紡織工程專業(yè)虛擬仿真實驗教學(xué)探究

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摘要:虛擬仿真實驗因教學(xué)效率高、成本低等優(yōu)勢，已成為紡織工程專業(yè)實驗教學(xué)的重要手段。開發(fā)紗線設(shè)計仿真、織物組織與結(jié)構(gòu)仿真、紋織物設(shè)計仿真與織造、多臂織物設(shè)計仿真與織造、繡花設(shè)計仿真與刺繡、紡織品三維貼圖、虛擬外貿(mào)單證實訓(xùn)等紡織工程專業(yè)虛擬仿真實驗教學(xué)項目，提出以案例教學(xué)法為導(dǎo)向，寓教于練，自主學(xué)習(xí)的理念，使學(xué)生在個性化設(shè)計的案例中掌握理論知識，提高紡織品設(shè)計和創(chuàng)新實踐能力。

關(guān)鍵詞:紡織工程專業(yè);紡織品設(shè)計;虛擬仿真;實驗教學(xué)

一、虛擬仿真實驗教學(xué)理念

紡織工程專業(yè)虛擬仿真實驗教學(xué)體系在實驗系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)將實驗項目由基礎(chǔ)實驗逐漸向綜合性、創(chuàng)新性實驗拓展，具體的教學(xué)理念包括:(1)案例教學(xué)。教學(xué)資源準(zhǔn)備充實、素材多樣。(2)寓教于練。強(qiáng)調(diào)實踐，盡可能少教甚至不教。(3)自主學(xué)習(xí)。設(shè)置階段性目標(biāo)，使學(xué)生獲得成就感，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性。在此基礎(chǔ)上，形成覆蓋紡織加工全流程的低成本、低能耗、零排放、易管理的綠色實驗教學(xué)平臺。高能耗和高污染是紡織行業(yè)面臨的主要問題，此外，無論是新型纖維的開發(fā)，還是紡織新產(chǎn)品的設(shè)計與工藝優(yōu)化，均存在染化藥劑、纖維、坯布、織物成品消耗帶來的開發(fā)成本問題，這也是我國原創(chuàng)性紡織新產(chǎn)品遜色于發(fā)達(dá)國家的主要原因之一。根據(jù)紡織產(chǎn)業(yè)的特征，構(gòu)建較完整的綠色實驗教學(xué)平臺，與傳統(tǒng)的實驗教學(xué)相比，具有低成本、低能耗、零排放、易管理的顯著優(yōu)勢［4］。

二、虛擬仿真實驗教學(xué)內(nèi)容

1．紗線設(shè)計仿真

大多數(shù)高校紡織工程實驗室均配備有梳理、并條、粗紗、細(xì)紗等全套或部分紡紗實驗機(jī)和生產(chǎn)樣機(jī)，甚至可實現(xiàn)從纖維原料到紗線成品的全流程加工。但由于紡紗加工流程長、工序多，實驗室設(shè)備臺(套)數(shù)有限，原料和能源消耗大，存在安全隱患等，無法在有限的實驗教學(xué)時間里滿足每名學(xué)生的自主設(shè)計實驗需求。而紗線設(shè)計虛擬仿真實驗教學(xué)可顯著提高實驗教學(xué)效率，降低實驗成本，使學(xué)生快速了解單紗、股線、花色紗線的基本形態(tài)特征，以及紗線線密度、捻度、捻向、色彩、光澤對紗線形態(tài)特征的影響等知識點。通過項目組自主研發(fā)的紗線設(shè)計仿真軟件，或采用其他商用紡織CAD軟件［5］，一般可實現(xiàn):(1)設(shè)計與模擬不同線密度、色彩、光澤、毛羽度、捻度(向)的單紗;(2)設(shè)計與模擬不同合并根數(shù)、合并方式、捻度(向)的股線;(3)設(shè)計與模擬不同色彩配置、不同線密度配置、不同芯線與飾線配置等花式紗線;(4)對設(shè)計模擬的紗線和實體紗線圖像創(chuàng)建紗線數(shù)據(jù)庫。

2．織物組織與結(jié)構(gòu)仿真

傳統(tǒng)的“織物組織與結(jié)構(gòu)”課程需要學(xué)生手工繪制組織圖、穿綜圖和紋板圖，效率低、周期長。而通過計算機(jī)軟件輔助，學(xué)生可以快速設(shè)計組織結(jié)構(gòu)，并預(yù)覽各種織物組織結(jié)構(gòu)的仿真效果，同時深刻理解織物組織的構(gòu)成要素，進(jìn)一步了解組織圖、穿綜圖及紋板圖三者之間的相互關(guān)系。多款紡織CAD軟件均可實現(xiàn)織物組織與結(jié)構(gòu)仿真。一般可實現(xiàn):(1)設(shè)計經(jīng)緯循環(huán)數(shù)、經(jīng)緯組織點點數(shù)、經(jīng)緯向飛數(shù)等值，生成組織圖;(2)輸入穿綜圖、紋板圖生成組織圖，或者輸入組織圖、紋板圖生成穿綜圖，或者輸入組織圖、穿綜圖生成紋板圖;(3)調(diào)整參數(shù)，觀察生成組織的變化。

