虛擬仿真系統在印刷工程專業實踐教學改革中的應用研究

張傳香 李蔚 朱新連 張姍姍 鐘云飛

(湖南工業大學包裝與材料工程學院，湖南 株洲 412007)

印刷是中華民族的驕傲，時至今日，印刷行業依然是我國甚至世界各國經濟發展和生活中不可或缺的一個重要產業，且多年來發展態勢持續穩定。尤其是近年，隨著我國工業結構的調整，以及加快綠色印刷發展進程的各種政策的頒布實施，我國印刷行業的發展迎來了新的機遇和挑戰。目前，我國印刷行業不斷自主創新和技術升級，發展態勢良好，快速更新換代的印刷業對技術人員和研發人員的專業技能和經驗要求越來越高，復合型、創新型、高素質綜合性人才成為目前印刷行業最迫切的需求。這也對印刷專業院校在人才培養和教學內容設置上提出了更大挑戰，在專業理論、實踐教學的改革及創新上提出了更高的要求。

文章擬通過分析當前我國高校印刷工程專業實踐教學的現狀，探討如何通過虛擬仿真系統在印刷工程專業實踐教學中的輔助應用，以提高印刷工程專業的教學質量，培養出適應印刷行業高速發展的高素質、高技能人才。

1 當前印刷工程專業實踐教學現狀

印刷行業是一個專業性、技能性很強的領域，競爭激烈的用人單位希望高校畢業生不僅具備扎實的理論基礎，更看重學生的動手能力，因此，對于以培養高層次應用型人才為宗旨的應用型本科院校來說，實踐教學環節尤為重要[1]。然而，國內大部分相關院校的印刷專業實踐教學由于存在以下幾個方面的原因，導致教學與用人單位要求脫節：

（1）高校“雙師型”教師稀缺，專業教師雖有著豐富的理論知識，可大多沒有企業一線實操經驗，培養具有實踐技能的學生似乎是一件“不可能完成的任務”。

（2）印刷、印后加工設備復雜多樣，占地面積大，購置具備完整功能的實驗設備需要投入大量的資金，硬件、維修場地的要求較高，學校教育難以提供相應的實踐教學資金和場地支持；現有教學設備類型少、數量少，設備陳舊與企業生產脫節。

（3）實踐教學成本偏高。雖然目前一些學校印刷專業配備了先進的印刷及后加工機械，但由于實驗過程中油墨、版材、紙張以及其他耗材成本開銷較大，加之實踐教學經費緊張，導致實踐教學流于形式，學生很難親自動手操作，無法進行不計成本、不計次數、不限時間的訓練[2]。

（4）印刷設備的飛速運轉不僅帶來學生的人身安全隱患，也帶來廢液、廢氣排放、噪聲污染等教學場地環境污染問題。同時，實驗室或實習車間氣味、噪音等環境的負面影響可能會降低學生的實驗興趣，實驗教學效果將大打折扣[3]，更有甚者從此失去專業學習的興趣，影響整個大學學習生涯。

（5）盡管學生也有機會進入企業進行認知學習，但由于涉及企業正常生產、安全等因素，學生也無法充分了解高端設備的內部結構、運轉動態特征、內部狀態，以及印刷設備總體工作流程等，教學效果依然不理想[4]。

2 印刷工程專業開發虛擬仿真資源的必要性

虛擬仿真技術，或稱為模擬技術，是一種可創建和體驗虛擬世界的計算機系統。利用虛擬仿真進行實驗教學是教育信息化建設的重要內容，是指利用計算機多媒體技術結合虛擬現實設備及技術，通過人機交互、數據庫和網絡通信等手段，搭建虛擬實驗環境和實驗對象，讓學生在虛擬仿真環境中進行實驗操作的一種信息化教學手段[5]。圖1顯示的是印刷模擬系統的印刷車間，其形象逼真的虛擬實驗使學習形式更加多樣，學習資源更加豐富，使原本枯燥的實驗教學煥發新的生機。

早在幾年前，歐美國家的印刷教育和培訓機構在教學上已經開始采用虛擬仿真的模擬印刷系統，幫助學生深入了解印刷完整的工藝流程、印刷設備的結構功能，掌握各控制平臺操控要點，印刷工藝參數的調節對印刷質量的影響，生產中遇到真實的故障如何進行分析和解決。模擬仿真實驗以“虛”代“實”、以“軟”代“硬”，能為傳統實驗教學中迫切需要解決的問題提供策略和方法，能實現現實實驗條件不具備或難以實踐操作的教學環節，能節省實驗項目開設費用，并具有透明性、共享性、互動性、自主性及擴展性等特點，是信息時代數據共享、知識共享的必然要求[6]。

