“纺纱工艺设计与纱线质量评定”虚拟仿真实验的建设与应用探索

周宝明,胡艳丽,王建坤,彭浩凯,罗 涛,胡凇月

(1.天津工业大学 纺织科学与工程学院,天津 300387;2.北京润尼尔网络科技有限公司,北京 100088;3.天纺标(上海)检测科技有限公司,上海 201700)

虚拟仿真实验是传统实验与信息技术深度融合的产物。充分利用虚拟现实和增强现实技术,探索新型教学方式,建设智能学习空间和学习体验中心,是国务院印发的《中国教育现代化2035》文件中提到的战略任务之一[1]。

我校(天津工业大学)纺织科学与工程学院一直重视学生实践能力和创新能力的培养,在实验教学改革和实验室建设方面先后获评“纺织工程国家级实验教学示范中心”和“纺织国家级虚拟仿真实验教学中心”。依托上述两个中心,学院着力开发了多个虚拟仿真实验教学项目。以“纺纱工艺设计与纱线质量评定”虚拟仿真实验的建设与应用为例,对学院在虚拟仿真实验教学项目开发应用方面的相关经验进行介绍,以供相关院校参考。

一、“纺纱工艺设计与纱线质量评定”虚拟仿真实验建设的必要性

“纺纱工艺设计与纱线质量评定”实验是纺织专业实践教学中的大型综合设计型实验,在人才培养中占有重要地位[2]。该实验课程设置目的是使学生熟练掌握“纺纱认识实习”“纺纱原理”“纺纱工艺上机与质量控制”等专业课程的重要知识点,培养学生灵活运用相关专业知识,解决纺织专业复杂工程问题的能力。

然而在实际教学过程中,因纺纱工艺流程长,设备占地面积大,实验室无法成套配备;受生产调度、进度、实习人数等因素制约,学生即使在校外实习基地也很难得到完整工艺流程的锻炼[3];部分专业实验存在“做不上、做不好”的现象,导致综合训练效果难以达到预期目标。

针对上述问题,课题组发挥学院学科科研优势,结合多年教学过程中的经验及学生反馈,联合北京润尼尔网络科技有限公司,采用虚拟仿真技术将纺纱工艺设计过程模块化,将多门专业课程知识交叉融合,设计了逼真度高、交互性强的“纺纱工艺设计与纱线质量评定”虚拟仿真实验系统。该实验系统克服了时间空间限制,每名学生都可以根据自身情况进行网上实验,实验过程贴近实际生产。

二、“纺纱工艺设计与纱线质量评定”虚拟仿真实验的主要内容

1.总体架构

“纺纱工艺设计与纱线质量评定”虚拟仿真实验系统如图1所示。由图1可知,该虚拟仿真实验系统包括纺纱工艺基础认知、纺纱工艺设计与参数调整、纺纱综合设计与质量评定3个模块,可分层次、递进式进行纺纱虚拟仿真实验教学,该实验共计4课时。实验目的是使学生在巩固“纺纱认识实习” “纺纱原理” “纺纱工艺上机与质量控制”等课程中所学的相关知识的同时,提高其解决复杂工程问题的能力和专业素养。系统设计贯彻“以学生需求为中心”的教学思想,遵循学生的认知规律,教学模块由易到难、由简到繁,既层层递进,又相互独立;可面向全社会开放共享,满足不同层次、不同专业学生需求,甚至没有系统学习过纺纱理论知识的学生也能进行实验;与自主研发的小型数字化纺纱设备相互支撑、虚实结合,形成完善的环锭纺纱实践教学体系。

