虛擬仿真技術在輕化工程(染整)實踐教學中的應用

楊 卓，鄭亞雯，陳 英，王 煒，樊 吉

(東華大學 化學化工與生物工程學院，上海 201620)

一、 染整實踐教學現狀

紡織化學與染整工程是一門實踐性很強的學科。我校(東華大學)輕化工程專業(染整方向)的主要任務是為社會培養和輸送生產一線的工程師、研發人員以及染整相關行業的技術服務人員。這就要求我們培養的學生必須具備綜合運用科學基礎理論與技術方法分析和解決復雜工程問題的能力，這也是“新工科”背景下國家對高等教育提出的要求[1]。

目前我國工程教育已經由科學模式向工程模式轉型。工程模式倡導工程回歸，將工程科學技術與工程實踐融為一體，是一種具有實踐性、綜合性和創新性的工程實踐教育，培養學生具備完整的學科知識體系和工程實踐能力，使學生能夠有效應對復雜的工程系統問題[2]。自2009年國家提出“卓越工程師教育培養計劃”以來，各高校都在積極探索卓越工程師培養模式以及實踐教學實施方案，如校內實踐基地建設、校企合作實習基地開發、工程課程開設等[3-5]。目前工程實踐在教學中的融入已經受到重視，但我們對畢業生跟蹤調查發現，畢業生普遍反映學校教學與生產實踐存在明顯的脫節現象，他們在企業需要較長的學習期以熟悉實際生產過程，短時間無法體現大學生的價值。

染整實踐教學效果不理想主要在于以下原因：(1)實踐基地不能滿足學校的教學要求，學生在企業實習過程中無法動手操作。對于大多數企業來說，由于工作任務重，競爭壓力大，加上安全因素等，一般不愿意接納學生實習，即使接收了實習生，學生也只能在化驗室從事一些輔助性工作，在生產一線僅能安排參觀等認識實習，學生沒有參與和動手的機會。學校組織實習的目的是讓學生了解真實的生產過程，由于染整大樣生產和小樣生產實驗在設備、工藝和質量控制上有著很大的區別，僅以參觀代替實習使教學效果大打折扣。(2)校內缺乏建設實踐教學基地的條件。首先是場地限制。染整生產設備種類多，占地面積大，即使是小樣設備，構建一條全流程生產線也需要幾百平方米甚至上千平方米的用房。其次是安全隱患。染整設備多為高溫、高壓且具有一定運轉速度，設備操作需要經過嚴格培訓，稍不注意就可能出現安全問題。(3)經費投入較大，而設備使用率較低，投入產出比低。這些因素制約了工程實踐教學的發展和學生工程能力的培養[6-7]。

二、 虛擬仿真實踐教學建設的意義

2017年7月教育部發布了《2017—2020年示范性虛擬仿真實驗教學項目建設規劃》，要求開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設，拓展高等教育實驗教學內容的深度和廣度，強化信息技術在實踐教學中的應用，培養學生的創新意識與創新能力，提升實驗教學質量與水平[8]。虛擬仿真技術可生成一個三維可視化虛擬環境，借助人機交互設備和位置跟蹤設備把人的控制信息和現實中的相關空間信息傳遞到虛擬現實環境，從而把人、現實世界和虛擬空間結合起來，融為一體[9]。近年來，虛擬仿真技術在醫療、場景展覽、航天軍事、新能源、消防演習等領域已得到廣泛應用。利用虛擬仿真系統，可實現各類工藝仿真，對生產工藝過程中參數的改變進行推演并實景展示，具有很好的培訓效果[10]。虛擬仿真技術可為實踐教學帶來全新的解決方案。利用虛擬仿真技術模擬工廠的實際生產情況，學生能夠獲得與真實場景相同的體驗，并可通過鼠標、鍵盤、VR等設備對系統進行操作，同時通過三維建模了解設備的內部構造，而這些都是在工廠實踐中無法做到的。

