虚拟实验在“机织学”实践教学中的应用

龙啸云，曹海建，孙启龙，叶 伟，马 岩

（南通大学 纺织服装学院，江苏 南通 226019）

在我国，纺织产业是四大传统支柱产业之一，对于国民经济有着举足轻重的作用[1]。近年来，随着科技的迅猛发展，纺织新技术、新产品层出不穷，国内纺织行业面临着巨大的变革和挑战。特别是高性能纤维、产业用纺织品行业[2]的快速发展，纺织产业已经成为我国新兴领域中不可或缺的一部分。在此背景下，高等院校作为纺织行业人才培养和输送的基地，肩负着为行业培养适应纺织科技发展人才队伍的任务和使命。然而，纺织工程专业课程多、课时紧、教学任务重，老师为了完成教学任务往往只能蜻蜓点水式地讲授书本上的知识，在这样的情况下，很多教学内容讲不透、讲不深，学生也是听得云里雾里、一知半解。“机织学”[3]作为纺织工程中一门重要的专业基础课，它的任务是让学生具有全流程的机织工艺理论知识和一定的操作实践能力，使学生在走上工作岗位后能够胜任车间管理、产品开发等工作。但是，“机织学”涉及的工艺流程长、机械原理复杂、知识点繁多，老师想要在有限的课时内讲明白不容易，学生想学明白也不容易，特别是“机织学”的相关设备原理结构复杂，操作困难。同时，由于教学场地和课时的限制，学生经过仅有的几节实践课很难较为熟练地掌握其中的知识点，这不利于高质量地教学。针对这一问题，本研究提出采用构建“机织学”虚拟实验室来弥补传统纺织教学中的不足，为提高“机织学”的教学质量提供了一种新的方案。

1 虚拟实验的特点

网上虚拟实验室[4]以现代教育思想为依据，以现代教育技术手段为支撑，以计算机实时仿真为核心，在教学实践中表现出以下几个特点[5-7]。

1.1 开放性

区别于传统的教学方法，虚拟实验室构建于网络，不受场地限制，具有显著的开放性。学生可以不受地域限制，只要具备基本的网络操作技能即可在网络上进行学习。同时，相关的网络教学资源还可以分享在公共服务平台上，让更多学校的学生共同学习，也可以促进同行院校老师之间的交流。

1.2 可重复性

在传统的教学中，课时有限、学生多，老师在讲课的过程中为了完成预期的教学任务很难面面俱到，这就导致有的学生没听明白，对于实验设备和方法理解不够深入。而虚拟实验教学可以在很大程度上解决这一问题，学生学习不受时间限制，可以根据自己的需要重复观看和学习，对于难度大的地方反复学习。以增强学习效果。

1.3 自主性

在虚拟实验教学中，完全依靠学生自主学习，老师只能通过考核、现场操作等方法来评判学生的学习效果，这就需要学生具有较好的自主学习能力和主观能动性，配合教学的完成，否则很可能适得其反。

2 “机织学”虚拟实验构建技术路线

首先，采用建模软件UG构建机织工序中的主要设备，如自动络筒机、整经机、浆纱机、织机等的虚拟模型。其次，实现动态虚拟网络平台构建。基于前期建立的模型，输入虚拟现实建模语言VRML和Javascript，建立动态的虚拟现实（Virtual Reality，VR），促进网络平台关联和互动的实现。再次，对建立的虚拟模型进行整合，设计与优化虚拟实验体系。最后，完成网络化设计及试运行。采用集成技术，建立相应的网络平台，并对平台进行试运行。针对试运行中出现的问题，对前期工作进行反馈，进而对网络平台进行优化，技术路线如图1所示。

图1 技术路线

3 支撑理论

3.1 “经验之塔”理论

戴尔将人的经验分成了3大类：直接的经验（做的经验）、间接的经验（观察的经验）和抽象的经验（符号的经验）。其中，直接的经验位于经验之塔的底层，表示直接的经验是上面两大类经验的基础，人的学习过程总是从最底层做的经验开始，然后不断上升到最顶层抽象的经验。“经验之塔”理论为虚拟机织实验系统的开发提供了理论指导，学生操作机织设备的过程是学生获得直接经验的过程，从直接经验入手来学习机织设备的操作，这样的学习更容易被学生掌握[8]。

3.2 混合学习论

混合式学习就是要把传统学习方式的优势和网络化学习的优势结合起来，也就是说，既要发挥教师引导、启发、监控教学过程的主导作用，又要充分体现学生作为学习过程主体的主动性、积极性与创造性。将虚拟机织实验系统应用于实践教学当中，将先进的资源与机织课程相结合，本身就是一种混合，即混合学习[9]。

4 教学实例

以“机织学”中的缕纱测长实验为例，进行虚拟实验辅助教学和常规教学对比。缕纱测长是“机织学”中的必修环节，要求学生了解缕纱测长仪的工作原理和操作方法，并且能够熟练操作设备。本实验所使用的缕纱测长虚拟实验由UG软件重建单纱强力测试设备和测试场景，采用Adobe Flash再现了测试操作过程。本研究随机选取纺织工程专业2017级学生40人，分为2组，一组为常规教学组，另一组为虚拟实验辅助教学组。教学过程及教学效果如表1所示。

表1 常规实验教学与虚拟实验辅助教学过程及教学效果

从表1中可以看出，相较于常规实验教学，虚拟辅助实验教学的效率更高，教学质量更好，通过虚拟实验室的自主学习，完成一组实验所需的时间明显缩短。同时，虚拟辅助实验教学法可节约场地，解决了高校教学场地不足的难题。

5 结语

将虚拟实验手段应用于“机织学”教学，是一种可以解决现阶段高校教学场地不足、经费困难以及课时有限等问题的有效手段，值得推广和应用。但是作为一种辅助教学方法，虚拟实验手段也存在自身的不足，比如模拟失真、需要学生有较强的自学能力等，因此，在实际教学当中，还是需要将现场教学和虚拟教学相结合，以达到最好的教学效果。