針織產(chǎn)品設(shè)計(jì)與織造虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)研究

陸 贊 高偉洪

（上海工程技術(shù)大學(xué)，中國(guó) 上海201620）

0 引言

教育部目前關(guān)于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)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(kāi)展國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)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(kāi)展示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)教育部目建設(shè)的通知》（2017年）[1]。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有強(qiáng)烈的沉浸感，能夠通過(guò)三維場(chǎng)景的仿真建模，使得學(xué)生在授課過(guò)程中高度關(guān)注所學(xué)內(nèi)容，從而提高學(xué)習(xí)熱情。同時(shí)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)能夠改變教師傳統(tǒng)的“注入式”教學(xué)方式，強(qiáng)調(diào)學(xué)生“邊動(dòng)手邊學(xué)”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念，通過(guò)結(jié)合理論預(yù)習(xí)、虛擬仿真操作，以學(xué)生自主學(xué)習(xí)為主，教師指導(dǎo)為輔，幫助學(xué)生獨(dú)立思考所學(xué)知識(shí)內(nèi)容，靈活判斷，最終達(dá)成理論與實(shí)踐的統(tǒng)一。將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)與線(xiàn)上教學(xué)相結(jié)合，可以解決一些傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程開(kāi)展線(xiàn)上教學(xué)困難的處境，同時(shí)也能改善一些實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)成本高、危險(xiǎn)系數(shù)大等問(wèn)題，學(xué)生可以自由自主地在仿真場(chǎng)景中進(jìn)行操作和學(xué)習(xí)。因此，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是學(xué)科專(zhuān)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(jì)與織造實(shí)驗(yàn)教學(xué)背景

近年來(lái)，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(yīng)市場(chǎng)的變化和客戶(hù)的需求。而三維全成形無(wú)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(jì)時(shí)需要通過(guò)多次打樣，并根據(jù)打樣效果進(jìn)行修正后，才能正式投入生產(chǎn)中[2]。而這些專(zhuān)業(yè)知識(shí)在紡織類(lèi)專(zhuān)業(yè)本科教育中并不重視，造成學(xué)生所學(xué)與實(shí)際生產(chǎn)存在偏差。同時(shí)，由于生產(chǎn)三維全成形無(wú)縫針織產(chǎn)品的設(shè)備比較昂貴，有些設(shè)備占地大，教學(xué)成本以及學(xué)生單位操作時(shí)間均無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)課建設(shè)要求。

因此，將三維無(wú)縫針織物產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與織造與紡織類(lèi)專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)相結(jié)合，圍繞三維無(wú)縫針織機(jī)的結(jié)構(gòu)與織造認(rèn)知環(huán)節(jié)、操作流程和考核標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)腳本，再根據(jù)腳本通過(guò)3D仿真、動(dòng)畫(huà)、AR技術(shù)等建設(shè)虛擬實(shí)驗(yàn)室，從而模擬三維無(wú)縫針織物的設(shè)計(jì)與織造過(guò)程，讓學(xué)生更直觀(guān)充分地理解與掌握三維無(wú)縫針織物從設(shè)計(jì)到成品的整個(gè)工藝流程，從而提高學(xué)生的專(zhuān)業(yè)知識(shí)與技術(shù)儲(chǔ)備，能夠讓紡織類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生在就業(yè)過(guò)程中更具競(jìng)爭(zhēng)力。

2 針織產(chǎn)品設(shè)計(jì)與織造虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)

2.1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模塊設(shè)計(jì)

在虛擬仿真系統(tǒng)中，目前設(shè)計(jì)包括學(xué)習(xí)系統(tǒng)、虛擬實(shí)驗(yàn)室以及考核系統(tǒng)三大部分。學(xué)習(xí)系統(tǒng)的主要作用是總結(jié)課堂理論知識(shí)點(diǎn)，幫助學(xué)生自主學(xué)習(xí)，回顧與實(shí)驗(yàn)有關(guān)的內(nèi)容，也方便學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中遇到問(wèn)題時(shí)反過(guò)來(lái)進(jìn)行查漏補(bǔ)缺。本實(shí)驗(yàn)課程主要教學(xué)內(nèi)容涉及三維全成形無(wú)縫針織產(chǎn)品的織物組織設(shè)計(jì)與上機(jī)工藝參數(shù)的設(shè)定。

