針織產(chǎn)品設(shè)計虛擬仿真實驗教學建設(shè)

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【摘要】在當前復雜社會背景條件下所引領(lǐng)的在線教學課程大規(guī)模建設(shè)以及高等教育信息化建設(shè)中，對于紡織工程專業(yè)下針織產(chǎn)品設(shè)計與織造實驗課程既是挑戰(zhàn)又是機遇。文章首先就虛擬仿真實驗教學的相關(guān)概念進行梳理，并在此基礎(chǔ)上從實驗教學內(nèi)容、實驗教學方法、線上線下混合式教學等方面對針織產(chǎn)品設(shè)計與織造虛擬仿真實驗課程的建設(shè)提出全新的課程實施方案，從而提高學生的專業(yè)知識與技術(shù)儲備，培養(yǎng)更具競爭力的工科人才。

【關(guān)鍵詞】紡織工程；針織產(chǎn)品；虛擬仿真；新工科

引言

教育部目前關(guān)于虛擬仿真實驗教學建設(shè)要求主要有：《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011—2020年）》《關(guān)于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設(shè)工作的通知》（2013年）以及《教育部辦公廳關(guān)于2017—2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學項教育部目建設(shè)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(guān)注所學內(nèi)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(tǒng)的“注入式”教學方式，強調(diào)學生“邊動手邊學”的實驗教學理念，通過結(jié)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(nèi)容，靈活判斷，最終達成理論與實踐的統(tǒng)一。將虛擬仿真實驗教學與線上教學相結(jié)合，可以解決一些傳統(tǒng)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(shù)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(yè)與信息技術(shù)深度融合的產(chǎn)物。

1針織產(chǎn)品設(shè)計與織造實驗教學背景

近年來，隨著針織工業(yè)在世界范圍內(nèi)發(fā)展迅速，針織產(chǎn)品變化多、更新快、生產(chǎn)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(xiàn)，除了能減少產(chǎn)品的生產(chǎn)流程，也為客制化針織產(chǎn)品的發(fā)展提供了技術(shù)基礎(chǔ)。但是三維針織物由于產(chǎn)品組織與結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)針織物有別，新產(chǎn)品在設(shè)計時需要通過多次打樣，并根據(jù)打樣效果進行修正后，才能正式投入生產(chǎn)中[2]。而這些專業(yè)知識在紡織類專業(yè)本科教育中并不重視，造成學生所學與實際生產(chǎn)存在偏差。同時，由于生產(chǎn)三維全成形無縫針織產(chǎn)品的設(shè)備比較昂貴，有些設(shè)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(shè)要求。因此，將三維無縫針織物產(chǎn)品的設(shè)計與織造與紡織類專業(yè)人才培養(yǎng)相結(jié)合，圍繞三維無縫針織機的結(jié)構(gòu)與織造認知環(huán)節(jié)、操作流程和考核標準設(shè)計腳本，再根據(jù)腳本通過3D仿真、動畫、AR技術(shù)等建設(shè)虛擬實驗室，從而模擬三維無縫針織物的設(shè)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(shè)計到成品的整個工藝流程，從而提高學生的專業(yè)知識與技術(shù)儲備，能夠讓紡織類專業(yè)學生在就業(yè)過程中更具競爭力。

2針織產(chǎn)品設(shè)計與織造虛擬仿真實驗教學建設(shè)