图1 “纺纱工艺设计与纱线质量评定”虚拟仿真实验的3个教学模块

(1)模块1“纺纱工艺基础认知”的设计目的是为虚拟工艺设计做准备,该模块主要包含纺纱工厂生产车间、工序任务、工艺流程、纺纱设备主要机构及工作原理等基础知识。学生进入系统后犹如置身于车间现场,能迅速回顾与熟悉生产流程、设备机构,并根据自身需求自主学习,巩固纺纱相关基础知识,学习完毕后还可以进行考核,从而进一步掌握设备任务、工作原理等。以细纱工序为例,图2为细纱机基础认知模块,包括喂入部分(吊锭、导纱杆、横动装置、喇叭口)、牵伸部分(罗拉、摇架、胶辊、胶圈、上下销、隔距块)、加捻卷绕部分(导纱钩、钢领、钢丝圈、气圈控制环、锭子、隔纱板、钢领板)等元器件的三维展示和功能简介等[4]。

图2 细纱机基础认知模块的虚拟仿真效果

(2)模块2“纺纱工艺设计与参数调整”包含配棉、开清、梳理、并条、粗纱、细纱等纺纱工序的子模块,重点对学生进行单工序、单机台的工艺设计训练。学生根据课程进度或工艺流程选择对应的子模块开展单项实验,依据原料种类进行工艺设计、参数调整、上机试纺等,夯实了工艺设计相关知识和能力。图3为细纱机工艺设计与参数调整子模块的主要内容,工艺设计部分包括纱线线密度、纤维种类、捻系数、锭速等参数的选择与设计,以及细纱干定量、实际牵伸、捻度、前罗拉转速等参数的计算;工艺调整部分包括细纱机罗拉隔距的调整、摇架压力的调节等。

图3 细纱机工艺设计与参数调整模块的主要内容

(3)模块3“纺纱综合设计与质量评定”是在前面2个模块基础上的综合训练。实验要求2名或3名学生组成一个团队,依据实验任务书选择原料种类、纺纱系统,确定工艺流程,配置各流程生产设备及台套数量,调节各设备工艺参数,正确生产出符合任务书与国家标准要求的虚拟纱线,并测试该细纱的捻度、线密度、拉伸断裂性能、毛羽和条干均匀度等指标,进行质量评定。通过虚拟实验,学生可体验生产调度、质量控制的全过程。

三、虚拟仿真实验教学管理平台

“纺纱工艺设计与纱线质量评定”虚拟仿真实验系统依托虚拟仿真实验教学管理平台运行,两者通过数据接口无缝对接,保证用户能够随时随地通过浏览器访问该虚拟仿真实验系统[5-6]。虚拟仿真实验教学管理平台以计算机仿真技术、多媒体技术和网络技术为基础,采用面向服务的软件架构开发,集实物仿真、创新设计、智能指导、虚拟实验教学管理于一体,具有良好的自主性、交互性和可扩展性[7]。

由图4可知,“纺纱工艺设计与纱线质量评定”虚拟仿真实验系统总体架构共分为5层,每一层都为其上层提供服务,直到完成具体虚拟实验教学环境的构建。在虚拟仿真实验教学管理平台的支撑下,该系统具有完整的教学管理功能[8]。虚拟仿真实验教学管理平台支持系统管理、实验管理、排课管理、实验考核和评价等功能。通过该系统,学生、课程教师、系统管理员能以不同角色登录,且根据身份不同具有不同的操作权限。系统管理员可对单个用户进行增加、删除、查看、修改、禁用、启用操作,也可进行批量删除、禁用、启用、导入与导出操作;教师可以根据实验教学大纲和自身的要求,维护个人的实验库,进行实验的查看、修改、删除,也可以从个人实验库里选择相应的实验安排给学生,并设置实验的开始时间、截止时间、成绩比重、实验报告类型等内容。虚拟仿真实验发布在实验管理平台后,具体实验操作、实验管理流程如图5所示。

