虛擬仿真技術在服裝材料實驗課程中的應用

倪云鳳 孫佳儀 李金嶼 付琳淋 楊允出

（1.浙江理工大學服裝學院，浙江 杭州 310000；2.浙江理工大學國際教育學院，浙江 杭州 310000)

服裝材料學（Clothing Materials Science，CMS）是服裝設計與工程專業中一門重要的專業基礎課程，涉及紡織學、材料學、設計學等多種學科。CMS的教學內容包括書本理論教學和實驗儀器教學。實驗儀器教學基于儀器而開展，因此完備的服裝材料實驗儀器是開展教學的首要條件。然而，現階段實踐教學的儀器購入及維護成本高，新舊版本迭代慢，落后于市場前沿研究。限于儀器數目，大量學生必須分批等待學習，效率較低。因此如何改變傳統實驗課程教學環節的方式，增強學生對實驗的學習興趣，提升學習效率和教學效果是當前需要解決的問題。面對服裝材料實驗教學改革，各高校學者也對此進行了大量的探索與改革[1-4]。

本文利用虛擬仿真技術的優越性，針對目前服裝材料實驗教學的局限性，根據教學目標與要求，將教學實驗內容進行整理分類，進行服裝材料實驗課程教學建設并提出服裝材料虛擬實驗教學系統。通過各種途徑對具體實驗項目知識進行查找與收集，設計線上操作教學平臺，輔助線下實驗課程教學。科學規劃實驗課時與分數考核，提供可以合理量化學習成果的方式，有利于學習效果的整體評定。以“KES織物風格實驗”項目為例，利用Unity3D研發了虛擬實驗教學系統，對系統架構與內容進行設計，實現了線上實踐教學功能，為服裝專業課程改革提供了途徑與方向。

1 傳統服裝材料實驗課程教學現狀分析

服裝材料學實驗課程是一門獨立的實驗課程，教學大綱主要體現在具體實驗內容和考核形式。傳統服裝材料實驗課程主要依靠老師課題講解，學生線下操作的形式，難以提高學生的興趣與積極性，目前存在的問題主要如下：

1.1 實驗指導手冊陳舊，儀器設備更迭慢

一方面實驗指導手冊陳舊，實驗數據缺乏說服力。實驗是根據國家標準進行測定的。但隨著人們認知的增加與技術的發展，其中不合理的條例逐漸被國家有關部門修改，使得日后實驗操作更加科學規范。學校編寫的實驗指導手冊并未及時對相關方面進行修改，造成不必要的實驗偏差，不利于后續實驗數據的研究與分析。另一方面實驗儀器昂貴，設備換代更新慢。對于不同的實驗，實驗室需要配置不同的實驗儀器。實驗儀器的價格從幾千到幾十萬不等，有些甚至達到上百萬，學校投入資金大并且維護成本高。隨著領域新技術的研發，原先所購儀器落后于市場前沿。

1.2 面料選擇單一化，知識理解不透徹

面料的結構與性能是服裝材料教學里面重要的學習環節，通過實驗操作學習，可以加深學生對相關知識的記憶與了解。面對不同的服裝材料實驗，實驗所選擇的面料品種往往是單一的或者固定的幾種面料，這樣操作不利于學生對不同面料結構與性能知識的掌握[5]。

1.3 授課方式落后，學習效率低

在傳統的授課方式中，限于儀器數量，一般會讓學生分組分批進行實驗。教師會在實驗前向學生們講解本次實驗的原理、實驗目的、實驗操作等有關知識，然后進行儀器的操作演示。通常成績是根據小組打分的，因此學生們在小組操作中為了拿到分數很容易機械化地進行實驗操作而不去思考實驗背后的原理，這種教學方式相對自由散漫，無法讓每一位同學都真正接觸到儀器學習到知識。由于儀器運作原理無法形象化地展示出來，也不利于知識的理解與傳播。

