基于Unity 3D的并條工序?qū)嶒炋摂M仿真系統(tǒng)

紡織工程專業(yè)以培養(yǎng)精通現(xiàn)代紡織科學(xué)與工程的基礎(chǔ)知識,具備較強(qiáng)的工程創(chuàng)新意識和工程實(shí)踐能力,并且能夠適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)代化的需求的高素質(zhì)工程技術(shù)應(yīng)用型人才為目標(biāo)[1]。《紡紗工程》是紡織工程專業(yè)的核心課程之一,并條工序?qū)嶒炇钦n程中必不可少的實(shí)踐環(huán)節(jié),能夠培養(yǎng)工科學(xué)生專業(yè)實(shí)踐所必需的技能和思維[2]。當(dāng)前,在實(shí)際并條工序?qū)嶒炛写嬖谝韵戮窒扌?存在安全隱患,機(jī)器運(yùn)行產(chǎn)生的粉塵不僅會對人體的呼吸道和肺部造成傷害,更是存在粉塵爆炸的風(fēng)險;設(shè)備運(yùn)行時的噪聲同樣是實(shí)驗中不可忽視的隱性危害,人長期暴露在噪聲中會產(chǎn)生聽力下降和精神緊張的問題[2-3];實(shí)驗設(shè)備價格昂貴,院校配備的并條機(jī)數(shù)量相對于學(xué)生數(shù)量嚴(yán)重不足,不利于學(xué)生的深入探究,從而影響教學(xué)效果;機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時,設(shè)備的主要機(jī)構(gòu)都處在封閉空間內(nèi),實(shí)驗過程難以觀察,導(dǎo)致學(xué)生對理論知識理解困難。

隨著現(xiàn)代信息及網(wǎng)絡(luò)科技的迅速發(fā)展與應(yīng)用,虛擬仿真技術(shù)日漸成熟,并開始影響高校實(shí)驗教學(xué)的模式。虛擬仿真實(shí)驗借助數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)通信等手段,通過模擬軟件系統(tǒng)和仿真硬件模擬出實(shí)驗操作環(huán)境及實(shí)驗各環(huán)節(jié)中所需要的儀器用品,實(shí)驗人員無需到現(xiàn)實(shí)場景中,借助計算機(jī)就可以親臨其境般地進(jìn)行在線實(shí)驗[4]。相較于傳統(tǒng)實(shí)驗方式,它具有安全性高、經(jīng)濟(jì)環(huán)保、開放共享等優(yōu)勢,成為如今最熱門的新型實(shí)驗教學(xué)手段之一,是傳統(tǒng)實(shí)驗教學(xué)的完善、補(bǔ)充與拓展,在巖石力學(xué)、航空航天、古生物學(xué)等學(xué)科中均有成功的應(yīng)用[5-7]。中華人民共和國教育部于2017年頒布了《關(guān)于開展國家虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)項目建設(shè)工作的通知》,文件中明確要將信息技術(shù)融入高校實(shí)驗教學(xué)中,積極推動國家虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)項目的建設(shè),借此來突破實(shí)踐教育開展的時空局限,豐富實(shí)驗教學(xué)的知識內(nèi)涵,提高實(shí)驗教學(xué)的質(zhì)量與技術(shù)水平[8]。由于虛擬仿真教學(xué)軟件的開發(fā)者與使用者一般不是同一人員,因此關(guān)于軟件的改進(jìn)與教學(xué)效果之間的研究很少,本文基于此開發(fā)一套并條機(jī)虛擬仿真系統(tǒng),并分析虛擬仿真軟件對教學(xué)效果的影響。

1 并條工序?qū)嶒炋摂M仿真系統(tǒng)的開發(fā)流程

并條工序?qū)嶒炋摂M仿真系統(tǒng)開發(fā)流程包括三維建模和虛擬仿真兩部分[9],如圖1所示。

根據(jù)廠家提供的FA320A型并條機(jī)使用說明書及實(shí)際測量的數(shù)據(jù),進(jìn)行模型的制作與優(yōu)化,確保模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確,外形逼真美觀,文件大小適中[10]。虛擬仿真模塊包括虛擬場景搭建和人機(jī)交互設(shè)計。虛擬場景的搭建需要根據(jù)并條車間的真實(shí)環(huán)境,在Unity中調(diào)整好模型之間的相對位置關(guān)系和大小。接著在場景中放置光源模擬車間的光線,增強(qiáng)場景的真實(shí)感[11]。為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的交互功能,用Photoshop進(jìn)行UI設(shè)計,利用C#編輯腳本設(shè)置人機(jī)間的交互動作。最后在Unity 3D中選擇相應(yīng)的版本發(fā)布。