图4 “纺纱工艺设计与纱线质量评定”虚拟仿真实验系统总体框架

图5 “纺纱工艺设计与纱线质量评定”虚拟仿真实验系统不同角色操作流程

四、“纺纱工艺设计与纱线质量评定”虚拟仿真实验的应用共享

在“纺纱工艺设计与纱线质量评定”虚拟仿真实验应用共享方面,首先依托纺织国家级虚拟仿真实验教学中心,整合学校内部实验资源,促进院系间实验资源共享;经校内测试应用改进后,将该实验在国家虚拟仿真实验教学项目共享服务平台(实验空间)进行共享,以利于推进校际资源共享;此外,依托中国纺织服装教育学会和纺织虚拟仿真实验教学创新联盟,将该实验作为全国纺织类大学生工程训练综合能力竞赛纺纱赛道的竞赛项目之一,进一步拓展了该虚拟仿真实验的共享应用[9]。

1.校内实践应用

该虚拟仿真实验于2018年获批为校级实验教育教学改革建设项目,2019年被推选为天津市级示范性虚拟仿真实验教学建设项目,2020年实现校内网的测试应用,同时还被列入相应实践课程的教学大纲,并作为课程考核的内容之一[10]。目前,我校纺织工程专业现代纺织科学与技术方向的学生已连续三届使用该虚拟仿真实验,特别是在2020年春季学期,线上虚拟仿真实践课程与线下重点关键实践环节相结合,克服了新冠疫情对实验教学的影响,取得了较好的实验教学效果,受到学生的广泛好评。

2.网上开放共享

2021年该虚拟仿真实验申报了国家级虚拟仿真示范性实验项目(虚拟仿真一流实验课程)并上线实验空间平台,实现公共访问。其中,实验空间中的实验课程云平台——智能实验室功能,可以为实验实践类教学相关课程的建设、应用与共享提供一整套在线支持服务(包括课程管理、班级管理、成绩管理等)。利用相应的服务,可以建设在线开放课程、线上线下混合课程、虚拟仿真实验慕课等,从而推进虚拟仿真实验教学项目体系化建设,推动实验教学课程与虚拟仿真实验项目的深度融合,有利于该虚拟仿真实验在相关高校实施实验教学推广及共享应用。实验网上开放共享情况如图6所示。由图6可知,迄今为止已有泉州师范学院、烟台南山学院等多所院校利用该虚拟仿真实验开课,实验超2 200余人次。

图6 实验网上开放共享情况

3.工程能力竞赛

2021年,由中国纺织服装教育学会主办的首届全国纺织类大学生工程训练综合能力竞赛将该虚拟仿真实验作为纺纱赛道的竞赛项目之一。纺纱赛道吸引了来自16所相关院校的近300名学生参赛。该竞赛为学生搭建了理论与实践结合的平台,让学生将所学知识运用到解决实际问题中,加深其对理论知识的的理解,同时培养了学生的创造性思维及团队沟通合作能力(图7)。

图7 “纺纱工艺设计与纱线质量评定”虚拟仿真实验项目建设的应用共享情况

五、结语

“纺纱工艺设计与纱线质量评定”虚拟仿真实验利用3D仿真技术和虚拟现实技术,以当前国内外主流纺纱设备、测试仪器为原型,还原真实纺纱生产场景,实现交互式和沉浸式纺纱生产情境的“真实”体验。解决了学生部分纺织专业实验“做不上、做不好”的问题,加深了学生对纺纱工序任务、纺纱工艺过程、机械结构及工作原理的理解,使学生更好地掌握了细纱工艺设计原理和质量评定方法等知识。该虚拟仿真实验还融入了纺织行业职业道德、诚信意识等思政元素以及纺织生产安全操作、质量第一的管理理念,利于培养学生热爱专业、科技报国的家国情怀和精益求精的工匠精神。

在实际建设应用过程中,虚拟仿真实验还存在一些需要完善的地方。网络带宽要预留足够余量,才能避免学生集中实验时产生网络拥堵;实验应预留一定接口,便于升级改造、二次开发。此外,现阶段该虚拟仿真实验还不能完全替代真实实验,可以作为辅助教学手段与真实实验结合,从而取长补短,提高教学效率。