印刷包装虚拟仿真平台的构建及创新人才的培养

杨永刚，刘江浩，王华明

（北京印刷学院 研究生院，北京 102600）

一、印刷包装虚拟仿真实验平台的构建

（一）构建虚拟仿真实验平台的必要性

在印刷包装类专业实践教学环节中，生产型印刷机、印后装订与整饰设备及各种包装机械较昂贵，设备种类多，实验用机型更新换代速度慢，实验成本高，且实践教学环境与企业生产实际差别较大，导致学生参与度较低，实践教学的效果难以保证，制约了复合应用型人才的培养。另外，实验用印刷机、装订线、覆膜机和各种包装机械体积庞大，占用较大的物理空间，开展实验所用的油墨、胶黏剂等，也会产生一定的挥发性有机化合物排放和设备清洗废水，对环境友好性不够。由于实验条件的局限性，采用虚拟仿真实验技术及平台替代真实实验设备和部分实验环节迫在眉睫。

北京印刷学院于2012年组建了印刷包装虚拟仿真实验中心，对相关课程实验进行梳理和设计，本着“虚实结合、相互补充、能实不虚、能虚尽虚”的原则，构建了一部分虚拟仿真教学资源。目前完成了对印刷工艺虚拟仿真实验资源中胶印、凹印、柔印虚拟仿真软件的升级，搭建了印刷包装虚拟仿真实验中心教学平台，开发了平版胶印印刷车间虚拟仿真实验资源。目前，正在有序推进书刊装订车间虚拟仿真实验系统开发、印后加工车间虚拟仿真实验开发、包装全工艺流程虚拟仿真实验系统开发、包装盒设计与可视化加工制作、包装生命周期评价系统开发等。该平台的构建有助于学生从不同维度了解真实的印刷包装工艺流程，加强专业间的交流互动，促进复合应用型人才培养。同时，结合培养方案，利用开发的虚拟仿真系统平台，设计并嵌入理论课程或者集中实践环节的课程。

（二）构建虚拟仿真实验平台的创新性

1.通过将虚拟仿真软件引入新工科印刷包装类人才培养实践教学中，建立近似真实的印刷包装生产环境，将抽象的印刷流程和印刷故障形象化，要求学生亲手排除印刷故障进行上机印刷生产，通过不断试错的方式学习实际操作和故障分析与排除，激发学生主动学习的积极性和主动性。将庞大的包装物料生产设备和自动充填包装线数字化，不仅降低了实验工作量和实验成本，重要的是能增强学生的实践能力，强化理论教学效果。

2.虚拟仿真实践平台的设计和搭建会综合应用信息技术、VR技术、仿真技术、3D建模技术、人工智能识别技术等多种先进技术，能系统训练学生的创新思维，有望使学生从系统的应用者变成系统的改进者和开发者，为后续实践平台的持续改进和完善，以及平台资源的远程共享提供技术支持。

二、平版胶印工艺虚拟仿真实验平台案例

（一）虚拟仿真实验系统的先进性

本虚拟仿真实验项目是在360度全景拍摄真实印刷车间的基础上创建的虚拟场景，运用三维建模、动画等技术手段再现了海德堡四色胶印机的生产流程及关键技术环节，通过在虚拟场景中的参数设置和操作，能获得即时印刷效果，如同逼真的印刷生产过程。我校拥有该软件的自主知识产权，也是国内同类高校中第一个开发设计基于海德堡四色胶印机的印刷虚拟仿真实验系统。作为教育部“卓越工程师教育培养计划”试点专业、“双万计划”国家级一流本科专业、北京高校“重点建设一流专业”，印刷包装类专业将逐步搭建校际合作交流的实践平台，促进优势特色资源向其他高校开放并辐射行业，培育创新卓越工程人才。

（二）虚拟仿真实验教学设计的合理性

本实验所选择的3D建模的原型为海德堡四色胶印机，该品牌印刷机在我国印刷行业中使用较为广泛，设备市场占有率高，具有代表性和示范性。本实验的操作流程是按照海德堡四色胶印机的培训手册设计完成的，能够满足学生实习训练的要求，也可以推广到印刷企业新员工培训工作中。

