基于Unity 3D的并条工序实验虚拟仿真系统

纺织工程专业以培养精通现代纺织科学与工程的基础知识,具备较强的工程创新意识和工程实践能力,并且能够适应工业现代化的需求的高素质工程技术应用型人才为目标[1]。《纺纱工程》是纺织工程专业的核心课程之一,并条工序实验是课程中必不可少的实践环节,能够培养工科学生专业实践所必需的技能和思维[2]。当前,在实际并条工序实验中存在以下局限性:存在安全隐患,机器运行产生的粉尘不仅会对人体的呼吸道和肺部造成伤害,更是存在粉尘爆炸的风险;设备运行时的噪声同样是实验中不可忽视的隐性危害,人长期暴露在噪声中会产生听力下降和精神紧张的问题[2-3];实验设备价格昂贵,院校配备的并条机数量相对于学生数量严重不足,不利于学生的深入探究,从而影响教学效果;机器运转时,设备的主要机构都处在封闭空间内,实验过程难以观察,导致学生对理论知识理解困难。

随着现代信息及网络科技的迅速发展与应用,虚拟仿真技术日渐成熟,并开始影响高校实验教学的模式。虚拟仿真实验借助数据库和网络通信等手段,通过模拟软件系统和仿真硬件模拟出实验操作环境及实验各环节中所需要的仪器用品,实验人员无需到现实场景中,借助计算机就可以亲临其境般地进行在线实验[4]。相较于传统实验方式,它具有安全性高、经济环保、开放共享等优势,成为如今最热门的新型实验教学手段之一,是传统实验教学的完善、补充与拓展,在岩石力学、航空航天、古生物学等学科中均有成功的应用[5-7]。中华人民共和国教育部于2017年颁布了《关于开展国家虚拟仿真实验教学项目建设工作的通知》,文件中明确要将信息技术融入高校实验教学中,积极推动国家虚拟仿真实验教学项目的建设,借此来突破实践教育开展的时空局限,丰富实验教学的知识内涵,提高实验教学的质量与技术水平[8]。由于虚拟仿真教学软件的开发者与使用者一般不是同一人员,因此关于软件的改进与教学效果之间的研究很少,本文基于此开发一套并条机虚拟仿真系统,并分析虚拟仿真软件对教学效果的影响。

1 并条工序实验虚拟仿真系统的开发流程

并条工序实验虚拟仿真系统开发流程包括三维建模和虚拟仿真两部分[9],如图1所示。

根据厂家提供的FA320A型并条机使用说明书及实际测量的数据,进行模型的制作与优化,确保模型内部结构准确,外形逼真美观,文件大小适中[10]。虚拟仿真模块包括虚拟场景搭建和人机交互设计。虚拟场景的搭建需要根据并条车间的真实环境,在Unity中调整好模型之间的相对位置关系和大小。接着在场景中放置光源模拟车间的光线,增强场景的真实感[11]。为实现系统的交互功能,用Photoshop进行UI设计,利用C#编辑脚本设置人机间的交互动作。最后在Unity 3D中选择相应的版本发布。

图1 系统开发流程Fig.1 System development process

2 系统整体架构及实验模块设计

2.1 系统整体构架设计

并条工序实验虚拟仿真系统依托于纺织工程专业的纺纱工程课程,从实验教学的实际需求开展设计。教学目的:1) 熟悉并条机构及主要部件的作用;2) 熟悉并条机的传动系统及牵伸变换齿轮的位置和作用;3) 掌握并条生产的工艺流程;4) 了解纺织车间设计的相关知识。虚拟实验包括三个模块,分别是并条机构认知模块、并条机传动系统认知模块和并条工序实验模块。系统整体构架如表1所示。

