虛擬實驗在紡織實驗教學中的應用

孫啟龍，蔡瑩瑩，王 茹，姚理榮，葉 偉，嚴雪峰

(南通大學 紡織服裝學院，江蘇 南通 226019)

紡織產(chǎn)業(yè)是我國國民經(jīng)濟傳統(tǒng)支柱產(chǎn)業(yè)、重要的民生產(chǎn)業(yè)、國際競爭優(yōu)勢明顯的產(chǎn)業(yè)。近年來，在新科技革命和新產(chǎn)業(yè)革命的推動下，紡織產(chǎn)業(yè)正孕育革命性的變革。發(fā)達國家對高性能纖維、產(chǎn)業(yè)用紡織品、纖維增強復合材料等高技術含量和高附加值的紡織產(chǎn)品密切關注，紡織產(chǎn)業(yè)也成為我國戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的重要組成部分。在此背景下，必須提升紡織專業(yè)教育教學水平和人才培養(yǎng)質量，建立一支適應紡織科技發(fā)展需要的人才隊伍。扎實的紡織專業(yè)理論知識是培養(yǎng)高質量紡織人才的起點，而紡織實驗教學是加深對理論知識理解和培養(yǎng)實際操作能力的有效手段。我國大部分紡織類高校都存在著實驗經(jīng)費投入不足的情況，而且紡織體系涉及多樣化的紡織系統(tǒng)，工藝流程長，設備機臺多，相互差異大，導致紡織工程專業(yè)實踐教學設備匱乏[1]。此外，由于實驗教學場地和學時的限制，學生難以進行有效的預習和反復操作練習，不利于教學內容的鞏固和實踐技能的培養(yǎng)。隨著高校招生規(guī)模的擴大，更加凸顯出實驗教學條件建設的不足，勢必對學生學習效果造成影響，而虛擬實驗的出現(xiàn)為彌補傳統(tǒng)紡織實驗教學中的不足提供了一種新的解決方案。

一、 虛擬實驗輔助實驗教學的優(yōu)勢

隨著計算機技術的發(fā)展，人們越來越重視將計算機技術應用于教育教學中，尤其是將虛擬實驗引入實驗教學，改變實驗教學現(xiàn)狀，提高實驗教學效果[2]。虛擬實驗是指在計算機系統(tǒng)中采用虛擬現(xiàn)實技術實現(xiàn)的各種虛擬實驗環(huán)境,實驗者可以像在真實的環(huán)境中一樣完成各種預定的實驗項目,并取得良好的學習或訓練效果。目前虛擬實驗已經(jīng)在不少高校得到應用，國防科技大學建立了“沖壓發(fā)動機”虛擬實驗，解決了傳統(tǒng)實驗中高風險、高費用、低參與度等問題[3]；廣州體育學院建立了“運動生理學”虛擬實驗，使很多平時由于儀器、經(jīng)費、難度等原因而無法開設的實驗得以開展[4]；西南大學建立了非織造與紡絲綜合機的虛擬實驗，突破了開機成本高、學生人數(shù)多、危險性大的限制，對傳統(tǒng)實驗教學起到了有力的補充作用[5]；湖南工程學院建立了“測色與計算機配色”虛擬實驗，促進了學生對測色與配色基本原理的掌握和運用[6]。

在紡織實驗教學中開展虛擬實驗輔助教學具有以下優(yōu)點：(1)靈活性。傳統(tǒng)的紡織實驗教學受到時間和地點的限制，必須在實驗車間和實驗室中完成實際操作，學生無法靈活地安排學習時間。虛擬實驗可以由學生自由安排時間，實驗操作不再拘泥于實驗室，只需要運行虛擬軟件即可，具有高度的靈活性。(2)自主性。傳統(tǒng)的紡織實驗教學以教師講授為主，學生在學習中處于被動狀態(tài)，而在虛擬實驗中學生自主模擬實驗操作，更有針對性。(3)高效率。傳統(tǒng)的紡織實驗教學往往在實驗前需要做大量的實驗準備工作，如實驗材料準備、設備調試等，消耗大量精力，導致教學效率低下。實驗中還會遇到實驗材料需求量大、實驗成本高、實驗重復次數(shù)有限的問題，虛擬實驗能夠使學生在接觸實際操作之前提前進入虛擬的實驗氛圍，掌握必要的基礎理論和知識，在真正動手實踐操作中能夠更加順利地完成實驗教學進程。此外，學生可以獨立自主地反復模擬操作，以加深對理論知識的理解。

二、 虛擬實驗的建設方法

隨著科技的進步，虛擬實驗建設方法呈現(xiàn)出多樣化的態(tài)勢。常見的方法有以下幾種。

1. 2D建模

以圖片和短視頻為素材，利用Flash軟件組織各種多媒體素材，完成實驗過程的模擬和操作。虛擬系統(tǒng)中可以設置文字、語音等的操作提示和幫助，輔助學習者完成實驗。這種類型的虛擬實驗具有建設成本低、操作簡單的優(yōu)點。但是由于2D建模素材大多為平面素材，學習者只能按既定視角或順序進行觀察和學習；此外，系統(tǒng)中的動畫為預先設定的，缺乏交互性。這種方法適用于操作環(huán)境簡單和操作程序不復雜的實驗，例如單紗強伸性能測試、電子式纖維拉伸性能測試、輥軸式纖維摩擦因數(shù)測試等實驗。