本实验以海德堡胶印机的生产工艺为主，将“印刷原理与工艺”课程中的水墨平衡原理，“颜色科学与技术”课程中的印刷色彩再现原理，在实验过程中进行了有机结合。实验不仅是设备的操作，也能使学生更好地理解这些原理在实际印刷工艺中的具体运用。实验以印刷专业实习实践课的目标要求为出发点，围绕胶印生产线，将教学内容及知识点进行分解，涵盖印刷机墨键调节实验原理、印刷水墨平衡实验原理、印刷色彩再现实验原理等，包括印刷过程中的润湿、胶印油墨转移过程、印刷色序及油墨叠印、胶印版的装卸、胶印机套准的调节等17个理论与工程训练模块，并形成虚拟仿真系统的重要设计单元。整个实习训练过程通过这17个模块依次串联，还可根据不同的竞赛训练要求或理论与实践课的定位差别设计个性化的学习与考核任务。这些模块的学习与考核可以面向不同的群体，体现不同的层次与目标要求，把理论知识与实践技能有机融合在实验项目中进行充分展现，并最终反映出对复合应用型实践创新人才的培养。

（三）虚拟仿真实验平台的实用性

实验系统构建的虚拟仿真实验环境，全方位逼真再现了印刷车间的环境及设备的真实运行状态，以3D建模的形式直观呈现印刷车间及印刷机的操作，极具可观性和吸引性，解决了由于实验设备缺乏，学生不能单独完成设备多次操作及可重复性训练的问题，也解决了印刷车间难以承接大批量学生同时进行实践训练的难题，有效地拓展了实验内容的深度和可重复性，提升了印刷机操作训练的学习效果，凸显了虚拟仿真实验的优势。

依托虚拟仿真实验教学项目，学生可以在实习的过程中，先通过虚拟仿真实验的学习，对印刷机的操作工艺流程形成系统性了解，熟练掌握设备参数设置等多项复杂程序，对印刷产品的预墨量调整有直观的对应效果的感知，并熟练掌握印刷套准的技术操作，然后再通过实际印刷机进行对应实习，实现了“虚实结合、以虚补实”的设计初衷，保证了学生实验的安全性、高效性，切实减少了实验材料的损耗，确保了学生在虚拟仿真实验中获得经验，也保证了现场教学的顺畅及效果。项目本身具有一定的创新性。

实验教学项目还提供了学习模式和考核模式，学生前期可通过学习模式按程序提示完成设备操作，并可多次重复训练；考核模式则通过多套不同产品的随机抽取，对主要设备操作模块进行分块考核和整体考核，同时结合软件的自动评分系统，使学生能够直观地看到实验效果，有效调动了学生参与实验教学的积极性和主动性，激发了学生的学习兴趣和潜能，推进了探究式教学方法的普遍运用。考核模式中随机抽取的模拟印刷品，也给学生在墨量调节上设置了一定的难度，学生需要结合所学的理论知识并结合实际生产效果进行调节和设置，能够有效地提升学生解决复杂问题的综合能力，培养学生自主分析问题的思维方式，体现课程的高阶性和挑战度。

（四）核心要素虚拟仿真设计

1.墨量调节虚拟仿真。该要素模拟印刷机操作台上的墨键调节，主要仿真内容包括：四色印版墨区划分、四色印版各墨区墨量粗调、四色印版各墨区墨量微调、四色叠印效果评价等实验过程。仿真实验可以使学生有机会多次重复练习墨量调节，快速掌握一定的调节技巧，并通过虚拟的印刷样张呈现，让学生更直观地感受墨量调节效果，并且锻炼了学生将印刷原理与工艺、印刷色彩学、印刷材料及适性等专业理论知识应用于实践的能力，实现“虚实结合”。

2.装卸印版虚拟仿真。该要素模拟印刷机上印版的装卸，形象地仿真印版打孔和弯版、四色印版区分、卸版过程操作、装版过程操作等实验过程。仿真实验可以使学生有机会多次重复练习印版的装卸操作，突破了实体实验时印版浪费率高、印刷机磨损严重及实验周期长的教学瓶颈，实现“以虚代实”，以及实验教学与工程实践的无缝对接。

3.套准调节虚拟仿真。该要素模拟印刷样张套准的调节，主要仿真内容为：印刷样张抽样、放大镜查看、套准调节、调节精度的评价等实验过程。在实际的生产实习中，套准调节属于精细实践工作，学生难以在有限的实习时间内掌握套准调节的有效方法。该部分仿真实验提供了真实的套准调节操作，可通过多次练习快速掌握这项实践技能。

4.虚拟仿真实验教学过程。该虚拟仿真实验共计12学时，实验教学过程是以网络化、学生自主学习为基础的工程训练模式，具体过程如下。

在课程教学前，学生通过学习和查阅理论知识、总结印刷真实设备实习中的问题，针对实验内容进行自主学习和准备。

在课程中，学生根据分组和任务，利用网络资源自主学习（集中或分散）。首先通过虚拟实验，学习工厂环境下的安全注意事项及完整实验工艺流程，掌握胶版印刷机相关的操作规程，然后进入虚拟实验中的学习模式，学生需要完成每个阶段的任务才能进入下一阶段学习。此学习模式可以反复学习直到学生掌握为止。进入考核模式学生需要完成9个模块的考核，以检测虚拟实验的学习效果。期间教师只起到引导、释疑和推动作用。

