在纺织工程相关专业开设虚拟仿真实验的探索——以苏州大学纺织与服装工程学院为例

王 萍，张 岩，李媛媛，赵荟菁

(苏州大学 纺织与服装工程学院，江苏 苏州 215000)

一、 在纺织工程专业开设虚拟仿真实验教学的必要性

针对纺织专业创新型人才缺乏、综合创新能力较弱等问题，《工业和信息化部关于印发纺织工业发展规划(2016—2020年)的通知》[1]中提出，要“完善实用技能型、创新型、复合型等多层次人才培养的纺织人才培育体系”。因此，研究并应用新型工程教育信息化方法，及时应对纺织行业发展新要求，适应新时代纺织服装产业对工程技术人才的需求，是纺织相关专业教育需要认真思考的问题[2-3]。

教学信息化是教育信息化的核心内容和重要形式。现阶段信息技术已经渗透到教育的各个环节[4]。在硬件方面，传统的黑板+粉笔已经逐步被教学一体机、智慧黑板、智慧教室等信息化硬件设备取代；在软件方面，雨课堂、智慧课堂、互动课堂等一系列教学软件层出不穷，可以让教师采用多媒体手段轻松教学、趣味教学，提高学生的课堂参与度；在教学形式方面，翻转课堂、慕课、微课等新型教学形式改变了教师的教学方式和学生的学习方式，让教师摆脱填鸭式教学，提高了学生学习主动性，使学生的学习更具个性化、丰富性、多样化。虚拟仿真实验教学是高等教育信息化建设和实验教学示范中心建设的重要内容，是学科专业与信息技术深度融合的产物。教育部于2013年正式启动了国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作，取得了积极的反响和良好效果[5]。我校(苏州大学)立足于纺织与服装设计国家级实验教学示范中心申报的纺织与服装虚拟仿真实验教学中心成为教育部2014年批准建设的100个国家级虚拟仿真实验教学中心之一[6]。

纺织工程专业的实践性极强。纺织生产工序多、流程长，加工设备结构复杂、占地面积大、价格昂贵、维护成本高。目前纺织企业的生存压力和竞争压力日益增大，纺织类高校的经费紧张，实验材料价格上涨等，导致纺织类专业的实验课时一再压缩，部分工厂实习也只是走马观花，缺少动手实践的机会，实践教学效果欠佳[7]。虚拟仿真实验教学可以很好地解决上述问题，规避实践安全风险，节约实验成本，具有浸入式仿真环境等，可以极大地弥补传统实验教学的不足，与传统的实验教学优势互补、虚实结合，在纺织类专业教学中可以发挥巨大的优势。基于此我校积极探索立足于纺织工程专业实验教学设计，运用有限元分析软件ABAQUS，为纺织工程专业本科生开展基于纺织品结构力学方面的虚拟仿真实验教学，并与实际实验相结合，帮助学生加深对纺织品力学性能以及力学损伤引发、失效扩展过程的理解。

二、 在纺织工程专业开展虚拟仿真实验教学的实践

在我校纺织工程专业本科生中开展虚拟仿真实验教学不但是必要的，而且是可行的。

1. 硬件和软件方面

2016年底，我校基于虚拟仿真实验教学平台采购了有限元分析软件ABAQUS教学版。该软件能够分析纺织材料在许多耦合场条件下的力学响应，诸如比较复杂的流-热-固、声-结构、电-热、电-热-结构、热-结构等；该软件配备的高级显式非线性有限元软件的求解器能够求解广泛的高度非线性动力学问题，包括冲击、碰撞、水下爆炸等瞬态、高度大变形非线性分析等问题，尤其适合纺织材料的准静态变形特征分析；该软件还能够提供Windows风格的前后处理器，最大限度地降低操作工作量，减少新手的培训时间，所有计算结果都能够进行可视化处理，使学生能够在有限的课堂时间内掌握虚拟仿真实验操作。为了方便ABAQUS软件的安装和性能优化，学院购置了一批高配置计算机，建设了全新的机房，为虚拟仿真实验教学提供了硬件和软件支持。

2. 师资队伍方面

对于虚拟仿真实验教学的开展，除了硬件和软件外，师资队伍的建设也非常重要。纺织品结构力学性能分析和预测的虚拟仿真实验教学课程属于我校国家虚拟仿真实验教学平台建设中关于纺织品仿真设计与模拟中的一个模块，由4名青年教师组成教学团队。4人都为纺织工程相关专业博士，一直在一线从事教学工作，具有丰富的教学经验。课程教学团队成员的大部分研究课题都与纺织品结构力学相关，长期使用ABAQUS软件对纺织品的准静态、冲击和剪切载荷条件下的应力响应规律进行仿真建模。长期的科研工作使得教学团队对ABAQUS软件的操作过程非常熟悉，能够胜任本科生的虚拟仿真实验教学任务；并且在教学过程中将课题取得的最新研究成果与实验教学有机结合，使得学生能够接触前沿的科研成果，加深对纺织专业基础知识的理解，提高对纺织工程专业的学习兴趣。

3. 虚拟仿真实验教学资源

基于课程团队成员10多年的ABAQUS软件建模和仿真经验，为纺织品结构力学的虚拟仿真实验教学提供了丰富的教学资源。图1所示为基于机织物中经纬纱的上下交织规律分别构建的经纱和纬纱三维实体结构模型——以2/1斜纹为例。在该模型中可以充分考虑机织物中经纬纱线的屈曲、交织和交织点摩擦，与机织物的实际结构极为接近，可以确保模型的准确性。在虚拟仿真实验教学过程中，如果该部分的学时较少或者学生对建模掌握得不理想，可以将纺织品简化为具有一定厚度的平面结构，忽略其中纱线或者纤维的构成及空间形态，缩减在模型构建方面占用的课堂时间，并可作为课后提升能力的作业练习题，在充分理解纺织品组织结构特点的同时，构建不同结构的机织物、针织物或非织造材料。

基于上述三维空间几何模型，配合材料模型、定义分析步、施加载荷、边界定义、有限元网格划分等一系列过程，通过ABAQUS软件的分析计算，得到纺织材料在不同载荷条件下的力学损伤情况以及损伤的扩展演化规律等，如图2和图3所示。其中图2为涂层机织物的梯形撕裂损伤过程，图3为普通机织物的钝性顶破损伤失效过程。

课程教学团队凭借多年的纺织品结构力学仿真建模经验，积累了宝贵的实验教学资源，为学生提供直观的虚拟仿真实验教学，极大地激发了学生的学习兴趣，提高了教学效率。

三、 结语

教育信息化是目前高等教育的主旋律，教育信息化并不是简单地体现为黑板板书变为PPT、课堂点名变为APP签到，而必须深入到课程教学中， 虚拟仿真实验教学项目正是在教育信息化的大背景下提出的。利用我校国家级虚拟仿真实验教学平台，为纺织相关专业本科生开设虚拟仿真实验教学课程，可以极大地拓展学生的学术视野，加深对纺织基础知识的理解和应用，提升纺织行业专业人才知识的广度和深度，为纺织行业的转型发展培养和储备人才队伍。

图1 2/1斜纹机织物中经纱和纬纱三维实体结构模型的构建

图2 涂层机织物梯形撕裂损伤过程的有限元分析

图3 机织物钝性顶破损伤过程的有限元分析