3 虛擬仿真在實踐教學中的典型應用

印刷工程專業是湖南工業大學的國家級特色專業，多年來，專業教師一直走在教學改革和創新的前沿。2013年就引進了印刷模擬系統，并結合專業特點搭建了印刷工程虛擬仿真實驗教學平臺。虛擬仿真實驗教學圍繞學生實踐能力和創新精神為培養目標，以專業基礎課程虛擬仿真實驗教學為主線，以信息化手段為依托，以校園網為平臺，在校內大力開展跨學科跨專業的創新型虛擬仿真實驗教學，實驗教學內容更加豐富。學生學習空間和時間更加自主，可以隨時隨地利用網絡終端學習，增加了學生動手操作的機會，學生的實踐技能也得以增強。

在此基礎上，湖南工大在實驗室建設中對虛擬仿真教學進行了更進一步的加強，對現有課程實驗項目進行了細化，構建了包括基本仿真實驗、提高型仿真實驗和研究創新型仿真實驗在內的完整仿真教學體系，可提供本科層次學生完成基本仿真實驗、綜合設計型仿真實驗和有創新意義的仿真實驗訓練。使學生在掌握基本原理的基礎上可根據自身學習情況進行深入研究并完成一些創新實驗項目或課題。虛擬仿真在本專業實踐教學中的典型應用主要通過以下幾種方式。

圖1 印刷模擬系統的印刷車間

3.1 建立基于全景技術的虛擬印刷實驗室

全景虛擬現實又稱實景虛擬，它是基于全景靜態圖像在計算機平臺上展示真實場景的虛擬現實技術，它可以通過計算機技術實現全方位互動式觀看真實場景的還原展示[7]。其與視頻、音頻、圖片等傳統的流媒體最大的區別是“可操作，可交互”。

虛擬印刷實驗室建設的數據源直接取材于湖南工業大學合作的優秀包裝印刷企業，如常德金鵬、深圳雅昌、深圳勁嘉等真實的生產車間場景，真實的車間設備，實現了真實生產現場的360度全景展示，學生可以操控鼠標、鍵盤、虛擬現實頭盔以及數據手套等，漫游印刷車間、建立與虛擬印刷車間的互動，印刷機機構部件的展示及拆解、印刷機部分機構傳動過程的動態演示。圖2所示的是輸紙機的虛擬紙張分離和輸送過程。通過虛擬操作面板實現印刷機的虛擬基礎操作、觀察印刷故障的產生及分析原因等，實現在生動和逼真的虛擬環境中進行身臨其境的交互觀察和體驗。結合語音解說、圖片、文字介紹，以及Flash動畫等，使學生在生動、逼真、立體、類似游戲的體驗中獲得了與實驗室實驗同等的學習成效，提高了學生的學習興趣，極大地節約了教學及培訓成本。

3.2 印刷模擬系統仿真軟件教學

圖2 輸紙虛擬示意圖

印刷專業所采用的虛擬仿真教學軟件是由海德堡、巴斯夫及CATF等國際知名印刷機制造商、材料供應商和世界著名印刷企業及基金會共同研制開發的印刷模擬系統。該系統可模擬單張紙膠印、輪轉膠印、凹印、柔印、凸印等不同印刷類型的各種常見機型，能模擬印刷設備的結構，可進行輸紙、輸墨、輸水等相關模擬操控，并可以設置和調控車間環境溫濕度等的印刷環境參數。在模擬教學中，學生可操控印刷機各個部件，從而認識印刷機的結構和運行原理。通過對印刷材料選擇、印刷設備調節和印刷各工藝參數的設置來學習印刷過程中各種因素對印刷質量的影響。

印刷模擬系統也是一種印刷故障學習系統，它含有一個龐大的印刷故障數據庫。一方面，可通過改變印刷參數，虛擬印刷品實時反映出的印刷故障來學習印刷參數對印刷質量的影響；另一方面，可以通過對故障數據庫中的樣張故障現象的判斷，以及數據庫中對印刷故障的描述，學習印刷故障產生的原因和解決辦法。印刷設備、工藝的精密性，印刷機型及材料的多樣性決定了印刷故障的多樣性及復雜性，加之教學條件限制，教師難以將眾多抽象的印刷故障教給學生。而印刷模擬系統能夠將這些繁雜抽象的印刷故障形象地模擬呈現出來，幫助學生學習快速判斷印刷故障、產生的原因和有效的解決方法。教學過程中，學生不僅可以應用印刷模擬系統內置的印刷故障題庫進行練習和測試，而且針對真實實驗難以完成的實驗內容，教師可以利用印刷模擬系統的培訓師模塊設計實驗對學生進行考核，完成對學生知識掌握程度的評價。

