数码印刷教学中半实物仿真实训方案的设计与实践

2022-11-27张来东

新教育时代电子杂志(学生版) 2022年14期

张来东

（广西纺织工业学校广西南宁 530007）

引言

根据现实情况的发展，提前做好市场的判断，是每一个成功企业家必须要做的事情，而企业离不开具有创新意识、基础技能牢靠的员工，而为这些企业输送人才的地方，就是各地高校。如何培养学生的知识技能，是整个教学过程中不可缺少的一步，在数码印刷这个行业，具有很多抽象、难以理解的知识点，这对教师提出了现实要求，在实际教学过程中，半实物仿真技术就派上了用场。

一、半实物仿真实训方案提出的背景

印刷术工业是中国主体经济的一部分，但目前，在印刷术工作者队伍中，接受教育并且具有技术职称的人员还不及中国全部工业企业平均水平，同时从事专业技术的人才也还不到全国在职员工总数的百分之十六；高技术人才管理、人才短缺，特别是具有复合型技术的高级技师更为匮乏。这不但严重抑制了包装印刷产业整体的提升与发展，还降低了与全球同行业的市场竞争性。据行业协会预测，到二零零五年广东省地区印刷包装产业的经济增长率保持在百分之十七以下，人员短缺问题尤为明显，珠三角地区印刷包装产业在生产工程师中层管理技术人员开发设计等方面约有十五万职位虚位以待。目前，虽然国内开设印刷专业的院校不少，但在操作技能和动手能力方面，实施理论联系实际的方法培养印刷技术和高级维修人员的不多，主要原因是现代印刷设备价格昂贵（一套中等彩色数码印刷设备200万元左右）、结构复杂精密度高，按照传统的教学模式无法让学生通过拆装学习设备的内部结构原理和训练维修的技能；并且，由于设备数量有限，难以让多个学生同时进行实训操作，这些都是不利于提高学生专业技术能力的问题[1]。

今天的数码打印和以往的机器制版打印技术不同，它的内容是百分之一百的可变内容，流程主要是从电脑到纸上或打印的流程（Computer-to-Paper Print），即通过将数字文档/网页转换成打印品的流程，而最终图像的生成流程则是完全数码式的，不需要其他媒介的参与，现代印刷设备的科技含量大大提高，新工艺新技术不断出现，这也增加了印刷技术人才培养的难度，在教育资源有限的情况下，怎样才能满足实践训练的需要，让更多的学生通过拆装设备，了解设备的结构，训练对故障的排除和维修的技能，我们探索的解决方法是运用半实物仿真的方法建立虚拟现实数码印刷的训练环境，开创新的教学模式。

二、半实物仿真系统定义

实物模拟，也叫做硬件在电路中的模拟（Hardware in the Loop Simulation），是指在仿真实验系统的模拟电路中接入部分实物设备的实时模拟。实时性也是进行实物模拟的必要前提条件。实模拟和其它类型的模拟方式一样有着经济地达到更高真实度的可行性。从系统的设计观点出发，由于实物仿真可以在软件系统中接入部分实体，意味着能够将这部分实体置于整个信息系统中加以考虑，以便使部件能够在实现系统总体性能指标的环境中进行试验，所以实物仿真是进一步提高软件系统总体设计的安全性和研制产品质量的必要手段[2]。

三、实物模拟系统的基本构造和设计

实物模拟系统属于数字模拟系统。这是一个智能硬件内在环实时技术控制系统，将实体设备利用计算机接口植入到软件环境中去，它规定了整个系统的软体与硬件之间都要即时工作，以便模拟整个软件系统的工作状况，实时控制系统主要由如下几部分构成。

1.仿真计算机

模拟计算机系统是数字模拟系统的核心组成部分，它执行实体对象和模拟环境的数学模型和编程。一般来说，可以利用多层次、模块化的建模法，把模块化程序分割为不同的速度块，在模拟计算机系统中按速度块实时调度执行任务。对复杂的大型模拟系统
可以通过多台计算机联网，实时执行。这也是实现实物模拟的巨大关键，也是必不可少的基础设备[3]。

