虚拟仿真系统在印刷工程专业实践教学改革中的应用研究

张传香 李蔚 朱新连 张姗姗 钟云飞

(湖南工业大学包装与材料工程学院，湖南 株洲 412007)

印刷是中华民族的骄傲，时至今日，印刷行业依然是我国甚至世界各国经济发展和生活中不可或缺的一个重要产业，且多年来发展态势持续稳定。尤其是近年，随着我国工业结构的调整，以及加快绿色印刷发展进程的各种政策的颁布实施，我国印刷行业的发展迎来了新的机遇和挑战。目前，我国印刷行业不断自主创新和技术升级，发展态势良好，快速更新换代的印刷业对技术人员和研发人员的专业技能和经验要求越来越高，复合型、创新型、高素质综合性人才成为目前印刷行业最迫切的需求。这也对印刷专业院校在人才培养和教学内容设置上提出了更大挑战，在专业理论、实践教学的改革及创新上提出了更高的要求。

文章拟通过分析当前我国高校印刷工程专业实践教学的现状，探讨如何通过虚拟仿真系统在印刷工程专业实践教学中的辅助应用，以提高印刷工程专业的教学质量，培养出适应印刷行业高速发展的高素质、高技能人才。

1 当前印刷工程专业实践教学现状

印刷行业是一个专业性、技能性很强的领域，竞争激烈的用人单位希望高校毕业生不仅具备扎实的理论基础，更看重学生的动手能力，因此，对于以培养高层次应用型人才为宗旨的应用型本科院校来说，实践教学环节尤为重要[1]。然而，国内大部分相关院校的印刷专业实践教学由于存在以下几个方面的原因，导致教学与用人单位要求脱节：

（1）高校“双师型”教师稀缺，专业教师虽有着丰富的理论知识，可大多没有企业一线实操经验，培养具有实践技能的学生似乎是一件“不可能完成的任务”。

（2）印刷、印后加工设备复杂多样，占地面积大，购置具备完整功能的实验设备需要投入大量的资金，硬件、维修场地的要求较高，学校教育难以提供相应的实践教学资金和场地支持；现有教学设备类型少、数量少，设备陈旧与企业生产脱节。

（3）实践教学成本偏高。虽然目前一些学校印刷专业配备了先进的印刷及后加工机械，但由于实验过程中油墨、版材、纸张以及其他耗材成本开销较大，加之实践教学经费紧张，导致实践教学流于形式，学生很难亲自动手操作，无法进行不计成本、不计次数、不限时间的训练[2]。

（4）印刷设备的飞速运转不仅带来学生的人身安全隐患，也带来废液、废气排放、噪声污染等教学场地环境污染问题。同时，实验室或实习车间气味、噪音等环境的负面影响可能会降低学生的实验兴趣，实验教学效果将大打折扣[3]，更有甚者从此失去专业学习的兴趣，影响整个大学学习生涯。

（5）尽管学生也有机会进入企业进行认知学习，但由于涉及企业正常生产、安全等因素，学生也无法充分了解高端设备的内部结构、运转动态特征、内部状态，以及印刷设备总体工作流程等，教学效果依然不理想[4]。

2 印刷工程专业开发虚拟仿真资源的必要性

虚拟仿真技术，或称为模拟技术，是一种可创建和体验虚拟世界的计算机系统。利用虚拟仿真进行实验教学是教育信息化建设的重要内容，是指利用计算机多媒体技术结合虚拟现实设备及技术，通过人机交互、数据库和网络通信等手段，搭建虚拟实验环境和实验对象，让学生在虚拟仿真环境中进行实验操作的一种信息化教学手段[5]。图1显示的是印刷模拟系统的印刷车间，其形象逼真的虚拟实验使学习形式更加多样，学习资源更加丰富，使原本枯燥的实验教学焕发新的生机。

早在几年前，欧美国家的印刷教育和培训机构在教学上已经开始采用虚拟仿真的模拟印刷系统，帮助学生深入了解印刷完整的工艺流程、印刷设备的结构功能，掌握各控制平台操控要点，印刷工艺参数的调节对印刷质量的影响，生产中遇到真实的故障如何进行分析和解决。模拟仿真实验以“虚”代“实”、以“软”代“硬”，能为传统实验教学中迫切需要解决的问题提供策略和方法，能实现现实实验条件不具备或难以实践操作的教学环节，能节省实验项目开设费用，并具有透明性、共享性、互动性、自主性及扩展性等特点，是信息时代数据共享、知识共享的必然要求[6]。