2. 3D建模

采用3D建模軟件對實驗設備進行建模，學習者可以從多視角了解設備，甚至可以完全展示設備內部結構。但是進行模擬實驗的必要條件是3D建模軟件的使用，所以具有較高的門檻，并且學習者與系統(tǒng)之間的交互性較弱。這種方法適用于需要詳細了解設備儀器結構和原理的實驗，例如梳棉機工藝與設備，精梳機分離、接合，絡筒、并紗、倍捻設備結構與原理等實驗。

3. VR建模

VR(Virtual Reality)建模[10]，即虛擬現(xiàn)實建模，可以建立真實實驗場景模型或虛構的三維實驗場景。在最新的VR模型中，不但可以有靜態(tài)的物體，還可以使物體具有旋轉、滾動、改變顏色和大小等運動屬性，虛擬實驗中的物體依據(jù)現(xiàn)實運動規(guī)律運動，學習者對模擬實驗中的設備進行操作，可以從模擬實驗中得到類似于真實實驗的反饋。學習者可通過多角度全方位地對實驗設備進行觀察，尋找實驗規(guī)律，解決問題，能夠最大限度地發(fā)揮學習者的主觀能動性，提高學習效率。但是VR建模工作量大，對硬件也具有很高的要求，需要3D掃描儀、3D展示系統(tǒng)以及聲音設備和交互設備等特殊設備。這種方法適合于實驗環(huán)境復雜、交互性強、系統(tǒng)化程度高的實驗，例如梳棉實驗、紡紗實驗等。

三、 虛擬實驗輔助教學的實踐

1. 紡織工程專業(yè)虛擬實驗體系建設

針對我校(南通大學)紡織工程專業(yè)的課程設置特點，擬按照如圖1所示的體系建設紡織工程專業(yè)虛擬實驗。該虛擬實驗體系分為基礎實驗、專業(yè)實驗和生產(chǎn)實驗三個層次：(1)基礎實驗主要來自“紡織材料實驗”課程，以小型性能測試實驗為主，所用設備簡單，場景單一，可采用2D建模；(2)專業(yè)實驗來自“紡紗學”“織造學”“針織學”等專業(yè)主干課程，課程中需要對設備結構、工藝流程等進行詳細講解，所以在虛擬實驗中需對設備結構、運動模式等進行詳細剖析，輔助學生對設備各主要部件作用和部件間配合運動進行學習，可采用3D建模；(3)生產(chǎn)實驗主要對應生產(chǎn)實習，例如并條實習、粗紗實習、細紗實習、織造實習等涉及多項實際操作，而且實驗環(huán)境為車間，存在多項安全隱患，需要考慮與環(huán)境的交互性，可采用VR建模。目前，我校虛擬實驗建設尚處于起步階段，主要建設內容為基礎實驗和專業(yè)實驗。

2. 虛擬實驗輔助教學案例

本文以專業(yè)基礎實驗中單紗強伸性能測試實驗為例，進行虛擬實驗輔助教學和常規(guī)實驗教學對比。單紗強伸性能測試實驗是“紡織材料實驗”規(guī)定的實驗項目，要求學生理解單紗強力和斷裂伸長的含義，掌握單紗強力儀的基本作原理和測試操作方法。其測試操作程序為：實驗準備→參數(shù)設置→牽引試樣和張力調整→測試和數(shù)據(jù)記錄。

圖1 紡織工程專業(yè)虛擬實驗體系

本實驗所使用的單紗強伸性能測試虛擬實驗由Photoshop軟件重建單紗強力測試設備和測試場景，采用Adobe Flash再現(xiàn)了測試操作過程。本研究隨機選取紡織工程專業(yè)2018級學生30人，分為2組，一組為常規(guī)教學組，另一組為虛擬實驗輔助教學組，對完成理論學習和實驗操作的學生進行實操考核，采用正確完成一組強伸測試實驗所需時間來衡量教學效果。教學過程及教學效果如表1所示。

表1 常規(guī)實驗教學與虛擬實驗輔助教學過程及教學效果

由表1可知，虛擬實驗輔助教學與常規(guī)實驗教學相比具有更高的教學效率，可以有效地縮短學生對設備的適應時間，虛擬實驗輔助教學完成一組單紗強伸性能測試實驗所需時間與對照組相比縮短了18.1%。

四、 結語

針對目前紡織類高校實驗設備欠缺的問題，提出了虛擬實驗的解決方案，系統(tǒng)分析了紡織實驗教學中虛擬實驗的優(yōu)勢，介紹了常見的虛擬實驗建設方法及其所適用的紡織實驗類型。通過對比實驗，驗證了虛擬實驗在實驗教學中的作用。目前虛擬實驗還存在一些問題，例如實驗中操作不當造成的危險、儀器損壞、突發(fā)狀況等難以得到完全體現(xiàn)。所以現(xiàn)階段虛擬實驗還不能完全替代真實實驗，但是作為一個有效的輔助教學手段，與真實實驗相結合可以取長補短，提高教學效率。