“紡紗工藝設計與紗線質量評定”虛擬仿真實驗的建設與應用探索

周寶明,胡艷麗,王建坤,彭浩凱,羅 濤,胡凇月

(1.天津工業大學 紡織科學與工程學院,天津 300387;2.北京潤尼爾網絡科技有限公司,北京 100088;3.天紡標(上海)檢測科技有限公司,上海 201700)

虛擬仿真實驗是傳統實驗與信息技術深度融合的產物。充分利用虛擬現實和增強現實技術,探索新型教學方式,建設智能學習空間和學習體驗中心,是國務院印發的《中國教育現代化2035》文件中提到的戰略任務之一[1]。

我校(天津工業大學)紡織科學與工程學院一直重視學生實踐能力和創新能力的培養,在實驗教學改革和實驗室建設方面先后獲評“紡織工程國家級實驗教學示范中心”和“紡織國家級虛擬仿真實驗教學中心”。依托上述兩個中心,學院著力開發了多個虛擬仿真實驗教學項目。以“紡紗工藝設計與紗線質量評定”虛擬仿真實驗的建設與應用為例,對學院在虛擬仿真實驗教學項目開發應用方面的相關經驗進行介紹,以供相關院校參考。

一、“紡紗工藝設計與紗線質量評定”虛擬仿真實驗建設的必要性

“紡紗工藝設計與紗線質量評定”實驗是紡織專業實踐教學中的大型綜合設計型實驗,在人才培養中占有重要地位[2]。該實驗課程設置目的是使學生熟練掌握“紡紗認識實習”“紡紗原理”“紡紗工藝上機與質量控制”等專業課程的重要知識點,培養學生靈活運用相關專業知識,解決紡織專業復雜工程問題的能力。

然而在實際教學過程中,因紡紗工藝流程長,設備占地面積大,實驗室無法成套配備;受生產調度、進度、實習人數等因素制約,學生即使在校外實習基地也很難得到完整工藝流程的鍛煉[3];部分專業實驗存在“做不上、做不好”的現象,導致綜合訓練效果難以達到預期目標。

針對上述問題,課題組發揮學院學科科研優勢,結合多年教學過程中的經驗及學生反饋,聯合北京潤尼爾網絡科技有限公司,采用虛擬仿真技術將紡紗工藝設計過程模塊化,將多門專業課程知識交叉融合,設計了逼真度高、交互性強的“紡紗工藝設計與紗線質量評定”虛擬仿真實驗系統。該實驗系統克服了時間空間限制,每名學生都可以根據自身情況進行網上實驗,實驗過程貼近實際生產。

二、“紡紗工藝設計與紗線質量評定”虛擬仿真實驗的主要內容

1.總體架構

“紡紗工藝設計與紗線質量評定”虛擬仿真實驗系統如圖1所示。由圖1可知,該虛擬仿真實驗系統包括紡紗工藝基礎認知、紡紗工藝設計與參數調整、紡紗綜合設計與質量評定3個模塊,可分層次、遞進式進行紡紗虛擬仿真實驗教學,該實驗共計4課時。實驗目的是使學生在鞏固“紡紗認識實習” “紡紗原理” “紡紗工藝上機與質量控制”等課程中所學的相關知識的同時,提高其解決復雜工程問題的能力和專業素養。系統設計貫徹“以學生需求為中心”的教學思想,遵循學生的認知規律,教學模塊由易到難、由簡到繁,既層層遞進,又相互獨立;可面向全社會開放共享,滿足不同層次、不同專業學生需求,甚至沒有系統學習過紡紗理論知識的學生也能進行實驗;與自主研發的小型數字化紡紗設備相互支撐、虛實結合,形成完善的環錠紡紗實踐教學體系。

