針織產品設計與織造虛擬仿真實驗教學建設研究

陸 贊 高偉洪

（上海工程技術大學，中國 上海201620）

0 引言

教育部目前關于虛擬仿真實驗教學建設要求主要有：《教育信息化十年發展規劃（2011—2020年）》《關于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知》（2013年）以及《教育部辦公廳關于2017—2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學項教育部目建設的通知》（2017年）[1]。虛擬仿真實驗教學具有強烈的沉浸感，能夠通過三維場景的仿真建模，使得學生在授課過程中高度關注所學內容，從而提高學習熱情。同時，虛擬仿真實驗教學能夠改變教師傳統的“注入式”教學方式，強調學生“邊動手邊學”的實驗教學理念，通過結合理論預習、虛擬仿真操作，以學生自主學習為主，教師指導為輔，幫助學生獨立思考所學知識內容，靈活判斷，最終達成理論與實踐的統一。將虛擬仿真實驗教學與線上教學相結合，可以解決一些傳統實驗課程開展線上教學困難的處境，同時也能改善一些實驗課程教學成本高、危險系數大等問題，學生可以自由自主地在仿真場景中進行操作和學習。因此，虛擬仿真實驗教學是學科專業與信息技術深度融合的產物。

1 針織產品設計與織造實驗教學背景

近年來，隨著針織工業在世界范圍內發展迅速，針織產品變化多、更新快、生產靈活，能迅速適應市場的變化和客戶的需求。而三維全成形無縫針織物的出現，除了能減少產品的生產流程，也為客制化針織產品的發展提供了技術基礎。但是三維針織物由于產品組織與結構與傳統針織物有別，新產品在設計時需要通過多次打樣，并根據打樣效果進行修正后，才能正式投入生產中[2]。而這些專業知識在紡織類專業本科教育中并不重視，造成學生所學與實際生產存在偏差。同時，由于生產三維全成形無縫針織產品的設備比較昂貴，有些設備占地大，教學成本以及學生單位操作時間均無法滿足實驗課建設要求。

因此，將三維無縫針織物產品的設計與織造與紡織類專業人才培養相結合，圍繞三維無縫針織機的結構與織造認知環節、操作流程和考核標準設計腳本，再根據腳本通過3D仿真、動畫、AR技術等建設虛擬實驗室，從而模擬三維無縫針織物的設計與織造過程，讓學生更直觀充分地理解與掌握三維無縫針織物從設計到成品的整個工藝流程，從而提高學生的專業知識與技術儲備，能夠讓紡織類專業學生在就業過程中更具競爭力。

2 針織產品設計與織造虛擬仿真實驗教學建設

2.1 虛擬仿真實驗教學模塊設計

在虛擬仿真系統中，目前設計包括學習系統、虛擬實驗室以及考核系統三大部分。學習系統的主要作用是總結課堂理論知識點，幫助學生自主學習，回顧與實驗有關的內容，也方便學生在虛擬實驗操作過程中遇到問題時反過來進行查漏補缺。本實驗課程主要教學內容涉及三維全成形無縫針織產品的織物組織設計與上機工藝參數的設定。

虛擬實驗室的主要作用是通過動畫、模型等虛擬方式，幫助學生更好地理解實驗涉及的所有內容。除此之外，學生能夠根據預設好的條件充分發揮自己的主觀能動性，結合所學內容進行實踐操作。三維全成形無縫針織產品可以由針織電腦橫機以及圓機來實現織造，本專業針織實驗室中目前配套有德國STOLL公司的電腦橫機，以及圣東尼（上海）有限公司的無縫針織圓機和襪機。在虛擬實驗室中，技術人員根據實際設備中的主要機構設計模型，同時每個零部件都有相關說明進行介紹，讓學生“隨點隨學”，理解針織機內部各個功能部件的結構與作用。