圖1 系統(tǒng)開發(fā)流程Fig.1 System development process

2 系統(tǒng)整體架構(gòu)及實(shí)驗?zāi)K設(shè)計

2.1 系統(tǒng)整體構(gòu)架設(shè)計

并條工序?qū)嶒炋摂M仿真系統(tǒng)依托于紡織工程專業(yè)的紡紗工程課程,從實(shí)驗教學(xué)的實(shí)際需求開展設(shè)計。教學(xué)目的:1) 熟悉并條機(jī)構(gòu)及主要部件的作用;2) 熟悉并條機(jī)的傳動系統(tǒng)及牽伸變換齒輪的位置和作用;3) 掌握并條生產(chǎn)的工藝流程;4) 了解紡織車間設(shè)計的相關(guān)知識。虛擬實(shí)驗包括三個模塊,分別是并條機(jī)構(gòu)認(rèn)知模塊、并條機(jī)傳動系統(tǒng)認(rèn)知模塊和并條工序?qū)嶒災(zāi)K。系統(tǒng)整體構(gòu)架如表1所示。

表1 系統(tǒng)整體構(gòu)架Tab.1 Overall structure of virtual simulation system

2.2 實(shí)驗?zāi)K設(shè)計

2.2.1 并條機(jī)構(gòu)認(rèn)知模塊設(shè)計

如圖2所示,該模塊設(shè)置了并條機(jī)部件認(rèn)知和自主考核兩個環(huán)節(jié),覆蓋了專業(yè)課本上有關(guān)并條機(jī)的機(jī)構(gòu)及作用的知識點(diǎn)[2]。在傳統(tǒng)的教學(xué)中大多采用平面圖的方式講解并條機(jī)構(gòu)及作用,缺乏空間感,過于抽象。該系統(tǒng)通過三維模型,直觀形象地展示各并條機(jī)構(gòu)的構(gòu)造及作用,模型能夠360°旋轉(zhuǎn)及縮放,降低了學(xué)生的學(xué)習(xí)難度[5]。該模塊還設(shè)置了自主考核來檢驗對所學(xué)知識的掌握程度,為后續(xù)實(shí)驗操作鋪墊。

圖2 并條機(jī)構(gòu)認(rèn)知模塊Fig.2 Cognitive modules for the drawing frame mechanism

2.2.2 并條機(jī)傳動系統(tǒng)認(rèn)知模塊設(shè)計

如圖3所示,與上一模塊類似設(shè)置了認(rèn)知和自主考核兩個環(huán)節(jié)。本模塊并條機(jī)的外殼能夠被隱藏,平時難以觀察的傳動系統(tǒng)此時一目了然。用戶將鼠標(biāo)移至齒輪上,小窗口將自動顯示當(dāng)前齒輪的名稱。考核環(huán)節(jié)將給出齒輪名稱讓用戶在模型上點(diǎn)擊對應(yīng)齒輪,檢驗所學(xué)知識。

圖3 并條機(jī)傳動系統(tǒng)認(rèn)知模塊Fig.3 Cognitive modules for the drawing frame drive system

2.2.3 并條工序?qū)嶒災(zāi)K設(shè)計

并條工序?qū)嶒災(zāi)K包含了閱讀實(shí)驗說明、車間參觀、并條工序?qū)嶒炄齻€環(huán)節(jié),旨在讓用戶沉浸到真實(shí)車間環(huán)境中,熟悉并條車間和并條生產(chǎn)操作的全過程,深化理論知識。

如圖4所示,閱讀實(shí)驗說明環(huán)節(jié)包括實(shí)驗內(nèi)容、實(shí)驗?zāi)康暮桶踩氈Ｓ脩粜枰瓿砷喿x后才能關(guān)閉窗口,進(jìn)入下一個環(huán)節(jié)。

圖4 閱讀實(shí)驗說明環(huán)節(jié)Fig.4 Step for reading the experimental instructions

如圖5所示,在車間參觀環(huán)節(jié),用戶通過鍵盤能走至車間任意位置,還可使用俯視、仰視等不同視角觀察設(shè)備的排布、廠房結(jié)構(gòu)等,幫助學(xué)生理解工廠設(shè)計的相關(guān)內(nèi)容。車間內(nèi)設(shè)置了若干個定點(diǎn),直至用戶走過所有定點(diǎn)時才能進(jìn)入下一步實(shí)驗。