2.物理效应设备

物理效应装置的主要功能就是通过仿真复现了真实世界中的物理学环境条件，从而构成仿真自然环境或称虚幻自然环境。物理效应装置可以实现的技术路线有很多，方法之一是引入伺服控制电路，再利用伺服控制电路控制产生对应的物理量，方法二是已储存好的数据库，转换为对应的物理量。

3.接口设备

仿真计算机输入输出中的驱动信息经接口转换后，驱动相应的物理效应装置。接口装置同时将操纵人员以及实物系统中的控制输入等信息馈入模拟电脑。在模拟计算机中利用对空气动力学体系和周围环境的模型解算，可以得到体系和周围环境中的各项基本参数。对于半实物化模拟系统，根据上述参数可以利用物理效应装置形成传感器所要求的测量环境，并由此形成整体的闭环化模拟体系。由于物理效应装置是实现整个模拟体系所必须的中间环节，它们的动作特征、静态特征以及时间延迟等都将对模拟体系的置信度和精度产生重大影响，因此需要有更严格的具体性能指标规定[4]。

四、数码印刷教学现状

目前，中国境内不但数字印刷技术和外国的数字印制技术有很大的差异，同时对数字印制的人才培养水平也基本处于空白。而数字印制技术作为数字印制的核心学科，在许多印制类专业中并没有设置该门学科，而仅仅作为印制工艺教学中的一个章节简单讲述。也有部分印制学校考虑到了数字印制教学基础的重要性，而设立了该门课程，不过在课程设置上也往往倾向于基础理论而不重视实践课程，而是根据学校当前的实际状况，进行数字印制教学基础理论和实践课程的综合研究，对培育具备相应基础知识并同时具有一定操作技能的数码印制人员来说有着重大的意义[5]。

五、半实物仿真实训方案设计的基础

虚拟现实思想的源头，可追踪至一九六五年在美国IFIP大会上发表的名为《终极的显示》的研究报告，该报告提出了把计算机屏幕作为《观看虚拟世界的窗口》，其设想是：利用计算机系统构造一个让使用者“看起来景物真实运用真实声音真实感觉真实”的世界。虚拟现实技术运用于学校教学中是教育科技发展的一次飞跃。从教学理论上来说，虚拟现实技术是一种富有真实感的交互式人机界面，人可以利用各种感官渠道与之进行信息互动、虚拟现实技术达到人的临场化，以及参加者和虚拟现实周围环境之间的交互作用、相互影响的一种整体的二个方面，它营造了由学习者利用自己与信息和周围环境之间的互动来获取认知技能的全新教学方法。

六、实训方案的设计和实践

数码印刷的虚拟训练采用半实物仿真的方法综合运用人机交互与多媒体集成宽带网络自动控制技术，充分发挥现代信息技术的集成性、可视性和交互性。通过超文本图形图像动画视频声音等多媒体形式，展现那些在传统的教学模式中难以讲授和训练的教学过程。通过虚拟现实科技，学员们可以在虚幻环境中“亲自体会”对仿真装置的拆装，大大减少经费的投入。虚拟实训不仅能够减少实际培训的时间，还能够达到更加直观逼真的效果，并可以对一些不可视的因素和难以重组的精密装置进作仿真实训[6]。

数码印刷的虚拟半实物仿真训练包括：图形图像设计软件、FIERY数码印刷软件系统、DC数码印刷硬件系统，三部分形成一个从图形图像设计处理到最终完成印刷成品制作整个步骤的虚拟系统，让学生掌握印前印中印后，以及印刷中排除故障和机器维修的能力。