虛擬仿真技術的應用可改變染整實驗教學和生產實際不匹配的現狀，突破傳統實驗時間和空間的限制。在計算機上進行仿真實驗，逼真的畫面和實時的數據反饋讓學生有操作實體設備的感覺，并觀察到相似的實驗現象，從而達到類似實體實驗的教學效果。這一技術能很好地解決實踐教學中學生不能動手的問題，有助于培養學生的工程實踐和技術創新能力。

三、繩狀染色虛擬仿真實驗的應用

紡織品染色是染整加工的重要工序，由于繩狀加工設備占地面積大且染色用時長，一次染色用時至少6小時，難以開展實驗教學。學生主要通過企業實習和課堂教學學習相關知識。但由于設備密閉不透明，課堂教學采用平面設備圖，內容抽象，難以直觀展示染色原理，學生學習難度大。而工廠實踐學生也只能觀看，不能參與實際生產，教學效果不理想。我校利用虛擬仿真技術構建三維設備模型，形象展示染色過程中設備內部的運行情況。學生通過虛擬設備的操作演練，掌握生產過程中工藝控制的相關知識，培養解決實際工程問題的能力。

1. 虛擬仿真實驗設計

繩狀染色虛擬仿真實踐教學針對教學中的難點以及實踐教學的短板開展。教學目的：(1)掌握繩狀染色原理，了解實際生產與實驗室小試加工之間的區別；(2)掌握噴射溢流染色機和氣流染色機兩種典型繩狀染色加工設備的結構特點，并能對運行過程中的故障進行及時處理；(3)掌握不同紡織品的繩狀染色條件及過程參數控制，并能根據設備特點獨立設計染色工藝流程；(4)了解印染廠設計的相關知識。虛擬仿真實驗包括三個模塊，分別是車間導覽、設備認知、生產仿真。實驗構架如表1所示。

表1 繩狀染色虛擬仿真實驗構架

(1) 車間導覽模塊。從宏觀的角度構建一個與現實工廠相同的虛擬三維染色車間和自動化料輸送車間。學生進入車間導覽模塊，通過鍵盤走至車間的任意位置，用鼠標進行360°旋轉，通過俯視、仰視等不同角度，觀察設備排布、廠房結構、屋頂排氣設計、排水管道設計、進水管道排布以及自動化料、送料過程，并與工廠設計課程的相關內容相互印證，深化對印染廠設計以及工廠自動化的理解。

(2)設備認知模塊。包含噴射溢流染色機和氣流染色機兩臺典型的繩狀染色設備。該模塊由設備原理演示、設備拆裝及設備故障處理三個學習內容組成，旨在使學生通過深入了解設備構造掌握繩狀染色原理。染色原理是教學的重點和難點，在傳統的教學中大多采用平面圖進行原理講解，過于抽象，缺乏空間感，在虛擬教學系統中，通過設備的三維展示及自由拆裝過程，學生可形象直觀地了解設備構造及其工作原理，降低了學習難度。①設備拆裝(圖1a)，按一定順序對設備進行拆卸和組裝，達到對設備組成及結構認知的目的。②設備原理演示(圖1b)，利用半透視頻動畫，輔以音頻講解，使學生能夠清晰地看到染色過程中設備內部的變化以及氣流霧化、染液噴射的動畫效果。在觀看視頻的過程中，可同時對設備進行360°旋轉及放大縮小操作，方便對細節的觀察。③故障處理，演示設備常見的故障及產生原因，并根據提示解除故障，恢復正常生產。該模塊的學習主要為后續進行染色工藝設計及控制打下扎實的理論基礎。