虛擬實(shí)驗(yàn)室的主要作用是通過(guò)動(dòng)畫(huà)、模型等虛擬方式，幫助學(xué)生更好地理解實(shí)驗(yàn)涉及的所有內(nèi)容。除此之外，學(xué)生能夠根據(jù)預(yù)設(shè)好的條件充分發(fā)揮自己的主觀(guān)能動(dòng)性，結(jié)合所學(xué)內(nèi)容進(jìn)行實(shí)踐操作。三維全成形無(wú)縫針織產(chǎn)品可以由針織電腦橫機(jī)以及圓機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)織造，本專(zhuān)業(yè)針織實(shí)驗(yàn)室中目前配套有德國(guó)STOLL公司的電腦橫機(jī)，以及圣東尼（上海）有限公司的無(wú)縫針織圓機(jī)和襪機(jī)。在虛擬實(shí)驗(yàn)室中，技術(shù)人員根據(jù)實(shí)際設(shè)備中的主要機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)模型，同時(shí)每個(gè)零部件都有相關(guān)說(shuō)明進(jìn)行介紹，讓學(xué)生“隨點(diǎn)隨學(xué)”，理解針織機(jī)內(nèi)部各個(gè)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(xué)生在課上所學(xué)知識(shí)的掌握情況，最終根據(jù)目標(biāo)達(dá)成度來(lái)給出相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)課成績(jī)。學(xué)生需要結(jié)合所學(xué)理論內(nèi)容，在內(nèi)置設(shè)計(jì)界面中實(shí)際操作設(shè)計(jì)織物組織并能夠?qū)︶樋棛C(jī)的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。同時(shí)，學(xué)生在充分認(rèn)知三維無(wú)縫針織物設(shè)計(jì)與織造流程的基礎(chǔ)上進(jìn)行產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，以最終綜合成績(jī)加以考查。

2.2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)組織與實(shí)施

本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)學(xué)習(xí)主要針對(duì)紡織工程專(zhuān)業(yè)大三學(xué)生，學(xué)生已經(jīng)較系統(tǒng)地學(xué)習(xí)紡織材料學(xué)課程以及針織學(xué)和針織學(xué)實(shí)驗(yàn)基本理論和操作流程，因此對(duì)于針織產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、加工工藝的理論及應(yīng)用有深入的理解。本實(shí)驗(yàn)課程主要涉及全成形針織工藝在電腦橫機(jī)與圓機(jī)上的實(shí)現(xiàn)，因此圍繞兩種不同的針織機(jī)械需要設(shè)計(jì)不同的教學(xué)方法，本文以全成形針織產(chǎn)品在電腦橫機(jī)上的設(shè)計(jì)與織造為例來(lái)加以說(shuō)明。

通過(guò)虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)方法，首先在學(xué)習(xí)系統(tǒng)中將全成形針織物的設(shè)計(jì)場(chǎng)景在虛擬軟件中進(jìn)行還原，在該系統(tǒng)中嵌入SDS-ONE APEX3服裝設(shè)計(jì)工作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)全成形針織物紗線(xiàn)原料的選擇、肌理種類(lèi)和面料效果的選擇、針織樣片織造設(shè)計(jì)、基本款式與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、尺寸與花型設(shè)計(jì)等方面的實(shí)訓(xùn)教學(xué)[3]。同時(shí)，在各個(gè)實(shí)訓(xùn)教學(xué)內(nèi)容中分別實(shí)現(xiàn)針型與紗支關(guān)系、肌理和面料效果與織物組織的對(duì)應(yīng)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(xué)生在學(xué)完每部分內(nèi)容后進(jìn)行鞏固加強(qiáng)。

在虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)電腦橫機(jī)的機(jī)架、控制機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、選針和編織機(jī)構(gòu)、搖床換梭機(jī)構(gòu)、送紗機(jī)構(gòu)和牽拉機(jī)構(gòu)等幾大主要結(jié)構(gòu)的建模還原。學(xué)生通過(guò)鼠標(biāo)或者VR眼鏡手柄選中相應(yīng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分解學(xué)習(xí)，了解各個(gè)部分的主要功能，同時(shí)與學(xué)習(xí)系統(tǒng)中的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)。最終，學(xué)生在考核系統(tǒng)中根據(jù)所學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)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(jìn)行打分，并給出模擬編織錯(cuò)誤的修改意見(jiàn)。

2.3 基于虛擬仿真的線(xiàn)上線(xiàn)下混合式教學(xué)

虛擬仿真技術(shù)因其特有屬性往往被用來(lái)作為線(xiàn)下實(shí)踐教學(xué)的補(bǔ)充，存在課時(shí)量少，知識(shí)點(diǎn)不全面等問(wèn)題，利用線(xiàn)上教學(xué)平臺(tái)并結(jié)合虛擬仿真教學(xué)是未來(lái)普及實(shí)踐類(lèi)課程值得思考的方式。目前，部分院校開(kāi)始推廣的“云平臺(tái)+虛擬仿真”的混合式教學(xué)能夠較好地兼顧學(xué)校的自身特點(diǎn)和需求，尤其是一些以工科為主的大專(zhuān)院校[4]。一方面，借助“雨課堂”“超星學(xué)習(xí)通”“藍(lán)墨云班課”等線(xiàn)上平臺(tái)開(kāi)展能夠?qū)崟r(shí)互動(dòng)反饋的教學(xué)；另一方面，在線(xiàn)下利用虛擬仿真課程資源，實(shí)施從理論到虛擬的一體化教學(xué)，最終在線(xiàn)上根據(jù)學(xué)生的虛擬操作視頻來(lái)評(píng)估教學(xué)效果。

基于此類(lèi)教學(xué)模式，針織產(chǎn)品設(shè)計(jì)與織造課程在線(xiàn)上理論教學(xué)的基礎(chǔ)上，通過(guò)線(xiàn)下或者在線(xiàn)形式的虛擬仿真課程對(duì)學(xué)生的理論知識(shí)進(jìn)行考查，同時(shí)結(jié)合虛擬仿真系統(tǒng)中的模擬操作分批讓學(xué)生在線(xiàn)下利用現(xiàn)有的設(shè)備資源進(jìn)行實(shí)物操作，最終實(shí)現(xiàn)“理虛實(shí)”一體化的教學(xué)模式。通過(guò)此類(lèi)模式，能夠在特殊社會(huì)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)實(shí)踐課程的教學(xué)，同時(shí)可以為實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)設(shè)備不足的學(xué)校提供可行的教學(xué)方式，從而深入融合線(xiàn)上資源與傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)。

3 結(jié)論

隨著各院?！靶鹿た啤备母锏牟粩噙M(jìn)步，通過(guò)建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)是加速實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)類(lèi)課程普及的有力措施。對(duì)于紡織工程專(zhuān)業(yè)的學(xué)生而言，針織產(chǎn)品設(shè)計(jì)與織造作為就業(yè)的知識(shí)儲(chǔ)備之一，其教學(xué)效果關(guān)系到學(xué)生的綜合競(jìng)爭(zhēng)力。將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與線(xiàn)上課程相結(jié)合并輔以線(xiàn)下實(shí)踐操作的混合式教學(xué)兼具靈活性與新穎性，能夠在不同外部條件下實(shí)施，同時(shí)也需要通過(guò)持續(xù)的研究去發(fā)現(xiàn)此類(lèi)模式的問(wèn)題和改進(jìn)之處，繼而不斷提升教師現(xiàn)代化教學(xué)能力與創(chuàng)新力。