3.3 建立開放式網絡化、立體化虛擬仿真實驗教學與實驗管理信息平臺

湖南工業大學在湖南省印刷媒體虛擬仿真實驗教學中心建設的過程中,緊跟科技發展，注重虛擬現實技術、網絡技術、人機交互技術、多媒體技術、數據庫管理，以及遠程網絡通信技術的綜合應用，建立了開放式網絡化、立體化虛擬仿真實驗教學與實驗管理信息平臺。實現網絡化虛擬仿真教學與實驗、輔導、預習，以及網絡查詢、網絡管理等先進的虛擬仿真實驗和遠程實驗教學系統，達到拓展教學時空、優化教學體系、共享教學資源的目的。學生不僅能在課堂上學知識，課下也可以隨時隨地通過電腦、手機客戶端遠程操作虛擬仿真實驗教學平臺自主學習，教師也可以及時通過網絡遠程管理和指導、評價學生的學習，幫助學生形象、直觀地理解所學專業知識[9]。同時，還建立了學習激勵機制，如定期對學生的學習情況組織各種形式的考核和評測，考核成績計入各相關專業課程的平時考核成績，每年通過比賽選拔學生參加國內國際虛擬仿真大賽等。

4 虛擬仿真在實踐教學中的實施效果分析

4.1 更好地彌補了真實課程實驗的不足

虛擬仿真實驗教學遵循了“虛實結合、能實不虛、資源共享、持續發展”的原則和指導思想，注重虛擬仿真實驗的建設目的是完成實驗室實驗難以實現的實驗項目，充分做到了與真實課程實驗的良好互補，信息技術與學科專業的深度融合，不僅是理論教學的有益補充，更使實踐教學安排更科學合理，教學質量得以很大程度地提高，用人單位反饋更好。

4.2 學生的專業學習能力得以提高

學生利用虛擬仿真平臺學習印刷專業理論及實踐知識，提高了自己的專業素養。部分專業知識扎實、計算機編程、軟件設計制作能力強的同學，更是在實驗中心老師的指導下參與虛擬仿真實驗教學平臺的建設和管理，掌握了更多的技能，拓寬了自己的就業途徑。

4.3 學生的專業學習更加積極主動

虛擬仿真印刷實驗教學安全無污染、無耗材消耗，交互性強，不受時間空間限制以及能遠程操作學習，學生可通過解決問題的方式來檢驗理論知識的綜合運用能力，吸引了大多數同學的學習興趣，調動了學生的學習積極性，由以前的“被動式學習”變“主動式學習”。多次在各類虛擬仿真印刷技能競賽中取得好成績，這又進一步吸引和帶動了低一屆的學生主動參入到虛擬仿真實驗的學習中來，形成了良性循環。

5 總結

通過近幾年在學校教學中引入虛擬仿真實驗系統，搭建印刷媒體虛擬仿真實驗室，并帶領學生參與印刷模擬大賽等教學改進措施，使得該學科教學中較難理解和難以進行實踐操作的環節得到很大改善，將抽象、不可再現或難以實驗完成的現象及過程通過多維可視化、動態交互、遠程網絡、實時計算的方式展現給學生，學生的學習熱情及學習效果都得到了巨大提高，并增強了學生的創新思維。該教學手段的使用，必將為學校在培養理論聯系實際的能力及科學研究能力，為行業培養綜合性創新人才提供持續的動力。

[1] 李金麗，葉卉榮，劉鵬.淺談印刷專業校外實踐教育基地的建設與管理[J].教育教學論壇,2015,(46):10-11.

[2] 劉悅，唐萬有.淺析虛擬仿真技術在印刷教學中的應用[J].中國印刷,2011,(8):61-63.

[3] 張傳香，朱新連，張姍姍等.印刷工程專業教學中的綠色化學教育[J].教育教學論壇,2016,(6):53-55.

[4] 杜寶江，呂韋斌，林靈等. 基于虛擬樣機技術的印刷系統仿真研究[J].信息技術,2015,(7):147-151.

[5] 柯長青，肖鵬峰，李滿春等.地球系統科學國家級虛擬仿真實驗教學中心建設[J].中國大學教學,2016,(10):83-87.

[6] 侯珂珂.虛擬仿真在化學化工類專業實踐教學中的應用探索與研究[J].安徽化工,2015,41(3):95-96.

[7] 于興艷，卞琛.基于全景技術的虛擬印刷實訓室的實現[J].軟件工程師,2015,18(11):32-34.

[8] 陳挺，李蔚，朱新連等.印刷模擬系統在印刷工程專業教學中的應用與實踐[J].中國印刷與包裝研究,2012,4(4):65-69.

[9] 王開宇，程春雨，金明錄等.遠程虛擬仿真實驗教學中心建設[J].實驗技術與管理,2016,33(12):242-245.