虚拟实验在纺织实验教学中的应用

孙启龙，蔡莹莹，王 茹，姚理荣，叶 伟，严雪峰

(南通大学 纺织服装学院，江苏 南通 226019)

纺织产业是我国国民经济传统支柱产业、重要的民生产业、国际竞争优势明显的产业。近年来，在新科技革命和新产业革命的推动下，纺织产业正孕育革命性的变革。发达国家对高性能纤维、产业用纺织品、纤维增强复合材料等高技术含量和高附加值的纺织产品密切关注，纺织产业也成为我国战略性新兴产业的重要组成部分。在此背景下，必须提升纺织专业教育教学水平和人才培养质量，建立一支适应纺织科技发展需要的人才队伍。扎实的纺织专业理论知识是培养高质量纺织人才的起点，而纺织实验教学是加深对理论知识理解和培养实际操作能力的有效手段。我国大部分纺织类高校都存在着实验经费投入不足的情况，而且纺织体系涉及多样化的纺织系统，工艺流程长，设备机台多，相互差异大，导致纺织工程专业实践教学设备匮乏[1]。此外，由于实验教学场地和学时的限制，学生难以进行有效的预习和反复操作练习，不利于教学内容的巩固和实践技能的培养。随着高校招生规模的扩大，更加凸显出实验教学条件建设的不足，势必对学生学习效果造成影响，而虚拟实验的出现为弥补传统纺织实验教学中的不足提供了一种新的解决方案。

一、 虚拟实验辅助实验教学的优势

随着计算机技术的发展，人们越来越重视将计算机技术应用于教育教学中，尤其是将虚拟实验引入实验教学，改变实验教学现状，提高实验教学效果[2]。虚拟实验是指在计算机系统中采用虚拟现实技术实现的各种虚拟实验环境,实验者可以像在真实的环境中一样完成各种预定的实验项目,并取得良好的学习或训练效果。目前虚拟实验已经在不少高校得到应用，国防科技大学建立了“冲压发动机”虚拟实验，解决了传统实验中高风险、高费用、低参与度等问题[3]；广州体育学院建立了“运动生理学”虚拟实验，使很多平时由于仪器、经费、难度等原因而无法开设的实验得以开展[4]；西南大学建立了非织造与纺丝综合机的虚拟实验，突破了开机成本高、学生人数多、危险性大的限制，对传统实验教学起到了有力的补充作用[5]；湖南工程学院建立了“测色与计算机配色”虚拟实验，促进了学生对测色与配色基本原理的掌握和运用[6]。

在纺织实验教学中开展虚拟实验辅助教学具有以下优点：(1)灵活性。传统的纺织实验教学受到时间和地点的限制，必须在实验车间和实验室中完成实际操作，学生无法灵活地安排学习时间。虚拟实验可以由学生自由安排时间，实验操作不再拘泥于实验室，只需要运行虚拟软件即可，具有高度的灵活性。(2)自主性。传统的纺织实验教学以教师讲授为主，学生在学习中处于被动状态，而在虚拟实验中学生自主模拟实验操作，更有针对性。(3)高效率。传统的纺织实验教学往往在实验前需要做大量的实验准备工作，如实验材料准备、设备调试等，消耗大量精力，导致教学效率低下。实验中还会遇到实验材料需求量大、实验成本高、实验重复次数有限的问题，虚拟实验能够使学生在接触实际操作之前提前进入虚拟的实验氛围，掌握必要的基础理论和知识，在真正动手实践操作中能够更加顺利地完成实验教学进程。此外，学生可以独立自主地反复模拟操作，以加深对理论知识的理解。

二、 虚拟实验的建设方法

随着科技的进步，虚拟实验建设方法呈现出多样化的态势。常见的方法有以下几种。

1. 2D建模

以图片和短视频为素材，利用Flash软件组织各种多媒体素材，完成实验过程的模拟和操作。虚拟系统中可以设置文字、语音等的操作提示和帮助，辅助学习者完成实验。这种类型的虚拟实验具有建设成本低、操作简单的优点。但是由于2D建模素材大多为平面素材，学习者只能按既定视角或顺序进行观察和学习；此外，系统中的动画为预先设定的，缺乏交互性。这种方法适用于操作环境简单和操作程序不复杂的实验，例如单纱强伸性能测试、电子式纤维拉伸性能测试、辊轴式纤维摩擦因数测试等实验。

