针织产品设计与织造虚拟仿真实验教学建设研究

陆 赞 高伟洪

（上海工程技术大学，中国 上海201620）

0 引言

教育部目前关于虚拟仿真实验教学建设要求主要有：《教育信息化十年发展规划（2011—2020年）》《关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知》（2013年）以及《教育部办公厅关于2017—2020年开展示范性虚拟仿真实验教学项教育部目建设的通知》（2017年）[1]。虚拟仿真实验教学具有强烈的沉浸感，能够通过三维场景的仿真建模，使得学生在授课过程中高度关注所学内容，从而提高学习热情。同时，虚拟仿真实验教学能够改变教师传统的“注入式”教学方式，强调学生“边动手边学”的实验教学理念，通过结合理论预习、虚拟仿真操作，以学生自主学习为主，教师指导为辅，帮助学生独立思考所学知识内容，灵活判断，最终达成理论与实践的统一。将虚拟仿真实验教学与线上教学相结合，可以解决一些传统实验课程开展线上教学困难的处境，同时也能改善一些实验课程教学成本高、危险系数大等问题，学生可以自由自主地在仿真场景中进行操作和学习。因此，虚拟仿真实验教学是学科专业与信息技术深度融合的产物。

1 针织产品设计与织造实验教学背景

近年来，随着针织工业在世界范围内发展迅速，针织产品变化多、更新快、生产灵活，能迅速适应市场的变化和客户的需求。而三维全成形无缝针织物的出现，除了能减少产品的生产流程，也为客制化针织产品的发展提供了技术基础。但是三维针织物由于产品组织与结构与传统针织物有别，新产品在设计时需要通过多次打样，并根据打样效果进行修正后，才能正式投入生产中[2]。而这些专业知识在纺织类专业本科教育中并不重视，造成学生所学与实际生产存在偏差。同时，由于生产三维全成形无缝针织产品的设备比较昂贵，有些设备占地大，教学成本以及学生单位操作时间均无法满足实验课建设要求。

因此，将三维无缝针织物产品的设计与织造与纺织类专业人才培养相结合，围绕三维无缝针织机的结构与织造认知环节、操作流程和考核标准设计脚本，再根据脚本通过3D仿真、动画、AR技术等建设虚拟实验室，从而模拟三维无缝针织物的设计与织造过程，让学生更直观充分地理解与掌握三维无缝针织物从设计到成品的整个工艺流程，从而提高学生的专业知识与技术储备，能够让纺织类专业学生在就业过程中更具竞争力。

2 针织产品设计与织造虚拟仿真实验教学建设

2.1 虚拟仿真实验教学模块设计

在虚拟仿真系统中，目前设计包括学习系统、虚拟实验室以及考核系统三大部分。学习系统的主要作用是总结课堂理论知识点，帮助学生自主学习，回顾与实验有关的内容，也方便学生在虚拟实验操作过程中遇到问题时反过来进行查漏补缺。本实验课程主要教学内容涉及三维全成形无缝针织产品的织物组织设计与上机工艺参数的设定。

虚拟实验室的主要作用是通过动画、模型等虚拟方式，帮助学生更好地理解实验涉及的所有内容。除此之外，学生能够根据预设好的条件充分发挥自己的主观能动性，结合所学内容进行实践操作。三维全成形无缝针织产品可以由针织电脑横机以及圆机来实现织造，本专业针织实验室中目前配套有德国STOLL公司的电脑横机，以及圣东尼（上海）有限公司的无缝针织圆机和袜机。在虚拟实验室中，技术人员根据实际设备中的主要机构设计模型，同时每个零部件都有相关说明进行介绍，让学生“随点随学”，理解针织机内部各个功能部件的结构与作用。

考核系统主要是为了考核学生在课上所学知识的掌握情况，最终根据目标达成度来给出相应的实验课成绩。学生需要结合所学理论内容，在内置设计界面中实际操作设计织物组织并能够对针织机的相关参数进行设定。同时，学生在充分认知三维无缝针织物设计与织造流程的基础上进行产品的创新设计，以最终综合成绩加以考查。

2.2 虚拟仿真实验教学组织与实施

本虚拟仿真实验系统学习主要针对纺织工程专业大三学生，学生已经较系统地学习纺织材料学课程以及针织学和针织学实验基本理论和操作流程，因此对于针织产品的设计、加工工艺的理论及应用有深入的理解。本实验课程主要涉及全成形针织工艺在电脑横机与圆机上的实现，因此围绕两种不同的针织机械需要设计不同的教学方法，本文以全成形针织产品在电脑横机上的设计与织造为例来加以说明。

通过虚实结合的教学方法，首先在学习系统中将全成形针织物的设计场景在虚拟软件中进行还原，在该系统中嵌入SDS-ONE APEX3服装设计工作系统，实现全成形针织物纱线原料的选择、肌理种类和面料效果的选择、针织样片织造设计、基本款式与结构设计、尺寸与花型设计等方面的实训教学[3]。同时，在各个实训教学内容中分别实现针型与纱支关系、肌理和面料效果与织物组织的对应关系、不同织物结构和花型的织造工艺参数的阶段性考核，让学生在学完每部分内容后进行巩固加强。

在虚拟实验室系统中，实现电脑横机的机架、控制机构、传动机构、选针和编织机构、摇床换梭机构、送纱机构和牵拉机构等几大主要结构的建模还原。学生通过鼠标或者VR眼镜手柄选中相应结构进行分解学习，了解各个部分的主要功能，同时与学习系统中的相关知识点进行联动。最终，学生在考核系统中根据所学内容设计一款全成形针织产品，系统根据SDS-ONE编程系统中反馈出的结果进行打分，并给出模拟编织错误的修改意见。

2.3 基于虚拟仿真的线上线下混合式教学

虚拟仿真技术因其特有属性往往被用来作为线下实践教学的补充，存在课时量少，知识点不全面等问题，利用线上教学平台并结合虚拟仿真教学是未来普及实践类课程值得思考的方式。目前，部分院校开始推广的“云平台+虚拟仿真”的混合式教学能够较好地兼顾学校的自身特点和需求，尤其是一些以工科为主的大专院校[4]。一方面，借助“雨课堂”“超星学习通”“蓝墨云班课”等线上平台开展能够实时互动反馈的教学；另一方面，在线下利用虚拟仿真课程资源，实施从理论到虚拟的一体化教学，最终在线上根据学生的虚拟操作视频来评估教学效果。

基于此类教学模式，针织产品设计与织造课程在线上理论教学的基础上，通过线下或者在线形式的虚拟仿真课程对学生的理论知识进行考查，同时结合虚拟仿真系统中的模拟操作分批让学生在线下利用现有的设备资源进行实物操作，最终实现“理虚实”一体化的教学模式。通过此类模式，能够在特殊社会环境下实现实践课程的教学，同时可以为实验实训设备不足的学校提供可行的教学方式，从而深入融合线上资源与传统实践教学。

3 结论

随着各院校“新工科”改革的不断进步，通过建设虚拟仿真实验教学系统是加速实验实训类课程普及的有力措施。对于纺织工程专业的学生而言，针织产品设计与织造作为就业的知识储备之一，其教学效果关系到学生的综合竞争力。将虚拟仿真实验与线上课程相结合并辅以线下实践操作的混合式教学兼具灵活性与新颖性，能够在不同外部条件下实施，同时也需要通过持续的研究去发现此类模式的问题和改进之处，继而不断提升教师现代化教学能力与创新力。