網(wǎng)絡(luò)接受遠程訓(xùn)練，以達到資源共享，可以人為地設(shè)置印刷設(shè)備故障點，訓(xùn)練分析和排除故障的技能，如：在不同的走紙路線位置卡。紙紙張屬性與設(shè)置不符碳粉不足傳輸帶偏移等，并可對機械硬件故障進行模擬維修。面對國家提出的加快培養(yǎng)高技能人才的要求，目前國家未制定出數(shù)碼印刷技術(shù)技能監(jiān)測考核題庫，也未能找到合適的訓(xùn)練考核方式，虛擬技術(shù)的引進是一個良好的解決方案[8]。

七、在實際運用中注意的要點

1.采用靈活的教學(xué)手段

現(xiàn)代的教學(xué)模式和技術(shù)手段也有許多，在實際的課堂教學(xué)中，往往需要根據(jù)不同的課程特色來選用。對于教學(xué)抽象或理論性較強的課程，如各種類型的數(shù)碼印制原理，可以適當(dāng)引入多媒體，通過與圖像、動漫等的結(jié)合直接表現(xiàn)某些教師無法用語言表達或?qū)W習(xí)者不易掌握的概念、基本原理等，使教學(xué)更生動活潑風(fēng)趣，便于掌握，同時還有助于培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。在講解數(shù)碼印制操作流程的具體內(nèi)容時，適當(dāng)結(jié)合操作錄像和虛擬動漫等，使講解過程更生動活潑風(fēng)趣，更接近于生產(chǎn)實踐，讓學(xué)習(xí)者印象更加深刻，對訓(xùn)練學(xué)習(xí)者的創(chuàng)造性思路也有很大幫助。此外，學(xué)校為提高學(xué)員的業(yè)余主動學(xué)習(xí)能力和主觀積極性，并充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，還利用互聯(lián)網(wǎng)向?qū)W員提供了大量的電子學(xué)習(xí)資料，包括課件、電子圖書以及有關(guān)的專業(yè)網(wǎng)頁鏈接，如必勝網(wǎng)等，以供學(xué)員在課外的時候充分利用網(wǎng)絡(luò)平臺，了解數(shù)字印刷的發(fā)展、工藝技術(shù)、市場等，從而為學(xué)生的自主掌握提供一個更加優(yōu)越的條件，吸引學(xué)生的注意力，為學(xué)生接下來的學(xué)習(xí)提供動力，對于很難理解的知識點，可以通過巧妙的手段讓學(xué)生記住[9]。

2.選擇合適的教學(xué)方法

課堂中老師首先要充分調(diào)動學(xué)生對讀書的興趣，并鼓勵和引領(lǐng)學(xué)生進行學(xué)習(xí)，唯有如此方可提升課堂的實效性。要使學(xué)習(xí)者從被動學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)樽灾鲗W(xué)習(xí)，就需要將以下幾種教學(xué)模式結(jié)合穿插運用。對比教學(xué)法。傳統(tǒng)印刷和數(shù)字印刷從生產(chǎn)特征、使用范圍、印制機理、印制過程等多方位進行對照式教育，讓學(xué)習(xí)者系統(tǒng)地了解到傳統(tǒng)印刷和數(shù)字印刷之間的差異和聯(lián)系，從而更深層次了解傳統(tǒng)數(shù)字印刷的優(yōu)點和未來發(fā)展的巨大潛力，增強學(xué)習(xí)者對數(shù)字印刷的重視。項目驅(qū)動教學(xué)法。項目驅(qū)動教學(xué)在該課題中主要進行實踐性教育，對培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散式思考能力和學(xué)習(xí)積極性，有著重大的作用。而實驗課程則主要介紹實際制作項目，讓學(xué)生通過具體要求，對產(chǎn)品進行設(shè)計和完成實驗作業(yè)，從而訓(xùn)練學(xué)生的創(chuàng)造思想和學(xué)習(xí)技能。交互式教學(xué)法。在課堂教學(xué)過程中，重視教師與學(xué)生之間的溝通，防止老師單方面、填鴨式的灌輸方式。以學(xué)生為主導(dǎo)，掌握學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和本門課程的重難點，并針對情況進行課程調(diào)整，以改善課堂教學(xué)。這不僅能讓學(xué)生學(xué)會交流，學(xué)會與教師交流，增強自己的交流能力，同時也能了解學(xué)生學(xué)習(xí)情況，對接下來的學(xué)習(xí)，提供現(xiàn)實的依據(jù)。

結(jié)語

虛擬現(xiàn)實技術(shù)進入印刷技術(shù)訓(xùn)練的研究將對探索發(fā)展現(xiàn)代教育思想、提高教育技術(shù)水平、改善實訓(xùn)環(huán)境、優(yōu)化教學(xué)過程、培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力的人才產(chǎn)生深遠的影響；能充分發(fā)揮虛擬技術(shù)的集成性、控制性和交互性的特點，這種方式還可向網(wǎng)絡(luò)學(xué)校虛擬教育延伸。