1.DC数码印刷机硬件系统的建模

利用建模软件如3DMAX MAYA等对数码印刷设备每个部分进行数字建模，形成三维图像导入VR虚拟系统。DC型数码印刷机的组成原理及虚拟训练界面[7]。

2.360度全景浏览图的虚拟设计

印刷设备的逐层剖析结构设计采用基于图像的VR建模和360度浏览全景图、利用VR虚拟系统可对设备每部分分层拆装。虚拟实景空间BVS（Image-Based Virtual Space）是以朵集现实世界的实景图像或视频为基础数据建立起的具有三维操纵能力的虚拟空间，它的基础是全景图。全景图相当于实训方案的效果，让学生充分了解机械结构，通过虚拟环境对设备进行无损耗安全的拆装训练，学生能够同时通过虚拟环境学习整个印刷工艺系统的实操过程，而不需全部学生全过程都在实际设备上进行操作，其他院校也可通过网络接受远程训练，以达到资源共享，可以人为地设置印刷设备故障点，训练分析和排除故障的技能，如：在不同的走纸路线位置卡。纸纸张属性与设置不符碳粉不足传输带偏移等，并可对机械硬件故障进行模拟维修。面对国家提出的加快培养高技能人才的要求，目前国家未制定出数码印刷技术技能监测考核题库，也未能找到合适的训练考核方式，虚拟技术的引进是一个良好的解决方案[8]。

七、在实际运用中注意的要点

1.采用灵活的教学手段

现代的教学模式和技术手段也有许多，在实际的课堂教学中，往往需要根据不同的课程特色来选用。对于教学抽象或理论性较强的课程，如各种类型的数码印制原理，可以适当引入多媒体，通过与图像、动漫等的结合直接表现某些教师无法用语言表达或学习者不易掌握的概念、基本原理等，使教学更生动活泼风趣，便于掌握，同时还有助于培养学生的学习兴趣。在讲解数码印制操作流程的具体内容时，适当结合操作录像和虚拟动漫等，使讲解过程更生动活泼风趣，更接近于生产实践，让学习者印象更加深刻，对训练学习者的创造性思路也有很大帮助。此外，学校为提高学员的业余主动学习能力和主观积极性，并充分调动学生的学习热情，还利用互联网向学员提供了大量的电子学习资料，包括课件、电子图书以及有关的专业网页链接，如必胜网等，以供学员在课外的时候充分利用网络平台，了解数字印刷的发展、工艺技术、市场等，从而为学生的自主掌握提供一个更加优越的条件，吸引学生的注意力，为学生接下来的学习提供动力，对于很难理解的知识点，可以通过巧妙的手段让学生记住[9]。

2.选择合适的教学方法

课堂中老师首先要充分调动学生对读书的兴趣，并鼓励和引领学生进行学习，唯有如此方可提升课堂的实效性。要使学习者从被动学习转变为自主学习，就需要将以下几种教学模式结合穿插运用。对比教学法。传统印刷和数字印刷从生产特征、使用范围、印制机理、印制过程等多方位进行对照式教育，让学习者系统地了解到传统印刷和数字印刷之间的差异和联系，从而更深层次了解传统数字印刷的优点和未来发展的巨大潜力，增强学习者对数字印刷的重视。项目驱动教学法。项目驱动教学在该课题中主要进行实践性教育，对培养学生的发散式思考能力和学习积极性，有着重大的作用。而实验课程则主要介绍实际制作项目，让学生通过具体要求，对产品进行设计和完成实验作业，从而训练学生的创造思想和学习技能。交互式教学法。在课堂教学过程中，重视教师与学生之间的沟通，防止老师单方面、填鸭式的灌输方式。以学生为主导，掌握学生学习的兴趣和本门课程的重难点，并针对情况进行课程调整，以改善课堂教学。这不仅能让学生学会交流，学会与教师交流，增强自己的交流能力，同时也能了解学生学习情况，对接下来的学习，提供现实的依据。