數(shù)碼印刷教學(xué)中半實(shí)物仿真實(shí)訓(xùn)方案的設(shè)計(jì)與實(shí)踐

張來東

（廣西紡織工業(yè)學(xué)校 廣西南寧 530007）

引言

根據(jù)現(xiàn)實(shí)情況的發(fā)展，提前做好市場(chǎng)的判斷，是每一個(gè)成功企業(yè)家必須要做的事情，而企業(yè)離不開具有創(chuàng)新意識(shí)、基礎(chǔ)技能牢靠的員工，而為這些企業(yè)輸送人才的地方，就是各地高校。如何培養(yǎng)學(xué)生的知識(shí)技能，是整個(gè)教學(xué)過程中不可缺少的一步，在數(shù)碼印刷這個(gè)行業(yè)，具有很多抽象、難以理解的知識(shí)點(diǎn)，這對(duì)教師提出了現(xiàn)實(shí)要求，在實(shí)際教學(xué)過程中，半實(shí)物仿真技術(shù)就派上了用場(chǎng)。

一、半實(shí)物仿真實(shí)訓(xùn)方案提出的背景

印刷術(shù)工業(yè)是中國(guó)主體經(jīng)濟(jì)的一部分，但目前，在印刷術(shù)工作者隊(duì)伍中，接受教育并且具有技術(shù)職稱的人員還不及中國(guó)全部工業(yè)企業(yè)平均水平，同時(shí)從事專業(yè)技術(shù)的人才也還不到全國(guó)在職員工總數(shù)的百分之十六；高技術(shù)人才管理、人才短缺，特別是具有復(fù)合型技術(shù)的高級(jí)技師更為匱乏。這不但嚴(yán)重抑制了包裝印刷產(chǎn)業(yè)整體的提升與發(fā)展，還降低了與全球同行業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)性。據(jù)行業(yè)協(xié)會(huì)預(yù)測(cè)，到二零零五年廣東省地區(qū)印刷包裝產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)率保持在百分之十七以下，人員短缺問題尤為明顯，珠三角地區(qū)印刷包裝產(chǎn)業(yè)在生產(chǎn)工程師中層管理技術(shù)人員開發(fā)設(shè)計(jì)等方面約有十五萬職位虛位以待。目前，雖然國(guó)內(nèi)開設(shè)印刷專業(yè)的院校不少，但在操作技能和動(dòng)手能力方面，實(shí)施理論聯(lián)系實(shí)際的方法培養(yǎng)印刷技術(shù)和高級(jí)維修人員的不多，主要原因是現(xiàn)代印刷設(shè)備價(jià)格昂貴（一套中等彩色數(shù)碼印刷設(shè)備200萬元左右）、結(jié)構(gòu)復(fù)雜精密度高，按照傳統(tǒng)的教學(xué)模式無法讓學(xué)生通過拆裝學(xué)習(xí)設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理和訓(xùn)練維修的技能；并且，由于設(shè)備數(shù)量有限，難以讓多個(gè)學(xué)生同時(shí)進(jìn)行實(shí)訓(xùn)操作，這些都是不利于提高學(xué)生專業(yè)技術(shù)能力的問題[1]。

今天的數(shù)碼打印和以往的機(jī)器制版打印技術(shù)不同，它的內(nèi)容是百分之一百的可變內(nèi)容，流程主要是從電腦到紙上或打印的流程（Computer-to-Paper Print），即通過將數(shù)字文檔/網(wǎng)頁轉(zhuǎn)換成打印品的流程，而最終圖像的生成流程則是完全數(shù)碼式的，不需要其他媒介的參與，現(xiàn)代印刷設(shè)備的科技含量大大提高，新工藝新技術(shù)不斷出現(xiàn)，這也增加了印刷技術(shù)人才培養(yǎng)的難度，在教育資源有限的情況下，怎樣才能滿足實(shí)踐訓(xùn)練的需要，讓更多的學(xué)生通過拆裝設(shè)備，了解設(shè)備的結(jié)構(gòu)，訓(xùn)練對(duì)故障的排除和維修的技能，我們探索的解決方法是運(yùn)用半實(shí)物仿真的方法建立虛擬現(xiàn)實(shí)數(shù)碼印刷的訓(xùn)練環(huán)境，開創(chuàng)新的教學(xué)模式。