表1 系统整体构架Tab.1 Overall structure of virtual simulation system

2.2 实验模块设计

2.2.1 并条机构认知模块设计

如图2所示,该模块设置了并条机部件认知和自主考核两个环节,覆盖了专业课本上有关并条机的机构及作用的知识点[2]。在传统的教学中大多采用平面图的方式讲解并条机构及作用,缺乏空间感,过于抽象。该系统通过三维模型,直观形象地展示各并条机构的构造及作用,模型能够360°旋转及缩放,降低了学生的学习难度[5]。该模块还设置了自主考核来检验对所学知识的掌握程度,为后续实验操作铺垫。

图2 并条机构认知模块Fig.2 Cognitive modules for the drawing frame mechanism

2.2.2 并条机传动系统认知模块设计

如图3所示,与上一模块类似设置了认知和自主考核两个环节。本模块并条机的外壳能够被隐藏,平时难以观察的传动系统此时一目了然。用户将鼠标移至齿轮上,小窗口将自动显示当前齿轮的名称。考核环节将给出齿轮名称让用户在模型上点击对应齿轮,检验所学知识。

图3 并条机传动系统认知模块Fig.3 Cognitive modules for the drawing frame drive system

2.2.3 并条工序实验模块设计

并条工序实验模块包含了阅读实验说明、车间参观、并条工序实验三个环节,旨在让用户沉浸到真实车间环境中,熟悉并条车间和并条生产操作的全过程,深化理论知识。

如图4所示,阅读实验说明环节包括实验内容、实验目的和安全须知。用户需要完成阅读后才能关闭窗口,进入下一个环节。

图4 阅读实验说明环节Fig.4 Step for reading the experimental instructions

如图5所示,在车间参观环节,用户通过键盘能走至车间任意位置,还可使用俯视、仰视等不同视角观察设备的排布、厂房结构等,帮助学生理解工厂设计的相关内容。车间内设置了若干个定点,直至用户走过所有定点时才能进入下一步实验。

图5 车间参观环节Fig.5 Step for workshop visit

如图6所示,并条工序实验包含了并条生产操作的全过程,该模块是对学生所学知识的考核,也是实验的核心部分。进入实验后,学生需要将条桶和棉条摆放至正确的位置,脚本将根据物体的坐标位置来判断得分。接着放下加压机构,并关闭并条机罩壳。最后点击并条机上的启动键,模型将模拟并条机的运行状态:棉条、齿轮调用预先制作好的动画,开始旋转;提示灯更改为自发光材质;音频组件开启,播放并条机运行的声音[2,12]。操作过程如出现错误操作的情况,将会跳出危险提示,帮助学生更好地理解生产过程及操作注意点。

图6 并条工序实验环节Fig.6 Step for drawing process experiment

3 实际应用效果

“并条工序实验虚拟仿真系统”于2021年6月正式上线实验空间(国家虚拟仿真实验课程共享平台),实现开放共享,不管是高校学生还是社会学习者,均可以访问本项目,进行在线实验。该系统已成功应用到江南大学纺织科学与工程学院纺织工程专业的本科教学中,本文以该院某班级的实验数据为例,分析应用效果。

3.1 实验成绩分析

全班共有26名同学参与了虚拟仿真实验,实验次数最多的同学完成5次实验,最少的同学完成1次实验,平均完成次数为2.46次,说明学生对虚拟仿真实验教学的兴趣与热情。对比第一次和第二次实验发现(图7):第二次实验中有2名同学的实验成绩降低,其余同学的实验成绩均有所提高,第一次实验的平均成绩为82分,而第二次实验除了3名未参加外,其余的平均分达到92分,平均提高了10分,或者说提高了等级,由良好提高到优秀。第一次实验获得优秀的仅有4名同学,占总数的比例为15%,第二次实验获得优秀的同学增加到19名,占总数的比例为73%。由此可见,虚拟仿真实验提供了实验平台,提供了多次实验的机会,培养了实验能力,可以提高学生的学习成绩。同时发现第一次实验的最低成绩为42分,第二次实验的最低成绩为83分,因此对于保证最后一名成绩的同学也能达到较高的水平起到重要作用。