2 虛擬仿真實驗教學模式分析

虛擬仿真作為獲取信息和知識的一種新興媒介，具有交互性、沉浸性、虛幻性和逼真性等特點[6]。因此虛擬仿真教學模式作為增強教學培訓和演練的手段，在近年來的教學應用中具有相當優勢。虛擬仿真實驗依托于計算機信息技術，借助三維建模軟件、Unity 3D等創建虛擬實驗系統，在該虛擬教學環境中，學生可以系統地了解各類儀器外觀及原理，并對面料性能各項實驗進行操作與研究，為日后的課程學習以及科研打下堅實的基礎。在提高效率的同時豐富眼界，還可以使用多種研究前沿的儀器，以最新的測試方法對服裝材料進行實驗研究。虛擬仿真實驗教學模式具有以下優勢：

2.1 打破時間空間限制，線上線下相互補充

虛擬仿真教學模式打破了時間和空間的限制，讓做實驗不再受制于成本及人員，實現學生“想學就學、想做就做”的愿望，減少了實驗材料的浪費以及器材大量資金的投入。虛擬實驗作為輔助真實實驗的手段，能夠有效提高學生興趣，幫助知識理解。

2.2 教學內容豐富，知識多元化

通過文字、圖片、視頻、交互等方式來豐富教學手段，避免學生感到枯燥乏味產生走神、學習效率低等現象。進行虛擬實驗時，豐富的面料可供選擇，改變以往傳統教學中單一面料實驗的情況，更加有利于學生對面料知識的理解與記憶。

2.3 沉浸體驗感強，提高學生積極性

虛擬仿真教學模式創造了一個逼真、可交互的三維環境，學生操作實驗即可感受到身臨其境的感覺，激發好奇心，吸引注意力，在有趣的指導下完成整個實驗。將傳統被動的學習模式轉化為以學生為中心的主動學習。

2.4 考核科學合理

結合多位專家的意見以及實驗課程教學大綱的要求，科學合理規劃課程課時與章節時長，避免過長或過短的情況，保證在合理范圍內集中學生的注意力。

將虛擬仿真技術融于服裝材料實驗教學，改變傳統實驗教學中學生被動接受知識的現狀，以學生為中心，引導學生主動探索學習，構建“有趣、有效、有目標”的新型教學模式。

3 服裝材料實驗課程教學建設

3.1 實驗教學內容

在服裝材料課程的實驗教學中，主要內容分為面料結構實驗與面料性能實驗。

面料結構測試包括紗線細度捻度測定、織物經緯密度、織物組織分析、織物質量、織物厚度等內容。面料性能測試包括各類性能實驗，比如面料耐用性能：拉伸性能、耐磨性能、撕破性能、頂破性能。面料舒適性能：保暖性能、冷暖感、透氣性能、透濕性能、吸水性能、干燥性能、防水性能。面料外觀性能：懸垂性能、剛柔性能、抗皺性能。其他服用性能：起毛起球性能、染色性能、燃燒性能、靜電性能、電磁屏蔽性能、抗紫外線性能。織物性能評價：KES織物風格實驗。

3.2 實驗教學項目分析

面料結構測試所用到的儀器基本上是小而操作簡單的儀器，比如織物密度鏡、捻度測試儀、織物厚度測試儀、電子天平等。面料性能測試所用到的則是大而操作復雜的儀器，比如KES織物風格儀、懸垂測試儀、織物透氣量測試儀等。對于操作簡單、上手快，對環境要求不高的小型實驗設備，可在實驗室中快速進行學習。而大型實驗設備價格昂貴、操作復雜，需要在特定的環境中才可以使用，給實驗教學帶來了困難。因此，在考慮時間與精力的前提下，結合課程實驗教學要求，優先選擇面料性能實驗中的復雜實驗進行虛擬仿真。