2. 3D建模

采用3D建模软件对实验设备进行建模，学习者可以从多视角了解设备，甚至可以完全展示设备内部结构。但是进行模拟实验的必要条件是3D建模软件的使用，所以具有较高的门槛，并且学习者与系统之间的交互性较弱。这种方法适用于需要详细了解设备仪器结构和原理的实验，例如梳棉机工艺与设备，精梳机分离、接合，络筒、并纱、倍捻设备结构与原理等实验。

3. VR建模

VR(Virtual Reality)建模[10]，即虚拟现实建模，可以建立真实实验场景模型或虚构的三维实验场景。在最新的VR模型中，不但可以有静态的物体，还可以使物体具有旋转、滚动、改变颜色和大小等运动属性，虚拟实验中的物体依据现实运动规律运动，学习者对模拟实验中的设备进行操作，可以从模拟实验中得到类似于真实实验的反馈。学习者可通过多角度全方位地对实验设备进行观察，寻找实验规律，解决问题，能够最大限度地发挥学习者的主观能动性，提高学习效率。但是VR建模工作量大，对硬件也具有很高的要求，需要3D扫描仪、3D展示系统以及声音设备和交互设备等特殊设备。这种方法适合于实验环境复杂、交互性强、系统化程度高的实验，例如梳棉实验、纺纱实验等。

三、 虚拟实验辅助教学的实践

1. 纺织工程专业虚拟实验体系建设

针对我校(南通大学)纺织工程专业的课程设置特点，拟按照如图1所示的体系建设纺织工程专业虚拟实验。该虚拟实验体系分为基础实验、专业实验和生产实验三个层次：(1)基础实验主要来自“纺织材料实验”课程，以小型性能测试实验为主，所用设备简单，场景单一，可采用2D建模；(2)专业实验来自“纺纱学”“织造学”“针织学”等专业主干课程，课程中需要对设备结构、工艺流程等进行详细讲解，所以在虚拟实验中需对设备结构、运动模式等进行详细剖析，辅助学生对设备各主要部件作用和部件间配合运动进行学习，可采用3D建模；(3)生产实验主要对应生产实习，例如并条实习、粗纱实习、细纱实习、织造实习等涉及多项实际操作，而且实验环境为车间，存在多项安全隐患，需要考虑与环境的交互性，可采用VR建模。目前，我校虚拟实验建设尚处于起步阶段，主要建设内容为基础实验和专业实验。

2. 虚拟实验辅助教学案例

本文以专业基础实验中单纱强伸性能测试实验为例，进行虚拟实验辅助教学和常规实验教学对比。单纱强伸性能测试实验是“纺织材料实验”规定的实验项目，要求学生理解单纱强力和断裂伸长的含义，掌握单纱强力仪的基本作原理和测试操作方法。其测试操作程序为：实验准备→参数设置→牵引试样和张力调整→测试和数据记录。

图1 纺织工程专业虚拟实验体系

本实验所使用的单纱强伸性能测试虚拟实验由Photoshop软件重建单纱强力测试设备和测试场景，采用Adobe Flash再现了测试操作过程。本研究随机选取纺织工程专业2018级学生30人，分为2组，一组为常规教学组，另一组为虚拟实验辅助教学组，对完成理论学习和实验操作的学生进行实操考核，采用正确完成一组强伸测试实验所需时间来衡量教学效果。教学过程及教学效果如表1所示。

表1 常规实验教学与虚拟实验辅助教学过程及教学效果

由表1可知，虚拟实验辅助教学与常规实验教学相比具有更高的教学效率，可以有效地缩短学生对设备的适应时间，虚拟实验辅助教学完成一组单纱强伸性能测试实验所需时间与对照组相比缩短了18.1%。

四、 结语

针对目前纺织类高校实验设备欠缺的问题，提出了虚拟实验的解决方案，系统分析了纺织实验教学中虚拟实验的优势，介绍了常见的虚拟实验建设方法及其所适用的纺织实验类型。通过对比实验，验证了虚拟实验在实验教学中的作用。目前虚拟实验还存在一些问题，例如实验中操作不当造成的危险、仪器损坏、突发状况等难以得到完全体现。所以现阶段虚拟实验还不能完全替代真实实验，但是作为一个有效的辅助教学手段，与真实实验相结合可以取长补短，提高教学效率。