圖5 車間參觀環(huán)節(jié)Fig.5 Step for workshop visit

如圖6所示,并條工序?qū)嶒灠瞬l生產(chǎn)操作的全過程,該模塊是對學(xué)生所學(xué)知識的考核,也是實(shí)驗的核心部分。進(jìn)入實(shí)驗后,學(xué)生需要將條桶和棉條擺放至正確的位置,腳本將根據(jù)物體的坐標(biāo)位置來判斷得分。接著放下加壓機(jī)構(gòu),并關(guān)閉并條機(jī)罩殼。最后點(diǎn)擊并條機(jī)上的啟動鍵,模型將模擬并條機(jī)的運(yùn)行狀態(tài):棉條、齒輪調(diào)用預(yù)先制作好的動畫,開始旋轉(zhuǎn);提示燈更改為自發(fā)光材質(zhì);音頻組件開啟,播放并條機(jī)運(yùn)行的聲音[2,12]。操作過程如出現(xiàn)錯誤操作的情況,將會跳出危險提示,幫助學(xué)生更好地理解生產(chǎn)過程及操作注意點(diǎn)。

圖6 并條工序?qū)嶒灜h(huán)節(jié)Fig.6 Step for drawing process experiment

3 實(shí)際應(yīng)用效果

“并條工序?qū)嶒炋摂M仿真系統(tǒng)”于2021年6月正式上線實(shí)驗空間(國家虛擬仿真實(shí)驗課程共享平臺),實(shí)現(xiàn)開放共享,不管是高校學(xué)生還是社會學(xué)習(xí)者,均可以訪問本項目,進(jìn)行在線實(shí)驗。該系統(tǒng)已成功應(yīng)用到江南大學(xué)紡織科學(xué)與工程學(xué)院紡織工程專業(yè)的本科教學(xué)中,本文以該院某班級的實(shí)驗數(shù)據(jù)為例,分析應(yīng)用效果。

3.1 實(shí)驗成績分析

全班共有26名同學(xué)參與了虛擬仿真實(shí)驗,實(shí)驗次數(shù)最多的同學(xué)完成5次實(shí)驗,最少的同學(xué)完成1次實(shí)驗,平均完成次數(shù)為2.46次,說明學(xué)生對虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)的興趣與熱情。對比第一次和第二次實(shí)驗發(fā)現(xiàn)(圖7):第二次實(shí)驗中有2名同學(xué)的實(shí)驗成績降低,其余同學(xué)的實(shí)驗成績均有所提高,第一次實(shí)驗的平均成績?yōu)?2分,而第二次實(shí)驗除了3名未參加外,其余的平均分達(dá)到92分,平均提高了10分,或者說提高了等級,由良好提高到優(yōu)秀。第一次實(shí)驗獲得優(yōu)秀的僅有4名同學(xué),占總數(shù)的比例為15%,第二次實(shí)驗獲得優(yōu)秀的同學(xué)增加到19名,占總數(shù)的比例為73%。由此可見,虛擬仿真實(shí)驗提供了實(shí)驗平臺,提供了多次實(shí)驗的機(jī)會,培養(yǎng)了實(shí)驗?zāi)芰?可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)成績。同時發(fā)現(xiàn)第一次實(shí)驗的最低成績?yōu)?2分,第二次實(shí)驗的最低成績?yōu)?3分,因此對于保證最后一名成績的同學(xué)也能達(dá)到較高的水平起到重要作用。

圖7 全班前兩次實(shí)驗成績Fig.7 The first two experiment scores in the whole class

3.2 實(shí)驗用時分析

對每一位同學(xué)的實(shí)驗用時取前兩次繪制曲線,分析全班同學(xué)的實(shí)驗用時可以發(fā)現(xiàn)(圖8),第一次實(shí)驗中9號同學(xué)用時最長,達(dá)到了19 h,除了9號同學(xué)外,第一次實(shí)驗的平均用時為45 min,第二次實(shí)驗除3位未參加的同學(xué)外,平均用時為34 min。經(jīng)過調(diào)查發(fā)現(xiàn),第一次實(shí)驗系統(tǒng)在電腦上安裝過程中存在卡頓現(xiàn)象,經(jīng)過系統(tǒng)優(yōu)化后第二次實(shí)驗學(xué)生們均能平穩(wěn)運(yùn)行。有13位同學(xué)第二次實(shí)驗用時小于第一次實(shí)驗,占總數(shù)的50%,結(jié)合圖7和圖8可知,在其余實(shí)驗速度未提高的10位同學(xué)中,有8位同學(xué)分?jǐn)?shù)提高了。由此可見,同學(xué)經(jīng)過練習(xí)后提高了操作能力,對知識點(diǎn)的掌握也更牢固。此外,同學(xué)們自己線上實(shí)驗的時間總長度約為26個課時,與一般線下實(shí)驗的老師演示、學(xué)生聽講的一個課時相比,提高的倍數(shù)與學(xué)生人數(shù)相當(dāng)。由于實(shí)驗不存在安全事故隱患,學(xué)生可以獨(dú)立地反復(fù)完成實(shí)驗,多次進(jìn)行仿真實(shí)驗不僅能夠提高操作熟練程度,還能夠幫助學(xué)生主動分析問題、解決問題,牢固所學(xué)理論知識,提高學(xué)生的科研素質(zhì),克服了傳統(tǒng)實(shí)驗中存在的不安全性、高投入、理論知識難以理解等問題,有效地提升了實(shí)驗教學(xué)的質(zhì)量。