二、半實(shí)物仿真系統(tǒng)定義

實(shí)物模擬，也叫做硬件在電路中的模擬（Hardware in the Loop Simulation），是指在仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的模擬電路中接入部分實(shí)物設(shè)備的實(shí)時(shí)模擬。實(shí)時(shí)性也是進(jìn)行實(shí)物模擬的必要前提條件。實(shí)模擬和其它類型的模擬方式一樣有著經(jīng)濟(jì)地達(dá)到更高真實(shí)度的可行性。從系統(tǒng)的設(shè)計(jì)觀點(diǎn)出發(fā)，由于實(shí)物仿真可以在軟件系統(tǒng)中接入部分實(shí)體，意味著能夠?qū)⑦@部分實(shí)體置于整個(gè)信息系統(tǒng)中加以考慮，以便使部件能夠在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)總體性能指標(biāo)的環(huán)境中進(jìn)行試驗(yàn)，所以實(shí)物仿真是進(jìn)一步提高軟件系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)的安全性和研制產(chǎn)品質(zhì)量的必要手段[2]。

三、實(shí)物模擬系統(tǒng)的基本構(gòu)造和設(shè)計(jì)

實(shí)物模擬系統(tǒng)屬于數(shù)字模擬系統(tǒng)。這是一個(gè)智能硬件內(nèi)在環(huán)實(shí)時(shí)技術(shù)控制系統(tǒng)，將實(shí)體設(shè)備利用計(jì)算機(jī)接口植入到軟件環(huán)境中去，它規(guī)定了整個(gè)系統(tǒng)的軟體與硬件之間都要即時(shí)工作，以便模擬整個(gè)軟件系統(tǒng)的工作狀況，實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)主要由如下幾部分構(gòu)成。

1.仿真計(jì)算機(jī)

模擬計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是數(shù)字模擬系統(tǒng)的核心組成部分，它執(zhí)行實(shí)體對(duì)象和模擬環(huán)境的數(shù)學(xué)模型和編程。一般來說，可以利用多層次、模塊化的建模法，把模塊化程序分割為不同的速度塊，在模擬計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中按速度塊實(shí)時(shí)調(diào)度執(zhí)行任務(wù)。對(duì)復(fù)雜的大型模擬系統(tǒng)
可以通過多臺(tái)計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)，實(shí)時(shí)執(zhí)行。這也是實(shí)現(xiàn)實(shí)物模擬的巨大關(guān)鍵，也是必不可少的基礎(chǔ)設(shè)備[3]。

2.物理效應(yīng)設(shè)備

物理效應(yīng)裝置的主要功能就是通過仿真復(fù)現(xiàn)了真實(shí)世界中的物理學(xué)環(huán)境條件，從而構(gòu)成仿真自然環(huán)境或稱虛幻自然環(huán)境。物理效應(yīng)裝置可以實(shí)現(xiàn)的技術(shù)路線有很多，方法之一是引入伺服控制電路，再利用伺服控制電路控制產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的物理量，方法二是已儲(chǔ)存好的數(shù)據(jù)庫(kù)，轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的物理量。