3.3 虛擬仿真實驗教學系統的規劃

3.3.1 教學系統的項目設計

通過對服裝材料實驗項目的研究與梳理，確立了以面料性能實驗為主的虛擬仿真實驗教學系統的建設方案，設計包含面料耐用性能、面料舒適性能、面料外觀性能、織物性能評價4個方向及其下屬共計15種面料服用性能實驗。如圖1所示。利用虛擬仿真技術的真實性以及交互性的優點，將服裝材料實驗設備的結構、工作原理，操作流程，結果分析等知識系統、形象地展示給學生。通過人機交互的技術手段，增強大家對專業知識的記憶與理解。

圖1 服裝材料虛擬實驗教學系統項目設計圖

3.3.2 教學系統的功能設計

服裝材料虛擬實驗教學系統是集理論學習、交互操作與知識鞏固為一體的實驗教學系統，由用戶登錄、數據庫管理、虛擬實驗教學、練習鞏固、課后小測等模塊組成，系統的功能設計如圖2所示。

圖2 服裝材料虛擬實驗教學系統功能設計圖

根據用戶注冊類型的不同，系統自動分配不同的操作權限；通過數據庫存儲與管理實驗中涉及的各類數據；虛擬實驗教學模塊分為實驗目的、實驗原理、實驗操作和實驗結果，用戶可在各小節中學習了解實驗的基本目的、原理與操作流程，并在系統提示下完成交互實驗，最后根據實驗生成的表格或圖像數據進行實驗結果的分析。在練習鞏固模塊中，用戶可根據實驗數據進行相關指標間曲線的繪制，操作完成后，需進行實驗報告的填寫。學之后進行課后小測，考核學生在相應實驗模塊的知識學習成果，并記錄最終的考核成績。

3.3.3 教學系統的考核設計

對虛擬仿真實驗內容進行課時分配與分數考核設計。同種類型的實驗項目歸入同一章，章節中的每個小節分配1種實驗，共計4章15個課時，每個課時保持在15分鐘內為宜。采用百分制對實驗環節進行考核[7]，對于不同實驗步驟根據側重點分配不同的分數，課后小測題型主要為選擇題，每題得分相同。操作步驟分占比50%，課后小測分占比50%，實驗完成后對這兩項進行加權核分。當總成績沒有達到預期值時，本節則不予通過，可重復進行實驗直至成功通過即可。

4 KES織物風格虛擬仿真實驗教學

織物風格是指織物的外觀特質與穿著服用性能的綜合反映，不僅對服裝穿著舒適和造型美觀有著重要影響，也對服裝的設計、生產及加工以及引導人群消費方面有著重要的作用。KES織物風格儀價格昂貴，操作復雜且學生們不易接觸到，本文選擇通過對織物風格實驗的設計與開發來論證服裝材料虛擬實驗教學系統的可行性。利用3D建模技術，基于Unity 3D平臺設計開發KES織物風格虛擬仿真實驗。三維沉浸式學習可使學生輕松了解儀器外觀及原理，并對服用面料進行各項實驗操作與研究。

4.1 KES織物風格實驗原理

織物風格評價的方式有兩種：主觀評價和客觀評價。主觀評價是通過人工手感目測對織物的風格特征進行評價。客觀評價利用織物風格儀對織物性能進行評價。日本川端季雄設計制造的KES織物風格儀對織物風格評價的影響最大最廣。利用川端系統評價織物風格時，把織物的客觀評定分為3個層次，織物的力學、物理指標，基本風格HV和綜合風格THV[8]。KES織物風格評價體系如圖3所示。

圖3 KES織物風格評價體系圖

KES織物風格系統由FB1-拉伸剪切儀、FB2-彎曲試驗儀、FB3-壓縮儀、FB4-表面摩擦儀及控制計算機組成[9]。實驗選用20cm×20cm織物試樣，按照順序分別測量織物的16個力學、物理指標。計算機軟件根據不同的面料類別選擇不同的計算公式，把這些指標轉換成基本風格值HV[10]。基本風格分為硬挺度、平展度、懸垂度、豐滿度、滑爽度和光滑度6項，每一基本風格值HV代表織物在某一方面的特性。之后再根據綜合風格值THV的計算公式，代入上階段求得的HV,計算出THV。這些數據最終可歸納在手印圖中，對織物的風格進行更加直觀全面的展示。