3 虚拟仿真在实践教学中的典型应用

印刷工程专业是湖南工业大学的国家级特色专业，多年来，专业教师一直走在教学改革和创新的前沿。2013年就引进了印刷模拟系统，并结合专业特点搭建了印刷工程虚拟仿真实验教学平台。虚拟仿真实验教学围绕学生实践能力和创新精神为培养目标，以专业基础课程虚拟仿真实验教学为主线，以信息化手段为依托，以校园网为平台，在校内大力开展跨学科跨专业的创新型虚拟仿真实验教学，实验教学内容更加丰富。学生学习空间和时间更加自主，可以随时随地利用网络终端学习，增加了学生动手操作的机会，学生的实践技能也得以增强。

在此基础上，湖南工大在实验室建设中对虚拟仿真教学进行了更进一步的加强，对现有课程实验项目进行了细化，构建了包括基本仿真实验、提高型仿真实验和研究创新型仿真实验在内的完整仿真教学体系，可提供本科层次学生完成基本仿真实验、综合设计型仿真实验和有创新意义的仿真实验训练。使学生在掌握基本原理的基础上可根据自身学习情况进行深入研究并完成一些创新实验项目或课题。虚拟仿真在本专业实践教学中的典型应用主要通过以下几种方式。

图1 印刷模拟系统的印刷车间

3.1 建立基于全景技术的虚拟印刷实验室

全景虚拟现实又称实景虚拟，它是基于全景静态图像在计算机平台上展示真实场景的虚拟现实技术，它可以通过计算机技术实现全方位互动式观看真实场景的还原展示[7]。其与视频、音频、图片等传统的流媒体最大的区别是“可操作，可交互”。

虚拟印刷实验室建设的数据源直接取材于湖南工业大学合作的优秀包装印刷企业，如常德金鹏、深圳雅昌、深圳劲嘉等真实的生产车间场景，真实的车间设备，实现了真实生产现场的360度全景展示，学生可以操控鼠标、键盘、虚拟现实头盔以及数据手套等，漫游印刷车间、建立与虚拟印刷车间的互动，印刷机机构部件的展示及拆解、印刷机部分机构传动过程的动态演示。图2所示的是输纸机的虚拟纸张分离和输送过程。通过虚拟操作面板实现印刷机的虚拟基础操作、观察印刷故障的产生及分析原因等，实现在生动和逼真的虚拟环境中进行身临其境的交互观察和体验。结合语音解说、图片、文字介绍，以及Flash动画等，使学生在生动、逼真、立体、类似游戏的体验中获得了与实验室实验同等的学习成效，提高了学生的学习兴趣，极大地节约了教学及培训成本。

3.2 印刷模拟系统仿真软件教学

图2 输纸虚拟示意图

印刷专业所采用的虚拟仿真教学软件是由海德堡、巴斯夫及CATF等国际知名印刷机制造商、材料供应商和世界著名印刷企业及基金会共同研制开发的印刷模拟系统。该系统可模拟单张纸胶印、轮转胶印、凹印、柔印、凸印等不同印刷类型的各种常见机型，能模拟印刷设备的结构，可进行输纸、输墨、输水等相关模拟操控，并可以设置和调控车间环境温湿度等的印刷环境参数。在模拟教学中，学生可操控印刷机各个部件，从而认识印刷机的结构和运行原理。通过对印刷材料选择、印刷设备调节和印刷各工艺参数的设置来学习印刷过程中各种因素对印刷质量的影响。

印刷模拟系统也是一种印刷故障学习系统，它含有一个庞大的印刷故障数据库。一方面，可通过改变印刷参数，虚拟印刷品实时反映出的印刷故障来学习印刷参数对印刷质量的影响；另一方面，可以通过对故障数据库中的样张故障现象的判断，以及数据库中对印刷故障的描述，学习印刷故障产生的原因和解决办法。印刷设备、工艺的精密性，印刷机型及材料的多样性决定了印刷故障的多样性及复杂性，加之教学条件限制，教师难以将众多抽象的印刷故障教给学生。而印刷模拟系统能够将这些繁杂抽象的印刷故障形象地模拟呈现出来，帮助学生学习快速判断印刷故障、产生的原因和有效的解决方法。教学过程中，学生不仅可以应用印刷模拟系统内置的印刷故障题库进行练习和测试，而且针对真实实验难以完成的实验内容，教师可以利用印刷模拟系统的培训师模块设计实验对学生进行考核，完成对学生知识掌握程度的评价。