3.接口設(shè)備

仿真計(jì)算機(jī)輸入輸出中的驅(qū)動(dòng)信息經(jīng)接口轉(zhuǎn)換后，驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的物理效應(yīng)裝置。接口裝置同時(shí)將操縱人員以及實(shí)物系統(tǒng)中的控制輸入等信息饋入模擬電腦。在模擬計(jì)算機(jī)中利用對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)體系和周圍環(huán)境的模型解算，可以得到體系和周圍環(huán)境中的各項(xiàng)基本參數(shù)。對(duì)于半實(shí)物化模擬系統(tǒng)，根據(jù)上述參數(shù)可以利用物理效應(yīng)裝置形成傳感器所要求的測(cè)量環(huán)境，并由此形成整體的閉環(huán)化模擬體系。由于物理效應(yīng)裝置是實(shí)現(xiàn)整個(gè)模擬體系所必須的中間環(huán)節(jié)，它們的動(dòng)作特征、靜態(tài)特征以及時(shí)間延遲等都將對(duì)模擬體系的置信度和精度產(chǎn)生重大影響，因此需要有更嚴(yán)格的具體性能指標(biāo)規(guī)定[4]。

四、數(shù)碼印刷教學(xué)現(xiàn)狀

目前，中國(guó)境內(nèi)不但數(shù)字印刷技術(shù)和外國(guó)的數(shù)字印制技術(shù)有很大的差異，同時(shí)對(duì)數(shù)字印制的人才培養(yǎng)水平也基本處于空白。而數(shù)字印制技術(shù)作為數(shù)字印制的核心學(xué)科，在許多印制類專業(yè)中并沒有設(shè)置該門學(xué)科，而僅僅作為印制工藝教學(xué)中的一個(gè)章節(jié)簡(jiǎn)單講述。也有部分印制學(xué)?？紤]到了數(shù)字印制教學(xué)基礎(chǔ)的重要性，而設(shè)立了該門課程，不過在課程設(shè)置上也往往傾向于基礎(chǔ)理論而不重視實(shí)踐課程，而是根據(jù)學(xué)校當(dāng)前的實(shí)際狀況，進(jìn)行數(shù)字印制教學(xué)基礎(chǔ)理論和實(shí)踐課程的綜合研究，對(duì)培育具備相應(yīng)基礎(chǔ)知識(shí)并同時(shí)具有一定操作技能的數(shù)碼印制人員來說有著重大的意義[5]。

五、半實(shí)物仿真實(shí)訓(xùn)方案設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)

虛擬現(xiàn)實(shí)思想的源頭，可追蹤至一九六五年在美國(guó)IFIP大會(huì)上發(fā)表的名為《終極的顯示》的研究報(bào)告，該報(bào)告提出了把計(jì)算機(jī)屏幕作為《觀看虛擬世界的窗口》，其設(shè)想是：利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)構(gòu)造一個(gè)讓使用者“看起來景物真實(shí)運(yùn)用真實(shí)聲音真實(shí)感覺真實(shí)”的世界。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)運(yùn)用于學(xué)校教學(xué)中是教育科技發(fā)展的一次飛躍。從教學(xué)理論上來說，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種富有真實(shí)感的交互式人機(jī)界面，人可以利用各種感官渠道與之進(jìn)行信息互動(dòng)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)達(dá)到人的臨場(chǎng)化，以及參加者和虛擬現(xiàn)實(shí)周圍環(huán)境之間的交互作用、相互影響的一種整體的二個(gè)方面，它營(yíng)造了由學(xué)習(xí)者利用自己與信息和周圍環(huán)境之間的互動(dòng)來獲取認(rèn)知技能的全新教學(xué)方法。

六、實(shí)訓(xùn)方案的設(shè)計(jì)和實(shí)踐

數(shù)碼印刷的虛擬訓(xùn)練采用半實(shí)物仿真的方法綜合運(yùn)用人機(jī)交互與多媒體集成寬帶網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)控制技術(shù)，充分發(fā)揮現(xiàn)代信息技術(shù)的集成性、可視性和交互性。通過超文本圖形圖像動(dòng)畫視頻聲音等多媒體形式，展現(xiàn)那些在傳統(tǒng)的教學(xué)模式中難以講授和訓(xùn)練的教學(xué)過程。通過虛擬現(xiàn)實(shí)科技，學(xué)員們可以在虛幻環(huán)境中“親自體會(huì)”對(duì)仿真裝置的拆裝，大大減少經(jīng)費(fèi)的投入。虛擬實(shí)訓(xùn)不僅能夠減少實(shí)際培訓(xùn)的時(shí)間，還能夠達(dá)到更加直觀逼真的效果，并可以對(duì)一些不可視的因素和難以重組的精密裝置進(jìn)作仿真實(shí)訓(xùn)[6]。