4.2 KES織物風格實驗平臺搭建

前期通過各類途徑收集織物風格儀器外觀、尺寸等圖文資料，利用3ds Max軟件對儀器進行等比例實物建模。提前對儀器各部件的功能進行梳理，將其中需要進行交互操作的部件單獨建模，如儀器的開關、功能按鈕以及實驗中需要運動的部件等。收集實驗室場景素材，構建包括墻壁、地板、電燈、安全警示海報、實驗臺、面料等物件。場景構建完畢后依次對模型進行面數優化，通過貼圖、烘焙以及光照等手法增添整個實驗環境的真實感，最終將渲染好的模型文件以FBX格式進行保存。最后，將所有文件打包導入Unity 3D中使用。搭建而成的KES織物風格實驗平臺如圖4所示。

圖4 KES織物風格實驗室

在Unity 3D中，使用軟件自帶的UGUI工具來設計整套人機交互界面，實現用戶對整個實驗流程的操作。在交互實驗中，通過點擊KES實驗儀器，觸發UI界面，通過UI界面的選項按鈕對儀器進行操控。將C#語言編寫的腳本綁定在相應的儀器模型上，通過UI觸發事件，實現仿真實驗操作和數據處理。

4.3 KES織物風格實驗操作流程

本文以全棉男士襯衫面料作為實驗對象[11]，利用KES織物風格實驗平臺對面料進行風格測定與評價。具體操作流程如圖5所示。

圖5 KES織物風格實驗操作流程圖

在虛擬實驗教學模塊進行實驗內容的學習（以拉伸實驗為例），操作步驟如下：

（1）在實驗目的與實驗原理環節進行拉伸實驗理論的學習，加深對儀器和實驗原理的理解。

（2）進入實驗操作環節，選擇拉伸實驗，點擊測試，觀察織物在拉力作用下發生的變形。

（3）運動停止后點擊下一步，進入到數據與圖像分析界面，觀察拉伸曲線的變化。

（4）對測得的實驗數據進行學習，了解拉伸線性度、拉伸功、拉伸功恢復率等指標的風格含義以及反映在服用性能上的意義。

（5）重新進入選擇子實驗界面，依次選擇其他實驗——壓縮、彎曲、剪切以及表面摩擦實驗，重復上述步驟，記錄下實驗數據。

KES織物風格實驗部分操作界面如圖6所示。

圖6 KES織物風格實驗部分操作界面

在練習鞏固模塊進行全棉男士襯衫面料風格的評定。繪制數據圖環節導入試樣的各項力學、物理指標值以及硬挺度、滑爽度、平展度和豐滿度4個基本風格值和綜合風格值，自動生成全棉男士襯衫面料風格手印圖，如圖7所示。根據實驗內容填寫實驗報告，如圖8，保存并上交系統進行分數評定。

圖7 棉質襯衫面料風格手印圖

圖8 實驗報告

課后小測模塊會對實驗的重難點、易混淆點進行考察，學生在此進行課后習題作答，檢測學生在交互實驗學習中的學習成果。

5 結論

本文通過虛擬仿真技術，對服裝材料實驗教學系統的框架與功能模塊、用戶界面、實驗項目以及交互方式進行設計，開發并實現了KES織物風格實驗，驗證了基于Unity 3D平臺進行服裝材料實驗教學系統開發的可行性。本實驗教學系統具有直觀性、靈活性和模塊化的特點，為使用者提供簡便、準確、人性化的交互體驗。增強學生對服裝材料實驗課程的學習興趣、提高學習效率、提升教學效果，響應國家將虛擬仿真技術與高校教育有效結合的號召，也是服裝材料學新型實驗教學探索中的一次創新實踐。