圖1 “紡紗工藝設計與紗線質量評定”虛擬仿真實驗的3個教學模塊

(1)模塊1“紡紗工藝基礎認知”的設計目的是為虛擬工藝設計做準備,該模塊主要包含紡紗工廠生產車間、工序任務、工藝流程、紡紗設備主要機構及工作原理等基礎知識。學生進入系統后猶如置身于車間現場,能迅速回顧與熟悉生產流程、設備機構,并根據自身需求自主學習,鞏固紡紗相關基礎知識,學習完畢后還可以進行考核,從而進一步掌握設備任務、工作原理等。以細紗工序為例,圖2為細紗機基礎認知模塊,包括喂入部分(吊錠、導紗桿、橫動裝置、喇叭口)、牽伸部分(羅拉、搖架、膠輥、膠圈、上下銷、隔距塊)、加捻卷繞部分(導紗鉤、鋼領、鋼絲圈、氣圈控制環、錠子、隔紗板、鋼領板)等元器件的三維展示和功能簡介等[4]。

圖2 細紗機基礎認知模塊的虛擬仿真效果

(2)模塊2“紡紗工藝設計與參數調整”包含配棉、開清、梳理、并條、粗紗、細紗等紡紗工序的子模塊,重點對學生進行單工序、單機臺的工藝設計訓練。學生根據課程進度或工藝流程選擇對應的子模塊開展單項實驗,依據原料種類進行工藝設計、參數調整、上機試紡等,夯實了工藝設計相關知識和能力。圖3為細紗機工藝設計與參數調整子模塊的主要內容,工藝設計部分包括紗線線密度、纖維種類、捻系數、錠速等參數的選擇與設計,以及細紗干定量、實際牽伸、捻度、前羅拉轉速等參數的計算;工藝調整部分包括細紗機羅拉隔距的調整、搖架壓力的調節等。

圖3 細紗機工藝設計與參數調整模塊的主要內容

(3)模塊3“紡紗綜合設計與質量評定”是在前面2個模塊基礎上的綜合訓練。實驗要求2名或3名學生組成一個團隊,依據實驗任務書選擇原料種類、紡紗系統,確定工藝流程,配置各流程生產設備及臺套數量,調節各設備工藝參數,正確生產出符合任務書與國家標準要求的虛擬紗線,并測試該細紗的捻度、線密度、拉伸斷裂性能、毛羽和條干均勻度等指標,進行質量評定。通過虛擬實驗,學生可體驗生產調度、質量控制的全過程。

三、虛擬仿真實驗教學管理平臺

“紡紗工藝設計與紗線質量評定”虛擬仿真實驗系統依托虛擬仿真實驗教學管理平臺運行,兩者通過數據接口無縫對接,保證用戶能夠隨時隨地通過瀏覽器訪問該虛擬仿真實驗系統[5-6]。虛擬仿真實驗教學管理平臺以計算機仿真技術、多媒體技術和網絡技術為基礎,采用面向服務的軟件架構開發,集實物仿真、創新設計、智能指導、虛擬實驗教學管理于一體,具有良好的自主性、交互性和可擴展性[7]。

由圖4可知,“紡紗工藝設計與紗線質量評定”虛擬仿真實驗系統總體架構共分為5層,每一層都為其上層提供服務,直到完成具體虛擬實驗教學環境的構建。在虛擬仿真實驗教學管理平臺的支撐下,該系統具有完整的教學管理功能[8]。虛擬仿真實驗教學管理平臺支持系統管理、實驗管理、排課管理、實驗考核和評價等功能。通過該系統,學生、課程教師、系統管理員能以不同角色登錄,且根據身份不同具有不同的操作權限。系統管理員可對單個用戶進行增加、刪除、查看、修改、禁用、啟用操作,也可進行批量刪除、禁用、啟用、導入與導出操作;教師可以根據實驗教學大綱和自身的要求,維護個人的實驗庫,進行實驗的查看、修改、刪除,也可以從個人實驗庫里選擇相應的實驗安排給學生,并設置實驗的開始時間、截止時間、成績比重、實驗報告類型等內容。虛擬仿真實驗發布在實驗管理平臺后,具體實驗操作、實驗管理流程如圖5所示。

