虚拟仿真技术在轻化工程(染整)实践教学中的应用

杨 卓，郑亚雯，陈 英，王 炜，樊 吉

(东华大学 化学化工与生物工程学院，上海 201620)

一、 染整实践教学现状

纺织化学与染整工程是一门实践性很强的学科。我校(东华大学)轻化工程专业(染整方向)的主要任务是为社会培养和输送生产一线的工程师、研发人员以及染整相关行业的技术服务人员。这就要求我们培养的学生必须具备综合运用科学基础理论与技术方法分析和解决复杂工程问题的能力，这也是“新工科”背景下国家对高等教育提出的要求[1]。

目前我国工程教育已经由科学模式向工程模式转型。工程模式倡导工程回归，将工程科学技术与工程实践融为一体，是一种具有实践性、综合性和创新性的工程实践教育，培养学生具备完整的学科知识体系和工程实践能力，使学生能够有效应对复杂的工程系统问题[2]。自2009年国家提出“卓越工程师教育培养计划”以来，各高校都在积极探索卓越工程师培养模式以及实践教学实施方案，如校内实践基地建设、校企合作实习基地开发、工程课程开设等[3-5]。目前工程实践在教学中的融入已经受到重视，但我们对毕业生跟踪调查发现，毕业生普遍反映学校教学与生产实践存在明显的脱节现象，他们在企业需要较长的学习期以熟悉实际生产过程，短时间无法体现大学生的价值。

染整实践教学效果不理想主要在于以下原因：(1)实践基地不能满足学校的教学要求，学生在企业实习过程中无法动手操作。对于大多数企业来说，由于工作任务重，竞争压力大，加上安全因素等，一般不愿意接纳学生实习，即使接收了实习生，学生也只能在化验室从事一些辅助性工作，在生产一线仅能安排参观等认识实习，学生没有参与和动手的机会。学校组织实习的目的是让学生了解真实的生产过程，由于染整大样生产和小样生产实验在设备、工艺和质量控制上有着很大的区别，仅以参观代替实习使教学效果大打折扣。(2)校内缺乏建设实践教学基地的条件。首先是场地限制。染整生产设备种类多，占地面积大，即使是小样设备，构建一条全流程生产线也需要几百平方米甚至上千平方米的用房。其次是安全隐患。染整设备多为高温、高压且具有一定运转速度，设备操作需要经过严格培训，稍不注意就可能出现安全问题。(3)经费投入较大，而设备使用率较低，投入产出比低。这些因素制约了工程实践教学的发展和学生工程能力的培养[6-7]。

二、 虚拟仿真实践教学建设的意义

2017年7月教育部发布了《2017—2020年示范性虚拟仿真实验教学项目建设规划》，要求开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设，拓展高等教育实验教学内容的深度和广度，强化信息技术在实践教学中的应用，培养学生的创新意识与创新能力，提升实验教学质量与水平[8]。虚拟仿真技术可生成一个三维可视化虚拟环境，借助人机交互设备和位置跟踪设备把人的控制信息和现实中的相关空间信息传递到虚拟现实环境，从而把人、现实世界和虚拟空间结合起来，融为一体[9]。近年来，虚拟仿真技术在医疗、场景展览、航天军事、新能源、消防演习等领域已得到广泛应用。利用虚拟仿真系统，可实现各类工艺仿真，对生产工艺过程中参数的改变进行推演并实景展示，具有很好的培训效果[10]。虚拟仿真技术可为实践教学带来全新的解决方案。利用虚拟仿真技术模拟工厂的实际生产情况，学生能够获得与真实场景相同的体验，并可通过鼠标、键盘、VR等设备对系统进行操作，同时通过三维建模了解设备的内部构造，而这些都是在工厂实践中无法做到的。

虚拟仿真技术的应用可改变染整实验教学和生产实际不匹配的现状，突破传统实验时间和空间的限制。在计算机上进行仿真实验，逼真的画面和实时的数据反馈让学生有操作实体设备的感觉，并观察到相似的实验现象，从而达到类似实体实验的教学效果。这一技术能很好地解决实践教学中学生不能动手的问题，有助于培养学生的工程实践和技术创新能力。

三、绳状染色虚拟仿真实验的应用

纺织品染色是染整加工的重要工序，由于绳状加工设备占地面积大且染色用时长，一次染色用时至少6小时，难以开展实验教学。学生主要通过企业实习和课堂教学学习相关知识。但由于设备密闭不透明，课堂教学采用平面设备图，内容抽象，难以直观展示染色原理，学生学习难度大。而工厂实践学生也只能观看，不能参与实际生产，教学效果不理想。我校利用虚拟仿真技术构建三维设备模型，形象展示染色过程中设备内部的运行情况。学生通过虚拟设备的操作演练，掌握生产过程中工艺控制的相关知识，培养解决实际工程问题的能力。

1. 虚拟仿真实验设计

绳状染色虚拟仿真实践教学针对教学中的难点以及实践教学的短板开展。教学目的：(1)掌握绳状染色原理，了解实际生产与实验室小试加工之间的区别；(2)掌握喷射溢流染色机和气流染色机两种典型绳状染色加工设备的结构特点，并能对运行过程中的故障进行及时处理；(3)掌握不同纺织品的绳状染色条件及过程参数控制，并能根据设备特点独立设计染色工艺流程；(4)了解印染厂设计的相关知识。虚拟仿真实验包括三个模块，分别是车间导览、设备认知、生产仿真。实验构架如表1所示。

