紡紗虛擬仿真實驗室的建設與應用

周 琪，譚冬宜，何 斌，王 坤

(湖南工程學院 紡織服裝學院，湖南 湘潭 411101)

虛擬仿真實驗教學是國家信息化教育戰略的重要內容[1-2]，而加速信息化教學建設是高校“十三五”規劃的重要建設內容之一[3]。“紡紗學”是紡織工程專業本科教育的必修專業基礎課程之一，對提高學生專業素養，培養學生實踐動手能力非常重要。目前，“紡紗學”課程教學存在實驗設備缺乏，工廠設備高速運轉而導致學生實踐參與度低，實際操作不可逆等問題。我校(湖南工程學院)紡織服裝學院紡紗虛擬仿真實驗室的建設，旨在從教學思路、教學過程、教學方法等方面突破傳統的教學模式，培養學生的動手能力和創新能力。

一、 紡紗虛擬仿真實驗室的建設

紡紗虛擬仿真實驗室能將紡紗過程實時、細致、全面地呈現在學生面前。紡紗虛擬仿真實驗室建設包括紡紗設備建設和紡紗流程建設兩部分。

1. 紡紗虛擬仿真實驗設備建設

紡紗設備是“紡紗學”課程教學的重點內容，是學生掌握和運用紡紗技術的基礎。通過三維動畫和實時錄像將復雜、高速、抽象的紡紗設備簡單化、低速化、具象化。紡紗虛擬仿真設備建設包括對紡紗每一環節中涉及設備的虛擬仿真化，紡紗虛擬仿真設備展示過程的建設需要完成紡紗設備匯總、設備材料收集與制作以及設備展示制作。

(1) 紡紗設備匯總。按照“紡紗學”課程教學內容以及紡紗過程的順序，紡紗虛擬仿真實驗的設備展示包括抓棉機、混棉機、開棉機、梳棉機、精梳機、并條機、粗紗機和細紗機。在對紡紗設備匯總時，考慮到設備和工藝的發展，對于同一設備的不同型號需在紡紗設備發展過程中加以說明，以保證整個紡紗設備的系統性。

(2) 設備材料收集與制作。在確定上述紡紗虛擬仿真實驗室中所需展示的設備后，收集各個設備工作狀態下的三維動畫圖、實時錄像以及其他相關圖片、動畫、視頻等設備展示材料，為后續設備展示制作提供基本素材，并完成后期的制作，便于植入設備展示平臺。

(3) 設備展示制作。將收集和制作的虛擬材料搭配硬件構成紡紗虛擬仿真實驗室的設備展示平臺，將紡紗過程中的所有設備鑲嵌于同一模塊中，建立虛擬工廠。

2. 紡紗虛擬仿真實驗流程建設

在完成了紡紗虛擬仿真設備的建設后，紡紗虛擬仿真實驗流程的建設將串聯所有紡紗設備，還原真實的紡紗車間，可以實現對整個車間的漫游瀏覽；同時還可以根據具體要求設置生產任務進行實時的工廠模擬，對生產流程進行交互性操作。紡紗虛擬仿真實驗流程建設包括紡紗工藝流程系統和紡紗車間虛擬環境的構建。

(1) 紡紗工藝流程系統的構建。在紡紗過程中，根據原料特點和對最終產品的要求，可以設計不同的紡紗工藝。在紡紗虛擬仿真實驗流程的建設中，除了要建立基本的普梳系統、精梳系統及廢紡系統用于“紡紗學”課程理論教學外，還需搭建工藝流程選擇和設計平臺，可靈活選擇工藝環節中的設備種類及數量，為學生開展工藝設計提供窗口。

(2) 紡紗車間虛擬環境的構建。在完成工藝系統的構建后，為進一步提升整個虛擬仿真紡紗車間的真實感，使學生直觀地感知工廠紡紗車間的設備配置，需按工藝流程系統的實際情況，將設備在紡紗車間的管道連接、位置分布等在虛擬環境中表示出來，使得整個紡紗車間完整地展現于紡紗虛擬仿真實驗室，如圖1所示。

圖1 虛擬仿真實驗室的紡紗車間

二、 紡紗虛擬仿真實驗室在“紡紗學”課程教學中的應用

1. 在理論教學中的應用

在“紡紗學”課程理論教學中，紡紗工藝和原理是教學的核心，教學時可以展示設備結構細節以便直觀地介紹工藝與質量把控。

(1) 在紡紗工藝教學中的應用。在以往的紡紗工藝教學中多以教師講授、學生參觀為主，缺乏學生動手參與過程，對于抽象的工藝過程、產品質量指標，學生難以理解和掌握。在紡紗虛擬仿真實驗室中完成工藝設計，學生可以實時地看到工藝參數設定與產品質量之間的關系，更加深入地掌握紡紗工藝，提升學生對紡紗過程中紗線品質的把控能力。同時，在虛擬仿真工藝設計中，實時工藝調整環節能激發學生對紗線設計的創新潛能。學生置身于虛擬仿真實驗室中，提高了參與度，激發了主觀能動性。

(2) 在紡紗原理教學中的應用。在紡紗虛擬仿真實驗室，利用相關的文字、圖片、動畫、視頻等材料，可清晰地表達原理涉及的結構和相互關系，直觀而準確地展示抽象、枯燥的原理。如圖2所示為紡紗虛擬仿真實驗室展示的抓棉小車間歇下降距離與棉塊重量關系的原理。

圖2 抓棉小車間歇下降距離與棉塊重量關系的原理

將紡紗虛擬仿真實驗室用于課堂教學，以生動而有效的方式展示紡紗原理，調動了學生的學習積極性，改變了過去專業課程教學沉悶、無趣的課堂氛圍。

2. 在實踐教學中的應用

傳統的紡紗實踐教學一般在工廠進行，主要以教師或車間技術人員講授為主，學生在工廠大多走馬觀花，在實踐過程中參與度不高。有了紡紗虛擬仿真實驗室，學生可在線上模擬完成對紡紗設備的拆卸和裝配，讓學生詳細地學習紡紗設備的各個結構，了解構件的安裝位置以及各構件之間的相互關系，使他們掌握各種紡紗設備，克服了在工廠實驗操作時因設備高速運轉而無法深入實踐的缺陷。

三、 結語

我校紡紗虛擬仿真實驗室的建設包括紡紗實驗設備建設和實驗流程建設兩部分， 將紡紗

車間從工廠移到了虛擬實驗室，縮短了理論與實踐之間的距離。教學實踐表明，紡紗虛擬仿真實驗室在“紡紗學”課程教學中發揮了重要作用，學生可以深入地了解設備結構，實時地了解工藝參數設定與產品質量之間的關系，直觀地掌握紡紗工藝與原理。紡紗虛擬仿真實驗室的應用，使學生在課堂上的拆機、裝機成為可能，提高了學生的學習積極性，加深了學生對紡紗知識的理解，調動了學生的主觀能動性，激發了學生的創造性。