(a) 虛擬拆裝

(3) 生產仿真模塊。學生在設備認知的基礎上，運用以往學習的知識完成黏膠織物的染色程序設計，并在軟件上進行染色實驗，在學生熟練后進行滌綸織物染色實驗考核。該模塊是對學生所學知識的考核，也是虛擬實驗的核心部分。為了使工藝設計能與實際生產相匹配，學生進入實驗后，系統首先給出工藝單，學生需要根據工藝單的要求進行染色流程設計，設計步驟和參數完全參照實際生產過程。設計完成后，在操作過程中，設備為半透展示，每一步操作都會對應相應的運行動畫，幫助學生了解生產過程(圖2)。實驗結束后系統給出實驗分數。

2. 虛擬仿真實驗的實施

在教學中，我們采用虛實結合的教學模式，以虛促實，化虛為實。實施過程包含教、學、考、習四個環節。

(1) “教”即集中教學。通過3D互動課件，針對重點知識點進行補充和擴展。這部分教學主要利用車間導覽和設備認知模塊，講解工廠設計布局及染色原理，并結合實驗室小樣機進行實物現場教學；針對虛擬實驗操作部分，講解操作要點及影響因素等。通過集中教學，使學生明確實驗的目的和任務，掌握課程的重點和難點。

(2) “學”即自主學習。學生根據自身情況，在虛擬仿真平臺上自主安排學習時間，消化集中教學內容。通過虛擬系統與以往學習的相關理論知識相互印證，加深對理論知識的理解，并在仿真操作模塊通過反復演練，熟悉繩狀染色操作流程，掌握染色工藝流程設計和質量控制的相關知識。

(3) “考”即仿真實驗考核。根據實驗要求，學生獨立設計操作流程并予以實施，軟件將根據流程和參數設置的準確性自動計分。在實驗完畢且考核合格后，學生按要求撰寫實驗報告并提交。

圖2 生產仿真模塊操作界面

(4) “習”即生產實習。通過上述虛擬實驗教學過程，促進學生對實際知識的學習和掌握，有助于學生了解實際生產過程。但虛擬教學所涉及的產品及生產工藝較單一，為了使學生更好地將所學知識應用于實踐，在后續企業生產實習中，學生雖然不能動手，但要求他們在已經掌握基本操作和原理的基礎上，獨立設計不同產品的生產流程并與實際生產流程進行對比分析，從而完善自身知識結構，化虛為實。

通過上述教、學、考、習四個環節，充分利用學校教學資源，合理利用企業資源，虛實結合，化虛為實，培養學生解決工程問題的能力。

3. 虛擬仿真實驗教學存在的問題

目前染整類虛擬仿真實驗教學存在的主要問題是靈活度不夠[11-12]，實驗過程中操作流程是固定的，一旦實驗過程中出現錯誤，系統會報錯，學生需重新找到正確的操作步驟，繼續進行，不能像在真實生產中，設備可以按照任意設計流程運行。但若提高實驗過程的自由度，不僅增加設計成本，而且還需要考慮不同程序組合造成的錯誤結果，這將導致程序設計復雜。因此如何使實驗設計更加靈活，是今后需要研究的課題。

四、 結語

虛擬仿真技術給輕化工程專業(染整方向)的實踐教學帶來了全新的解決方案，切實改變了以往走馬觀花式的實習模式。在現有建設的基礎上，我們將繼續完善前處理、印花、后整理等工藝流程，建立染整全景工廠虛擬仿真實訓教學系統，形成一套完整的染整虛擬仿真實習實訓教學體系。需要注意的是，虛擬仿真系統的建設費用較高，如果能聯合相關設備企業，降低設備3D模型的構建費用，將有利于虛擬仿真實驗教學建設的可持續發展。另外，目前虛擬仿真教學還停留在單機軟件的水平，不能與實際生產聯動。而虛擬現實技術更具魅力的地方是可以通過位置跟蹤和數據讀取，把人、現實世界和虛擬空間結合起來，這樣將可實現真正把現實工廠搬到教學中，但這一功能的實現需要印染企業的參與，以及學校、印染企業和軟件制作公司三方的通力合作。