圖8 全班前兩次實(shí)驗時長Fig.8 The first two experiment duration in the whole class

3.3 實(shí)驗內(nèi)容分析

一項針對虛擬仿真實(shí)驗的調(diào)查表明,有近20%的學(xué)生表示“非常喜歡”,34%的學(xué)生“喜歡”,但也有16.3%的學(xué)生表示“不喜歡”[13]。究其最主要的原因是有些系統(tǒng)存在交互性差、操作不流暢等問題,導(dǎo)致學(xué)生的體驗感不理想[13]。因此,流暢的操作系統(tǒng)是提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)積極性,提升教學(xué)效果的重要因素。所以系統(tǒng)根據(jù)實(shí)驗內(nèi)容分為4個場景,在系統(tǒng)加載過程中,每一次只加載一個場景,每一個場景又分為多個步驟,總共20個步驟,從而將全部加載所需要的較長等待時間分散在20次中,并與用戶的操作同步,消除了等待感,改善了用戶的體驗,提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和工程實(shí)踐能力。

隨機(jī)選取15號同學(xué)的前兩次實(shí)驗數(shù)據(jù)作具體分析(圖9),第一次實(shí)驗后筆者已對系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化。由圖9可以看出,15號同學(xué)第一次實(shí)驗第2步、第4步、第8步、第15步耗費(fèi)了較多時間。優(yōu)化后耗費(fèi)的時間顯著縮短,其他步驟的耗時也略有降低。可見系統(tǒng)在優(yōu)化前場景的跳轉(zhuǎn)速度、物體移動和動畫的流暢度等均有待提高,優(yōu)化后操作更加流暢。在此基礎(chǔ)上,筆者將繼續(xù)與相關(guān)課程任課教師一起根據(jù)教學(xué)的需要和內(nèi)容,進(jìn)一步深入開發(fā)本系統(tǒng),豐富其功能,優(yōu)化其效果,構(gòu)建更加完善的并條工序?qū)嶒炋摂M仿真系統(tǒng)。

圖9 15號同學(xué)前兩次實(shí)驗每個步驟所用時長Fig.9 The duration of each step in the first twoexperiments of No.15 student

4 結(jié) 論

并條工序?qū)嶒灥慕虒W(xué)模式與信息技術(shù)和實(shí)驗教學(xué)相結(jié)合的新教學(xué)理念不相適應(yīng),而虛擬仿真技術(shù)為傳統(tǒng)實(shí)驗教學(xué)模式的優(yōu)化提供了新方案。本文針對傳統(tǒng)并條工序?qū)嶒炛写嬖诘膯栴},從學(xué)科的教學(xué)需求和內(nèi)容出發(fā),利用Unity 3D搭建了并條工序?qū)嶒炋摂M仿真系統(tǒng),高度還原了FA320A型并條機(jī)整體結(jié)構(gòu)和工作車間,給學(xué)生提供一個經(jīng)濟(jì)實(shí)用且安全的實(shí)驗環(huán)境,使得學(xué)生能夠直觀地觀察并條機(jī)的機(jī)構(gòu)、傳動系統(tǒng)和工作環(huán)境,并且實(shí)現(xiàn)了并條工序?qū)嶒炄鞒滩僮鞯哪M和并條機(jī)運(yùn)行狀態(tài)下中齒輪、棉條等物體的運(yùn)轉(zhuǎn)模擬。通過系統(tǒng)開發(fā)與學(xué)生實(shí)驗測試發(fā)現(xiàn),虛擬仿真系統(tǒng)能夠幫助學(xué)生理解并條工序的任務(wù)和各個并條機(jī)構(gòu)的作用,對保證所有同學(xué)的成績均能達(dá)到較高的水平起到了重要作用;克服了傳統(tǒng)實(shí)驗中存在的不安全性、高投入、理論知識難以理解等問題,有效地提升了實(shí)驗教學(xué)的質(zhì)量;提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和工程實(shí)踐能力。

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