3.3 建立开放式网络化、立体化虚拟仿真实验教学与实验管理信息平台

湖南工业大学在湖南省印刷媒体虚拟仿真实验教学中心建设的过程中,紧跟科技发展，注重虚拟现实技术、网络技术、人机交互技术、多媒体技术、数据库管理，以及远程网络通信技术的综合应用，建立了开放式网络化、立体化虚拟仿真实验教学与实验管理信息平台。实现网络化虚拟仿真教学与实验、辅导、预习，以及网络查询、网络管理等先进的虚拟仿真实验和远程实验教学系统，达到拓展教学时空、优化教学体系、共享教学资源的目的。学生不仅能在课堂上学知识，课下也可以随时随地通过电脑、手机客户端远程操作虚拟仿真实验教学平台自主学习，教师也可以及时通过网络远程管理和指导、评价学生的学习，帮助学生形象、直观地理解所学专业知识[9]。同时，还建立了学习激励机制，如定期对学生的学习情况组织各种形式的考核和评测，考核成绩计入各相关专业课程的平时考核成绩，每年通过比赛选拔学生参加国内国际虚拟仿真大赛等。

4 虚拟仿真在实践教学中的实施效果分析

4.1 更好地弥补了真实课程实验的不足

虚拟仿真实验教学遵循了“虚实结合、能实不虚、资源共享、持续发展”的原则和指导思想，注重虚拟仿真实验的建设目的是完成实验室实验难以实现的实验项目，充分做到了与真实课程实验的良好互补，信息技术与学科专业的深度融合，不仅是理论教学的有益补充，更使实践教学安排更科学合理，教学质量得以很大程度地提高，用人单位反馈更好。

4.2 学生的专业学习能力得以提高

学生利用虚拟仿真平台学习印刷专业理论及实践知识，提高了自己的专业素养。部分专业知识扎实、计算机编程、软件设计制作能力强的同学，更是在实验中心老师的指导下参与虚拟仿真实验教学平台的建设和管理，掌握了更多的技能，拓宽了自己的就业途径。

4.3 学生的专业学习更加积极主动

虚拟仿真印刷实验教学安全无污染、无耗材消耗，交互性强，不受时间空间限制以及能远程操作学习，学生可通过解决问题的方式来检验理论知识的综合运用能力，吸引了大多数同学的学习兴趣，调动了学生的学习积极性，由以前的“被动式学习”变“主动式学习”。多次在各类虚拟仿真印刷技能竞赛中取得好成绩，这又进一步吸引和带动了低一届的学生主动参入到虚拟仿真实验的学习中来，形成了良性循环。

5 总结

通过近几年在学校教学中引入虚拟仿真实验系统，搭建印刷媒体虚拟仿真实验室，并带领学生参与印刷模拟大赛等教学改进措施，使得该学科教学中较难理解和难以进行实践操作的环节得到很大改善，将抽象、不可再现或难以实验完成的现象及过程通过多维可视化、动态交互、远程网络、实时计算的方式展现给学生，学生的学习热情及学习效果都得到了巨大提高，并增强了学生的创新思维。该教学手段的使用，必将为学校在培养理论联系实际的能力及科学研究能力，为行业培养综合性创新人才提供持续的动力。

[1] 李金丽，叶卉荣，刘鹏.浅谈印刷专业校外实践教育基地的建设与管理[J].教育教学论坛,2015,(46):10-11.

[2] 刘悦，唐万有.浅析虚拟仿真技术在印刷教学中的应用[J].中国印刷,2011,(8):61-63.

[3] 张传香，朱新连，张姗姗等.印刷工程专业教学中的绿色化学教育[J].教育教学论坛,2016,(6):53-55.

[4] 杜宝江，吕韦斌，林灵等. 基于虚拟样机技术的印刷系统仿真研究[J].信息技术,2015,(7):147-151.

[5] 柯长青，肖鹏峰，李满春等.地球系统科学国家级虚拟仿真实验教学中心建设[J].中国大学教学,2016,(10):83-87.

[6] 侯珂珂.虚拟仿真在化学化工类专业实践教学中的应用探索与研究[J].安徽化工,2015,41(3):95-96.

[7] 于兴艳，卞琛.基于全景技术的虚拟印刷实训室的实现[J].软件工程师,2015,18(11):32-34.

[8] 陈挺，李蔚，朱新连等.印刷模拟系统在印刷工程专业教学中的应用与实践[J].中国印刷与包装研究,2012,4(4):65-69.

[9] 王开宇，程春雨，金明录等.远程虚拟仿真实验教学中心建设[J].实验技术与管理,2016,33(12):242-245.