基于仿真软件的纺织工程类课程虚拟资源建设及教学实践

李新荣， 王建坤， 王 浩， 李玉卓

(天津工业大学 a.机械工程学院； b.纺织科学与工程学院， 天津 300387)

现代信息技术与教育教学的深度融合引发了课程建设与课堂教学的重大变革，打破了传统的教学模式与学习方式。工程类学科的特点是工程性、实践性、应用性强。纺织工程类专业的核心课程同样具有很强的实践性，如“纺纱工艺及设备”课程，学生首先要对纺纱工艺流程和设备有清晰的认知，才能更好地理解工艺理论知识，进而掌握纺纱工艺及设备机构的设计要求，达到课程的教学目标和教学效果[1-3]。然而，(1)由于纺织生产流程长，工序设备多，某些设备占地面积大，实验室无法安装，普遍存在实验室设备台套残缺不全的问题[4]；(2)纺纱设备内部结构复杂，生产中大多是封闭状态，不易呈现，采用传统的教学方式很难使学生理解并掌握；(3)高校生源不断扩大，教学资源相对不足；(4)校外实习基地受人数、企业生产调度、实际生产设备运转速度快、危险系数高、机物料消耗大等实际情况制约，企业很难给学生提供较大的自主设计机会，使学生难以得到全流程设备机构与工艺设计的实践。

为此，课程教学团队本着产学研用的教学理念，通过与企业合作，引进HyperWorks、Inspire等虚拟仿真软件，并由任课教师与学生一起组成团队，以“纺纱工艺及设备”课程为例，对软件进行二次开发，弥补了实验室纺纱设备台套不全、内部结构不易呈现、不可视等缺陷，解决了教学资源不足的问题，完善了课程内容体系，建成了虚实结合、以虚辅实的信息化教学平台，同时改革课程教学模式和考核方式，实现了信息技术与课程教学的深度融合，有效促进了教学，提高了教与学的效率及效果。

一、基于仿真软件的纺织工程类课程虚拟资源建设

1.完善课程内容体系

依据纺织工程类专业人才培养方案和“纺纱工艺及设备”课程教学目标，课程教学团队通过认真研讨，梳理了传统理论教学存在的问题，如课程信息化教学资源不足，现场教学开展困难，教学效果不理想等，明确了以HyperWorks软件二次开发为手段，将“纺纱工艺与设备”课程内容模块化设计，采用虚拟仿真技术使学生产生身临其境的感觉，激发学生学习的兴趣。模块的设计以纺纱各个工序为基本单元，结合纺织类专业学生的实际学习情况，对HyperWorks软件中的每个操作单元进行二次开发，构建了符合纺纱工序流程的教学模块。如开清棉作为纺纱的第一道工序，流程长、设备多，且设备占地面积大，实验室无法配套等，因此采用虚拟仿真软件进行模拟，重点呈现设备的内部结构和虚拟车间，使学生很好地理解抓棉机、混棉机、开棉机、清棉机的内部结构和工序流程，达到身临其境的效果；再如精梳机作为高档纺织品的专用设备，内部结构复杂，价格较贵，国内纺织院校的实验室大多没有这种设备，因此采用虚拟仿真平台，进行局部化仿真模拟，使学生搞清给棉罗拉、上下钳板、锡林、分离罗拉、顶梳的运动配合情况，进一步理解生产高质纱的原理；此外，为了让学生掌握纺纱工艺原理，采用虚拟仿真平台，分别对开松、梳理、牵伸、加捻等纺纱的主要环节建立纤维动力学模型。通过对软件的二次开发，完善了课程内容体系，夯实了教学基础，促进了课程教学。

2.构建课程教学平台

原有教学平台以小型设备为主，因其占地少、调整灵活、机物料消耗少，在教学中起到了重要作用。但受台套不齐全、更新速度慢等客观条件的制约，这些设备的技术落后于企业生产设备，导致学生接触不到最新的工艺技术，不能满足学生的发展与社会需求，影响了培养效果。随着信息技术与教育教学的不断融合，虚拟仿真技术的应用与课程平台的建设成为解决上述问题的良方。为此，团队成员积极调研，与Altair公司合作，引进其强大的虚拟仿真软件HyperWorks，并进行二次开发，完成了开清棉和精梳虚拟车间以及纤维动力学模型等模块，每个模块均参照实际生产中最先进的设备开发，特别注重信息化与智能化技术的呈现，有些甚至超前于实际设备；同时在已有小型纺纱设备的基础上，与国内知名纺织机械企业合作，适时更新设备的部分结构、传动、显示等部件，如采用变频调速、PLC可编程控制等取代传统的减速箱等，实现了电子牵伸、电子升降、触摸屏显示等功能，使学生有机会接触先进的工艺设备与技术。建成的虚实结合、以虚辅实课程教学平台，可为学生清晰展现纺纱系统构成，各工序设备及其内部结构、任务与原理等，使得教学内容更加生动直观，教学手段更加灵活多样，弥补了纺纱实验设备不能客观反映生产实际的不足，为“纺纱工艺及设备”课程教学提供了强有力的软硬件支撑。

3.改革课程教学模式

通过完善课程教学内容，并运用虚实结合课程教学平台，采用全新的“纺纱工艺与设备”课程教学模式：开发与应用相结合——干中学，线上与线下相结合——重点学，课内与课外相结合——灵活学。