表1 绳状染色虚拟仿真实验构架

(1) 车间导览模块。从宏观的角度构建一个与现实工厂相同的虚拟三维染色车间和自动化料输送车间。学生进入车间导览模块，通过键盘走至车间的任意位置，用鼠标进行360°旋转，通过俯视、仰视等不同角度，观察设备排布、厂房结构、屋顶排气设计、排水管道设计、进水管道排布以及自动化料、送料过程，并与工厂设计课程的相关内容相互印证，深化对印染厂设计以及工厂自动化的理解。

(2)设备认知模块。包含喷射溢流染色机和气流染色机两台典型的绳状染色设备。该模块由设备原理演示、设备拆装及设备故障处理三个学习内容组成，旨在使学生通过深入了解设备构造掌握绳状染色原理。染色原理是教学的重点和难点，在传统的教学中大多采用平面图进行原理讲解，过于抽象，缺乏空间感，在虚拟教学系统中，通过设备的三维展示及自由拆装过程，学生可形象直观地了解设备构造及其工作原理，降低了学习难度。①设备拆装(图1a)，按一定顺序对设备进行拆卸和组装，达到对设备组成及结构认知的目的。②设备原理演示(图1b)，利用半透视频动画，辅以音频讲解，使学生能够清晰地看到染色过程中设备内部的变化以及气流雾化、染液喷射的动画效果。在观看视频的过程中，可同时对设备进行360°旋转及放大缩小操作，方便对细节的观察。③故障处理，演示设备常见的故障及产生原因，并根据提示解除故障，恢复正常生产。该模块的学习主要为后续进行染色工艺设计及控制打下扎实的理论基础。

(a) 虚拟拆装

(3) 生产仿真模块。学生在设备认知的基础上，运用以往学习的知识完成黏胶织物的染色程序设计，并在软件上进行染色实验，在学生熟练后进行涤纶织物染色实验考核。该模块是对学生所学知识的考核，也是虚拟实验的核心部分。为了使工艺设计能与实际生产相匹配，学生进入实验后，系统首先给出工艺单，学生需要根据工艺单的要求进行染色流程设计，设计步骤和参数完全参照实际生产过程。设计完成后，在操作过程中，设备为半透展示，每一步操作都会对应相应的运行动画，帮助学生了解生产过程(图2)。实验结束后系统给出实验分数。

2. 虚拟仿真实验的实施

在教学中，我们采用虚实结合的教学模式，以虚促实，化虚为实。实施过程包含教、学、考、习四个环节。

(1) “教”即集中教学。通过3D互动课件，针对重点知识点进行补充和扩展。这部分教学主要利用车间导览和设备认知模块，讲解工厂设计布局及染色原理，并结合实验室小样机进行实物现场教学；针对虚拟实验操作部分，讲解操作要点及影响因素等。通过集中教学，使学生明确实验的目的和任务，掌握课程的重点和难点。

(2) “学”即自主学习。学生根据自身情况，在虚拟仿真平台上自主安排学习时间，消化集中教学内容。通过虚拟系统与以往学习的相关理论知识相互印证，加深对理论知识的理解，并在仿真操作模块通过反复演练，熟悉绳状染色操作流程，掌握染色工艺流程设计和质量控制的相关知识。

(3) “考”即仿真实验考核。根据实验要求，学生独立设计操作流程并予以实施，软件将根据流程和参数设置的准确性自动计分。在实验完毕且考核合格后，学生按要求撰写实验报告并提交。

图2 生产仿真模块操作界面

(4) “习”即生产实习。通过上述虚拟实验教学过程，促进学生对实际知识的学习和掌握，有助于学生了解实际生产过程。但虚拟教学所涉及的产品及生产工艺较单一，为了使学生更好地将所学知识应用于实践，在后续企业生产实习中，学生虽然不能动手，但要求他们在已经掌握基本操作和原理的基础上，独立设计不同产品的生产流程并与实际生产流程进行对比分析，从而完善自身知识结构，化虚为实。

通过上述教、学、考、习四个环节，充分利用学校教学资源，合理利用企业资源，虚实结合，化虚为实，培养学生解决工程问题的能力。

3. 虚拟仿真实验教学存在的问题

目前染整类虚拟仿真实验教学存在的主要问题是灵活度不够[11-12]，实验过程中操作流程是固定的，一旦实验过程中出现错误，系统会报错，学生需重新找到正确的操作步骤，继续进行，不能像在真实生产中，设备可以按照任意设计流程运行。但若提高实验过程的自由度，不仅增加设计成本，而且还需要考虑不同程序组合造成的错误结果，这将导致程序设计复杂。因此如何使实验设计更加灵活，是今后需要研究的课题。

四、 结语

虚拟仿真技术给轻化工程专业(染整方向)的实践教学带来了全新的解决方案，切实改变了以往走马观花式的实习模式。在现有建设的基础上，我们将继续完善前处理、印花、后整理等工艺流程，建立染整全景工厂虚拟仿真实训教学系统，形成一套完整的染整虚拟仿真实习实训教学体系。需要注意的是，虚拟仿真系统的建设费用较高，如果能联合相关设备企业，降低设备3D模型的构建费用，将有利于虚拟仿真实验教学建设的可持续发展。另外，目前虚拟仿真教学还停留在单机软件的水平，不能与实际生产联动。而虚拟现实技术更具魅力的地方是可以通过位置跟踪和数据读取，把人、现实世界和虚拟空间结合起来，这样将可实现真正把现实工厂搬到教学中，但这一功能的实现需要印染企业的参与，以及学校、印染企业和软件制作公司三方的通力合作。