數(shù)碼印刷的虛擬半實(shí)物仿真訓(xùn)練包括：圖形圖像設(shè)計(jì)軟件、FIERY數(shù)碼印刷軟件系統(tǒng)、DC數(shù)碼印刷硬件系統(tǒng)，三部分形成一個(gè)從圖形圖像設(shè)計(jì)處理到最終完成印刷成品制作整個(gè)步驟的虛擬系統(tǒng)，讓學(xué)生掌握印前印中印后，以及印刷中排除故障和機(jī)器維修的能力。

1.DC數(shù)碼印刷機(jī)硬件系統(tǒng)的建模

利用建模軟件如3DMAX MAYA等對(duì)數(shù)碼印刷設(shè)備每個(gè)部分進(jìn)行數(shù)字建模，形成三維圖像導(dǎo)入VR虛擬系統(tǒng)。DC型數(shù)碼印刷機(jī)的組成原理及虛擬訓(xùn)練界面[7]。

2.360度全景瀏覽圖的虛擬設(shè)計(jì)

印刷設(shè)備的逐層剖析結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用基于圖像的VR建模和360度瀏覽全景圖、利用VR虛擬系統(tǒng)可對(duì)設(shè)備每部分分層拆裝。虛擬實(shí)景空間BVS（Image-Based Virtual Space）是以朵集現(xiàn)實(shí)世界的實(shí)景圖像或視頻為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)建立起的具有三維操縱能力的虛擬空間，它的基礎(chǔ)是全景圖。全景圖相當(dāng)于實(shí)訓(xùn)方案的效果，讓學(xué)生充分了解機(jī)械結(jié)構(gòu)，通過虛擬環(huán)境對(duì)設(shè)備進(jìn)行無損耗安全的拆裝訓(xùn)練，學(xué)生能夠同時(shí)通過虛擬環(huán)境學(xué)習(xí)整個(gè)印刷工藝系統(tǒng)的實(shí)操過程，而不需全部學(xué)生全過程都在實(shí)際設(shè)備上進(jìn)行操作，其他院校也可通過網(wǎng)絡(luò)接受遠(yuǎn)程訓(xùn)練，以達(dá)到資源共享，可以人為地設(shè)置印刷設(shè)備故障點(diǎn)，訓(xùn)練分析和排除故障的技能，如：在不同的走紙路線位置卡。紙紙張屬性與設(shè)置不符碳粉不足傳輸帶偏移等，并可對(duì)機(jī)械硬件故障進(jìn)行模擬維修。面對(duì)國(guó)家提出的加快培養(yǎng)高技能人才的要求，目前國(guó)家未制定出數(shù)碼印刷技術(shù)技能監(jiān)測(cè)考核題庫(kù)，也未能找到合適的訓(xùn)練考核方式，虛擬技術(shù)的引進(jìn)是一個(gè)良好的解決方案[8]。

七、在實(shí)際運(yùn)用中注意的要點(diǎn)