2.1虛擬仿真實驗教學模塊設(shè)計

在虛擬仿真系統(tǒng)中，目前設(shè)計包括學習系統(tǒng)、虛擬實驗室以及考核系統(tǒng)三大部分。學習系統(tǒng)的主要作用是總結(jié)課堂理論知識點，幫助學生自主學習，回顧與實驗有關(guān)的內(nèi)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(nèi)容涉及三維全成形無縫針織產(chǎn)品的織物組織設(shè)計與上機工藝參數(shù)的設(shè)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(nèi)容。除此之外，學生能夠根據(jù)預設(shè)好的條件充分發(fā)揮自己的主觀能動性，結(jié)合所學內(nèi)容進行實踐操作。三維全成形無縫針織產(chǎn)品可以由針織電腦橫機以及圓機來實現(xiàn)織造，本專業(yè)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(shù)人員根據(jù)實際設(shè)備中的主要機構(gòu)設(shè)計模型，同時每個零部件都有相關(guān)說明進行介紹，讓學生“隨點隨學”，理解針織機內(nèi)部各個功能部件的結(jié)構(gòu)與作用。考核系統(tǒng)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(jù)目標達成度來給出相應的實驗課成績。學生需要結(jié)合所學理論內(nèi)容，在內(nèi)置設(shè)計界面中實際操作設(shè)計織物組織并能夠?qū)︶樋棛C的相關(guān)參數(shù)進行設(shè)定。同時，學生在充分認知三維無縫針織物設(shè)計與織造流程的基礎(chǔ)上進行產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)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(tǒng)學習主要針對紡織工程專業(yè)大三學生，學生已經(jīng)較系統(tǒng)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(chǎn)品的設(shè)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(xiàn)，因此圍繞兩種不同的針織機械需要設(shè)計不同的教學方法，本文以全成形針織產(chǎn)品在電腦橫機上的設(shè)計與織造為例來加以說明。通過虛實結(jié)合的教學方法，首先在學習系統(tǒng)中將全成形針織物的設(shè)計場景在虛擬軟件中進行還原，在該系統(tǒng)中嵌入SDS-ONEAPEX3服裝設(shè)計工作系統(tǒng)，實現(xiàn)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(shè)計、基本款式與結(jié)構(gòu)設(shè)計、尺寸與花型設(shè)計等方面的實訓教學[3]。同時，在各個實訓教學內(nèi)容中分別實現(xiàn)針型與紗支關(guān)系、肌理和面料效果與織物組織的對應關(guān)系、不同織物結(jié)構(gòu)和花型的織造工藝參數(shù)的階段性考核，讓學生在學完每部分內(nèi)容后進行鞏固加強。在虛擬實驗室系統(tǒng)中，實現(xiàn)電腦橫機的機架、控制機構(gòu)、傳動機構(gòu)、選針和編織機構(gòu)、搖床換梭機構(gòu)、送紗機構(gòu)和牽拉機構(gòu)等幾大主要結(jié)構(gòu)的建模還原。學生通過鼠標或者VR眼鏡手柄選中相應結(jié)構(gòu)進行分解學習，了解各個部分的主要功能，同時與學習系統(tǒng)中的相關(guān)知識點進行聯(lián)動。最終，學生在考核系統(tǒng)中根據(jù)所學內(nèi)容設(shè)計一款全成形針織產(chǎn)品，系統(tǒng)根據(jù)SDS-ONE編程系統(tǒng)中反饋出的結(jié)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(shù)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(jié)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?qū)崟r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(jù)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(chǎn)品設(shè)計與織造課程在線上理論教學的基礎(chǔ)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(jié)合虛擬仿真系統(tǒng)中的模擬操作分批讓學生在線下利用現(xiàn)有的設(shè)備資源進行實物操作，最終實現(xiàn)“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(huán)境下實現(xiàn)實踐課程的教學，同時可以為實驗實訓設(shè)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(tǒng)實踐教學。

3結(jié)論

隨著各院校“新工科”改革的不斷進步，通過建設(shè)虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)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(yè)的學生而言，針織產(chǎn)品設(shè)計與織造作為就業(yè)的知識儲備之一，其教學效果關(guān)系到學生的綜合競爭力。將虛擬仿真實驗與線上課程相結(jié)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(xù)的研究去發(fā)現(xiàn)此類模式的問題和改進之處，繼而不斷提升教師現(xiàn)代化教學能力與創(chuàng)新力。

【參考文獻】

[1]何修傳.藝術(shù)設(shè)計專業(yè)線上虛擬仿真實驗教學探析[J].藝術(shù)教育，2020（10）：190-193.

[2]張哲.無縫針織物設(shè)計效果模擬展示系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[D].上海：東華大學，2011.

[3]鄭興昱，袁蓉.基于針織全成形電腦橫機智能技術(shù)的應用設(shè)計[J].上海紡織科技，2019，47（1）：1-5.

[4]仇清海，肖蘇慧.“云平臺+虛擬仿真”信息技術(shù)手段在高職專業(yè)課混合式教學中的應用研究[J].教育教學論壇，2019（32）：235-236.

作者：陸贊 高偉洪 單位：上海工程技術(shù)大學