考核系統主要是為了考核學生在課上所學知識的掌握情況，最終根據目標達成度來給出相應的實驗課成績。學生需要結合所學理論內容，在內置設計界面中實際操作設計織物組織并能夠對針織機的相關參數進行設定。同時，學生在充分認知三維無縫針織物設計與織造流程的基礎上進行產品的創新設計，以最終綜合成績加以考查。

2.2 虛擬仿真實驗教學組織與實施

本虛擬仿真實驗系統學習主要針對紡織工程專業大三學生，學生已經較系統地學習紡織材料學課程以及針織學和針織學實驗基本理論和操作流程，因此對于針織產品的設計、加工工藝的理論及應用有深入的理解。本實驗課程主要涉及全成形針織工藝在電腦橫機與圓機上的實現，因此圍繞兩種不同的針織機械需要設計不同的教學方法，本文以全成形針織產品在電腦橫機上的設計與織造為例來加以說明。

通過虛實結合的教學方法，首先在學習系統中將全成形針織物的設計場景在虛擬軟件中進行還原，在該系統中嵌入SDS-ONE APEX3服裝設計工作系統，實現全成形針織物紗線原料的選擇、肌理種類和面料效果的選擇、針織樣片織造設計、基本款式與結構設計、尺寸與花型設計等方面的實訓教學[3]。同時，在各個實訓教學內容中分別實現針型與紗支關系、肌理和面料效果與織物組織的對應關系、不同織物結構和花型的織造工藝參數的階段性考核，讓學生在學完每部分內容后進行鞏固加強。

在虛擬實驗室系統中，實現電腦橫機的機架、控制機構、傳動機構、選針和編織機構、搖床換梭機構、送紗機構和牽拉機構等幾大主要結構的建模還原。學生通過鼠標或者VR眼鏡手柄選中相應結構進行分解學習，了解各個部分的主要功能，同時與學習系統中的相關知識點進行聯動。最終，學生在考核系統中根據所學內容設計一款全成形針織產品，系統根據SDS-ONE編程系統中反饋出的結果進行打分，并給出模擬編織錯誤的修改意見。

2.3 基于虛擬仿真的線上線下混合式教學

虛擬仿真技術因其特有屬性往往被用來作為線下實踐教學的補充，存在課時量少，知識點不全面等問題，利用線上教學平臺并結合虛擬仿真教學是未來普及實踐類課程值得思考的方式。目前，部分院校開始推廣的“云平臺+虛擬仿真”的混合式教學能夠較好地兼顧學校的自身特點和需求，尤其是一些以工科為主的大專院校[4]。一方面，借助“雨課堂”“超星學習通”“藍墨云班課”等線上平臺開展能夠實時互動反饋的教學；另一方面，在線下利用虛擬仿真課程資源，實施從理論到虛擬的一體化教學，最終在線上根據學生的虛擬操作視頻來評估教學效果。

基于此類教學模式，針織產品設計與織造課程在線上理論教學的基礎上，通過線下或者在線形式的虛擬仿真課程對學生的理論知識進行考查，同時結合虛擬仿真系統中的模擬操作分批讓學生在線下利用現有的設備資源進行實物操作，最終實現“理虛實”一體化的教學模式。通過此類模式，能夠在特殊社會環境下實現實踐課程的教學，同時可以為實驗實訓設備不足的學校提供可行的教學方式，從而深入融合線上資源與傳統實踐教學。

3 結論

隨著各院校“新工科”改革的不斷進步，通過建設虛擬仿真實驗教學系統是加速實驗實訓類課程普及的有力措施。對于紡織工程專業的學生而言，針織產品設計與織造作為就業的知識儲備之一，其教學效果關系到學生的綜合競爭力。將虛擬仿真實驗與線上課程相結合并輔以線下實踐操作的混合式教學兼具靈活性與新穎性，能夠在不同外部條件下實施，同時也需要通過持續的研究去發現此類模式的問題和改進之處，繼而不斷提升教師現代化教學能力與創新力。