图7 全班前两次实验成绩Fig.7 The first two experiment scores in the whole class

3.2 实验用时分析

对每一位同学的实验用时取前两次绘制曲线,分析全班同学的实验用时可以发现(图8),第一次实验中9号同学用时最长,达到了19 h,除了9号同学外,第一次实验的平均用时为45 min,第二次实验除3位未参加的同学外,平均用时为34 min。经过调查发现,第一次实验系统在电脑上安装过程中存在卡顿现象,经过系统优化后第二次实验学生们均能平稳运行。有13位同学第二次实验用时小于第一次实验,占总数的50%,结合图7和图8可知,在其余实验速度未提高的10位同学中,有8位同学分数提高了。由此可见,同学经过练习后提高了操作能力,对知识点的掌握也更牢固。此外,同学们自己线上实验的时间总长度约为26个课时,与一般线下实验的老师演示、学生听讲的一个课时相比,提高的倍数与学生人数相当。由于实验不存在安全事故隐患,学生可以独立地反复完成实验,多次进行仿真实验不仅能够提高操作熟练程度,还能够帮助学生主动分析问题、解决问题,牢固所学理论知识,提高学生的科研素质,克服了传统实验中存在的不安全性、高投入、理论知识难以理解等问题,有效地提升了实验教学的质量。

图8 全班前两次实验时长Fig.8 The first two experiment duration in the whole class

3.3 实验内容分析

一项针对虚拟仿真实验的调查表明,有近20%的学生表示“非常喜欢”,34%的学生“喜欢”,但也有16.3%的学生表示“不喜欢”[13]。究其最主要的原因是有些系统存在交互性差、操作不流畅等问题,导致学生的体验感不理想[13]。因此,流畅的操作系统是提高学生自主学习积极性,提升教学效果的重要因素。所以系统根据实验内容分为4个场景,在系统加载过程中,每一次只加载一个场景,每一个场景又分为多个步骤,总共20个步骤,从而将全部加载所需要的较长等待时间分散在20次中,并与用户的操作同步,消除了等待感,改善了用户的体验,提高了学生的学习积极性和工程实践能力。

随机选取15号同学的前两次实验数据作具体分析(图9),第一次实验后笔者已对系统进行了优化。由图9可以看出,15号同学第一次实验第2步、第4步、第8步、第15步耗费了较多时间。优化后耗费的时间显著缩短,其他步骤的耗时也略有降低。可见系统在优化前场景的跳转速度、物体移动和动画的流畅度等均有待提高,优化后操作更加流畅。在此基础上,笔者将继续与相关课程任课教师一起根据教学的需要和内容,进一步深入开发本系统,丰富其功能,优化其效果,构建更加完善的并条工序实验虚拟仿真系统。

图9 15号同学前两次实验每个步骤所用时长Fig.9 The duration of each step in the first twoexperiments of No.15 student

4 结 论

并条工序实验的教学模式与信息技术和实验教学相结合的新教学理念不相适应,而虚拟仿真技术为传统实验教学模式的优化提供了新方案。本文针对传统并条工序实验中存在的问题,从学科的教学需求和内容出发,利用Unity 3D搭建了并条工序实验虚拟仿真系统,高度还原了FA320A型并条机整体结构和工作车间,给学生提供一个经济实用且安全的实验环境,使得学生能够直观地观察并条机的机构、传动系统和工作环境,并且实现了并条工序实验全流程操作的模拟和并条机运行状态下中齿轮、棉条等物体的运转模拟。通过系统开发与学生实验测试发现,虚拟仿真系统能够帮助学生理解并条工序的任务和各个并条机构的作用,对保证所有同学的成绩均能达到较高的水平起到了重要作用;克服了传统实验中存在的不安全性、高投入、理论知识难以理解等问题,有效地提升了实验教学的质量;提高了学生的学习积极性和工程实践能力。

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