1.采用靈活的教學(xué)手段

現(xiàn)代的教學(xué)模式和技術(shù)手段也有許多，在實(shí)際的課堂教學(xué)中，往往需要根據(jù)不同的課程特色來選用。對(duì)于教學(xué)抽象或理論性較強(qiáng)的課程，如各種類型的數(shù)碼印制原理，可以適當(dāng)引入多媒體，通過與圖像、動(dòng)漫等的結(jié)合直接表現(xiàn)某些教師無法用語言表達(dá)或?qū)W習(xí)者不易掌握的概念、基本原理等，使教學(xué)更生動(dòng)活潑風(fēng)趣，便于掌握，同時(shí)還有助于培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。在講解數(shù)碼印制操作流程的具體內(nèi)容時(shí)，適當(dāng)結(jié)合操作錄像和虛擬動(dòng)漫等，使講解過程更生動(dòng)活潑風(fēng)趣，更接近于生產(chǎn)實(shí)踐，讓學(xué)習(xí)者印象更加深刻，對(duì)訓(xùn)練學(xué)習(xí)者的創(chuàng)造性思路也有很大幫助。此外，學(xué)校為提高學(xué)員的業(yè)余主動(dòng)學(xué)習(xí)能力和主觀積極性，并充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，還利用互聯(lián)網(wǎng)向?qū)W員提供了大量的電子學(xué)習(xí)資料，包括課件、電子圖書以及有關(guān)的專業(yè)網(wǎng)頁鏈接，如必勝網(wǎng)等，以供學(xué)員在課外的時(shí)候充分利用網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，了解數(shù)字印刷的發(fā)展、工藝技術(shù)、市場(chǎng)等，從而為學(xué)生的自主掌握提供一個(gè)更加優(yōu)越的條件，吸引學(xué)生的注意力，為學(xué)生接下來的學(xué)習(xí)提供動(dòng)力，對(duì)于很難理解的知識(shí)點(diǎn)，可以通過巧妙的手段讓學(xué)生記住[9]。

2.選擇合適的教學(xué)方法

課堂中老師首先要充分調(diào)動(dòng)學(xué)生對(duì)讀書的興趣，并鼓勵(lì)和引領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)，唯有如此方可提升課堂的實(shí)效性。要使學(xué)習(xí)者從被動(dòng)學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)樽灾鲗W(xué)習(xí)，就需要將以下幾種教學(xué)模式結(jié)合穿插運(yùn)用。對(duì)比教學(xué)法。傳統(tǒng)印刷和數(shù)字印刷從生產(chǎn)特征、使用范圍、印制機(jī)理、印制過程等多方位進(jìn)行對(duì)照式教育，讓學(xué)習(xí)者系統(tǒng)地了解到傳統(tǒng)印刷和數(shù)字印刷之間的差異和聯(lián)系，從而更深層次了解傳統(tǒng)數(shù)字印刷的優(yōu)點(diǎn)和未來發(fā)展的巨大潛力，增強(qiáng)學(xué)習(xí)者對(duì)數(shù)字印刷的重視。項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)法。項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)在該課題中主要進(jìn)行實(shí)踐性教育，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散式思考能力和學(xué)習(xí)積極性，有著重大的作用。而實(shí)驗(yàn)課程則主要介紹實(shí)際制作項(xiàng)目，讓學(xué)生通過具體要求，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)和完成實(shí)驗(yàn)作業(yè)，從而訓(xùn)練學(xué)生的創(chuàng)造思想和學(xué)習(xí)技能。交互式教學(xué)法。在課堂教學(xué)過程中，重視教師與學(xué)生之間的溝通，防止老師單方面、填鴨式的灌輸方式。以學(xué)生為主導(dǎo)，掌握學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和本門課程的重難點(diǎn)，并針對(duì)情況進(jìn)行課程調(diào)整，以改善課堂教學(xué)。這不僅能讓學(xué)生學(xué)會(huì)交流，學(xué)會(huì)與教師交流，增強(qiáng)自己的交流能力，同時(shí)也能了解學(xué)生學(xué)習(xí)情況，對(duì)接下來的學(xué)習(xí)，提供現(xiàn)實(shí)的依據(jù)。

結(jié)語

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)入印刷技術(shù)訓(xùn)練的研究將對(duì)探索發(fā)展現(xiàn)代教育思想、提高教育技術(shù)水平、改善實(shí)訓(xùn)環(huán)境、優(yōu)化教學(xué)過程、培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力的人才產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響；能充分發(fā)揮虛擬技術(shù)的集成性、控制性和交互性的特點(diǎn)，這種方式還可向網(wǎng)絡(luò)學(xué)校虛擬教育延伸。