软件的二次开发过程是：(1)采取导师制，由任课教师与学生组成开发团队，教师负责，学生参与；(2)项目驱动，针对具体开发内容，教师下达任务，学生收集资料，并在教师的指导下进行开发；(3)汇报讨论，学生分组汇报讨论，完善开发方案，改进开发技术，最终完成开发任务。经过这一过程的训练，学生掌握了虚拟仿真软件的应用技术，补充完善了部分课程教学内容，实现了“干中学”，提高了学习的积极性和主动性，提升了学习效果。

在教学过程中，教师可以采用线上与线下相结合的教学方式，课前通过线上推送虚拟仿真预习模块并布置学习任务。在线下课堂上，教师除了讲解重点难点内容外，还针对学生预习中遇到的问题进行重点说明，并组织学生开展课堂讨论，加强互动，提高学生学习的积极性与主动性，实现了线上线下结合——重点学。为考察学生的学习效果，还可要求学生在课外分组交流，学生根据教师布置的任务以及自己搜集的资料在虚拟仿真平台模拟操作，分享虚拟平台纺纱设备的操作经验和工艺原理。这种教学模式改变了单一课堂教学的“满堂灌”，使教与学灵活多样，实现了课内课外结合——灵活学。

通过参与虚拟仿真软件开发，课前预习虚拟模块，课上听重点内容讲解，课外查找资料、虚拟操作等环节的学习与训练，充分发挥了虚拟仿真教学模式的作用，促进了学生利用平台资源更加有效地掌握纺纱工艺原理和设备结构，了解典型纺纱工序的特点，并能运用所学知识分析和解决纺纱过程中的常见技术问题，为后续的生产实习和工作打下良好的专业基础[5-7]。

二、基于仿真软件的纺织工程类课程教学实践

1.课堂教学

课堂教学是课程教学的基础。在课堂教学中，教师主要讲解纺纱工艺流程和设备的基本结构、原理以及使用方法。针对“纺纱工艺与设备”课程内容广、实践性强的特点，课堂教学采用线上线下相结合和多媒体教学手段。教师布置线上学习任务，学生自主学习并在虚拟仿真平台上模拟操作。线下采用案例式、互动式和讨论式教学。一方面通过纱线半成品生产实例讲解纺纱工艺与设备的基本理论；另一方面实施互动式和讨论式教学，调动学生学习的主动性和积极性。根据纺纱工艺流程，教师按章节讲解要点，对学生分组，要求学生在虚拟仿真平台上模拟操作，并分享操作经验。通过课堂讨论和布置课外作业形式，促使学生积极参与和自我学习。

2.实验教学

实验教学是课程教学的主要环节，也是学生掌握纺纱工艺与设备的实践环节。在“纺纱工艺与设备”课程实验教学中，以生产设备为例，设置了工艺理论回顾、设备内部结构解析和纱线半成品生产实验，使课程的理论学习和具体实例分析相结合。在实验教学中，由于有些设备，如开清棉工序的抓棉机、混棉机、开棉机、清棉机等体积庞大，实验室无法配套，采用虚拟仿真平台进行模拟，能够达到身临其境的效果；再如，精梳机内部结构复杂，在生产过程中无法展现，采用虚拟仿真平台，进行局部仿真模拟，可使学生清晰地理解给棉罗拉、上下钳板、锡林、分离罗拉、顶梳几个部分的运动配合情况。此外，学生可以采用虚拟仿真平台，对开松、梳理、牵伸、加捻等纺纱工艺原理建立比较直观的认识。

3.考核评价

结合教学内容和教学模式，将考核分为四部分：(1)软件开发，主要考察学生参与软件二次开发和积极主动学习情况，该部分主要由指导教师负责评定；(2)课前预习，主要通过课堂互动来考察学生完成课前预习的情况，由任课教师评定；(3)课下虚拟仿真平台操作，主要考察学生对虚拟设备的掌握情况，进而了解学生对工艺理论的掌握，由学习平台自动记录；(4)期末考试，主要考核学生掌握工艺理论与设计要点等重要内容。这种多元化考核方式实现了对学生学习全过程的考核，同时还根据不同学年学生的具体情况适时调整各部分的占比，以更真实地反映学生的学习效果，使评价结果更加科学合理[8-9]。

三、结语

以“纺纱工艺及设备”课程为例，基于虚拟仿真软件及技术理顺了“纺纱工艺与设备”课程各模块间的衔接与递进关系，通过教学资源建设与教学实践,使学生学习工程实践类较强的课程时如身临其境，从感性认识到理性认识，增加了学习兴趣，提高了学习的积极性和主动性，使学生从“要我学”变为“我要学”，提升了教学效果，达到了培养目的。采用项目驱动的导师制教学模式，提高了对教师掌握现代教育技术、应用虚拟仿真软件等教学能力的要求。这种新型教学模式及全过程考核评价方式，在增加学生学习挑战度的同时也给学生自主学习留足了空间，摒弃了传统“一考定终身”的不合理评价方式，能够真实检验培养效果。教学资源整合与信息化教学平台构建，提高了教师的项目开发能力，灵活多样的教学手段，提升了教师的教学能力。实践表明：基于仿真软件的纺织工程类课程虚拟资源建设及教学实践为同类课程的改革起到了示范与引领作用。