最后，学生提交考核结果，教师可通过教学网络平台对考核结果进行分析，给出指导性意见。

5.虚拟仿真实验教学特色。（1）实验设计。通过三维仿真技术，在360度全景拍摄的基础上创建了真实的平版胶印印刷车间的虚拟场景，运用三维建模、动画等技术手段再现了海德堡四色胶印机，全面还原了胶印机自开机检查、工单阅读、材料准备、参数设置、上版操作、预设墨量设置、墨量调整、套准调整、水墨平衡调节、预印刷操作、正式印刷、设备清洗等全套设备操作过程，实现了对平版胶印机印刷设备逼真建模仿真，使学生产生直观的认识。实验中还设置了多个交互环节，可通过设置不同参数，让学生了解印刷后的不同效果，并获得真实实验效果的感受。学习者通过该项目，不仅能够对胶印印刷工艺的过程有全面了解和掌握，而且还能熟练掌握、操作平版胶印机。（2）教学方法。平版胶印工艺虚拟仿真实验项目以学生为中心，学生通过主导实验过程，操作实验装置，增强了对知识的获取兴趣和能力。指导教师只需讲解软件的基本操作方法和介绍实验的内容，在整个实验全过程加以指导和引导，启发学生创新意识，培养学生发现问题、解决问题的能力，调动学生学习的积极性。学生能够直观感受印刷车间一线场景，掌握印刷机的结构、工作原理和性能特点。在实验项目中，设置学习模式和考核模式，学生上机先进行学习模式的学习，根据学习模式中的操作提醒，自行完成印刷机的基本操作学习，通过多次反复练习后，基本可以掌握操作流程和参数设置，然后再通过考核模式进行模块式的训练。每个模块设置多套不同的目标印件任务，从而激发学生对专业学习的兴趣，发掘学生的创造潜能，引导学生提高解决实际问题的综合能力。（3）评价体系。平版胶印工艺虚拟仿真实验项目能够对参加实验学生的全过程进行记录，并能够随时进行实验指导，对于学生的操作时长记录及考核完成情况都有较为完善的评价标准，以提高评价的公正性。平台建立了完善的反馈机制，对参加实验学生各方面的建议、评价与反馈信息，进行全面系统的统计分析，为指导教师改进和完善实验提供参考，进而提高教学效果。

三、印刷工程创新人才培养模式的探索

（一）构建以学生为中心，基于虚拟仿真环境的自主式工程训练模式

在新工科建设背景下，各学校对实践教学环节更加重视，不断采购印刷相关先进加工设备，但是因实训内容增加而造成的实训操作时间缩短的矛盾日渐突出。因此，探索基于网络化的开放式教学模式，突破时间和空间的限制，实现以学生为中心、自主学习为基础的线上线下相结合、课上课下相结合的工程训练实践有着重要的现实意义。

教师布置学习任务后，要求学生以个人或者小组为单位利用网络资源自主学习（集中或分散）。通过虚拟实验，学习工厂环境下的安全注意事项及完整实验工艺流程，掌握胶版印刷机的相关操作规程。

（二）开展以项目为引领，以本科教学改革创新为目标的新范式实践教学

通常情况下，传统式教学在工程训练上体现为单一设备的学习和操作。以项目为引领的教学模式则是通过项目牵引，以工艺为导向，在完成项目实验过程中，不断鼓励学生解决实验过程中出现的故障，最终完成实验要求。这种教学方法有助于激发学习兴趣，挖掘学生的创新潜能，培养学生主动探索的精神和学习热情，提高学生的工程素养。

（三）通过“虚实结合”学习和闯关式考核，培养学生工程实践创新能力

胶版印刷机实操作为工程训练不可或缺的教学科目，在工业生产中应用十分广泛。由于其相关设备体积大、分量重，操作过程耗材浪费率高，在实验室教学环境下很难达到满足理想教学要求的人机比；因此，建设虚拟项目、实现虚实结合的教学模式十分必要。通过虚拟仿真系统面向实际胶版印刷机的仿真操作，学生在有较强真实感和临场感的环境中，可以更快地掌握胶版印刷机的操作，而只依靠传统实训教学很难达到这样的效果。

通过线上虚拟操作，学生能够快速掌握胶版印刷机操作方法，在课上有更多时间进行实训，大大提高了实训效率。各组成员基本上可以直接操作胶版印刷机的各个环节，通过虚实结合，达到了更好的工程训练效果。