圖4 “紡紗工藝設計與紗線質量評定”虛擬仿真實驗系統總體框架

圖5 “紡紗工藝設計與紗線質量評定”虛擬仿真實驗系統不同角色操作流程

四、“紡紗工藝設計與紗線質量評定”虛擬仿真實驗的應用共享

在“紡紗工藝設計與紗線質量評定”虛擬仿真實驗應用共享方面,首先依托紡織國家級虛擬仿真實驗教學中心,整合學校內部實驗資源,促進院系間實驗資源共享;經校內測試應用改進后,將該實驗在國家虛擬仿真實驗教學項目共享服務平臺(實驗空間)進行共享,以利于推進校際資源共享;此外,依托中國紡織服裝教育學會和紡織虛擬仿真實驗教學創新聯盟,將該實驗作為全國紡織類大學生工程訓練綜合能力競賽紡紗賽道的競賽項目之一,進一步拓展了該虛擬仿真實驗的共享應用[9]。

1.校內實踐應用

該虛擬仿真實驗于2018年獲批為校級實驗教育教學改革建設項目,2019年被推選為天津市級示范性虛擬仿真實驗教學建設項目,2020年實現校內網的測試應用,同時還被列入相應實踐課程的教學大綱,并作為課程考核的內容之一[10]。目前,我校紡織工程專業現代紡織科學與技術方向的學生已連續三屆使用該虛擬仿真實驗,特別是在2020年春季學期,線上虛擬仿真實踐課程與線下重點關鍵實踐環節相結合,克服了新冠疫情對實驗教學的影響,取得了較好的實驗教學效果,受到學生的廣泛好評。

2.網上開放共享

2021年該虛擬仿真實驗申報了國家級虛擬仿真示范性實驗項目(虛擬仿真一流實驗課程)并上線實驗空間平臺,實現公共訪問。其中,實驗空間中的實驗課程云平臺——智能實驗室功能,可以為實驗實踐類教學相關課程的建設、應用與共享提供一整套在線支持服務(包括課程管理、班級管理、成績管理等)。利用相應的服務,可以建設在線開放課程、線上線下混合課程、虛擬仿真實驗慕課等,從而推進虛擬仿真實驗教學項目體系化建設,推動實驗教學課程與虛擬仿真實驗項目的深度融合,有利于該虛擬仿真實驗在相關高校實施實驗教學推廣及共享應用。實驗網上開放共享情況如圖6所示。由圖6可知,迄今為止已有泉州師范學院、煙臺南山學院等多所院校利用該虛擬仿真實驗開課,實驗超2 200余人次。

圖6 實驗網上開放共享情況

3.工程能力競賽

2021年,由中國紡織服裝教育學會主辦的首屆全國紡織類大學生工程訓練綜合能力競賽將該虛擬仿真實驗作為紡紗賽道的競賽項目之一。紡紗賽道吸引了來自16所相關院校的近300名學生參賽。該競賽為學生搭建了理論與實踐結合的平臺,讓學生將所學知識運用到解決實際問題中,加深其對理論知識的的理解,同時培養了學生的創造性思維及團隊溝通合作能力(圖7)。

圖7 “紡紗工藝設計與紗線質量評定”虛擬仿真實驗項目建設的應用共享情況

五、結語

“紡紗工藝設計與紗線質量評定”虛擬仿真實驗利用3D仿真技術和虛擬現實技術,以當前國內外主流紡紗設備、測試儀器為原型,還原真實紡紗生產場景,實現交互式和沉浸式紡紗生產情境的“真實”體驗。解決了學生部分紡織專業實驗“做不上、做不好”的問題,加深了學生對紡紗工序任務、紡紗工藝過程、機械結構及工作原理的理解,使學生更好地掌握了細紗工藝設計原理和質量評定方法等知識。該虛擬仿真實驗還融入了紡織行業職業道德、誠信意識等思政元素以及紡織生產安全操作、質量第一的管理理念,利于培養學生熱愛專業、科技報國的家國情懷和精益求精的工匠精神。

在實際建設應用過程中,虛擬仿真實驗還存在一些需要完善的地方。網絡帶寬要預留足夠余量,才能避免學生集中實驗時產生網絡擁堵;實驗應預留一定接口,便于升級改造、二次開發。此外,現階段該虛擬仿真實驗還不能完全替代真實實驗,可以作為輔助教學手段與真實實驗結合,從而取長補短,提高教學效率。