3．紋織物設(shè)計仿真與織造

全自動或半自動提花織樣機(jī)可以滿足紡織工程專業(yè)學(xué)生在實驗室織造紋織物的需求，但整經(jīng)、穿綜、穿筘等織前準(zhǔn)備工作會耗費大量時間，且實驗室一般沒有配備多臺提花織機(jī)，因此并不具備讓多數(shù)學(xué)生在有限的教學(xué)時間內(nèi)獨立完成自主設(shè)計和織造個性化紋織物的條件。而紋織物設(shè)計仿真實驗可以顯著提高教學(xué)效率，降低實驗成本，同時滿足每名學(xué)生個性化自主設(shè)計實驗的需求，因此也成為紡織CAD實驗教學(xué)的重點內(nèi)容。使用荷蘭Nedgraphics公司的提花設(shè)計軟件等多種紡織CAD軟件，可實現(xiàn)從原始設(shè)計圖到紋板圖、仿真效果圖的紋織物仿真設(shè)計，模擬織物成品的真實效果，同時還可以完成上機(jī)織造。

4．多臂織物設(shè)計仿真與織造

小樣織機(jī)因其簡單易用、單臺占地小、臺套數(shù)多、成本低等特點，成為紡織工程專業(yè)學(xué)生在學(xué)校實驗室接觸最多也是實驗教學(xué)中使用頻率最高的設(shè)備之一，學(xué)生可以獨立地完成小提花織物的設(shè)計和織造。通過紡織CAD軟件的輔助，學(xué)生可以在幾分鐘內(nèi)預(yù)覽多臂織物的仿真效果圖，并根據(jù)需要快速調(diào)整設(shè)計方案，完善實物作品。學(xué)生可以通過調(diào)整經(jīng)緯紗線密度、組織參數(shù)設(shè)計不同的多臂織物，快速生成織物仿真效果圖。此外，還可以進(jìn)行特殊效應(yīng)的織物設(shè)計仿真，如彩條織物、彩格織物、長絲經(jīng)與長絲緯交織、長絲與短纖紗交織、單紗與股線交織、花式線應(yīng)用等的設(shè)計與模擬。

5．繡花設(shè)計仿真與刺繡

繡花是在已有紡織品上的二次加工，其過程不可逆，單頭的電腦繡花機(jī)非常適合紡織服裝專業(yè)的實驗教學(xué)。通過繡花設(shè)計軟件對刺繡過程進(jìn)行仿真，可實現(xiàn)對各種面料上花型針跡及各部分刺繡順序的模擬，并快速預(yù)覽三維模擬圖，便于檢查修改，避免損失，從而降低實驗成本，提高實驗效率，同時滿足學(xué)生個性化設(shè)計的需求。使用日本兄弟公司的繡花設(shè)計軟件PE-DESIGN進(jìn)行繡花設(shè)計和仿真，在花樣編制完成后，指定花樣的顏色、繡制類型，就可以預(yù)覽實際刺繡的模擬效果，還可以使用針跡模擬器對刺繡的全過程進(jìn)行動畫模擬。檢查針跡無誤后可直接發(fā)送至電腦繡花機(jī)，在實物上完成刺繡。

6．紡織品三維貼圖

通過紡織品三維貼圖的虛擬仿真，可以快速得到目標(biāo)產(chǎn)品的實物模擬效果圖。學(xué)生可根據(jù)自己的設(shè)計需要進(jìn)行反復(fù)修改，無需實際生產(chǎn)即可看到產(chǎn)品的模擬效果，大大提高了設(shè)計效率。使用圖案設(shè)計軟件，通過改變參數(shù)自動生成適用于紡織品的各種圖案。以軟件生成圖案為基本元素，按照紋樣構(gòu)圖規(guī)則設(shè)計紡織紋樣，再根據(jù)所設(shè)計的紋樣和經(jīng)緯紗密度等計算出織造工藝參數(shù)，模擬顯示或打印輸出產(chǎn)品仿真圖。

7．虛擬外貿(mào)單證實訓(xùn)

南京世格軟件有限責(zé)任公司開發(fā)的SimTrade外貿(mào)單證平臺還原了紡織外貿(mào)企業(yè)日常工作的真實場景與業(yè)務(wù)流程，通過場景、人物、事件的結(jié)合共同組成模擬貿(mào)易環(huán)境，實現(xiàn)與學(xué)生的虛擬互動。采用角色扮演的游戲模式，使學(xué)生真正體驗到外貿(mào)跟單業(yè)務(wù)所涉及的地點、人物、單據(jù)、場景，從而熟練掌握各種業(yè)務(wù)技巧。其內(nèi)容主要包括:(1)外貿(mào)公司報到，接受業(yè)務(wù)經(jīng)理面試及全套訂單資料;(2)訂單分析;(3)制訂工作日程安排;(4)樣品跟單，選廠與打樣、寄樣與樣品檢驗、確認(rèn);(5)原輔料跟單，原輔料采購計劃的制訂、原輔料采購、第三方檢驗、質(zhì)量檢驗;(6)生產(chǎn)跟單，生產(chǎn)作業(yè)的制訂、生產(chǎn)任務(wù)下達(dá)、質(zhì)量控制與評估、數(shù)量與交貨期跟單;(7)包裝跟單，包裝材料的選擇與生產(chǎn)、包裝設(shè)計、包裝檢驗;(8)單據(jù)交付，法定商檢、貨運委托(訂艙)、單據(jù)的校驗與交付。

三、虛擬仿真實驗的實施方法

紡織工程專業(yè)虛擬仿真實驗教學(xué)以案例教學(xué)法為主要實施方法，準(zhǔn)備充分的教學(xué)資源和多樣性的實例素材，為學(xué)生創(chuàng)造了足夠的預(yù)習(xí)和自學(xué)條件，強(qiáng)調(diào)在具體實例的反復(fù)練習(xí)中理解并掌握虛擬仿真實驗。每個實驗教學(xué)體系的建設(shè)包括但不限于以下內(nèi)容:(1)實驗項目設(shè)置;(2)實驗教學(xué)計劃;(3)實驗指導(dǎo)書;(4)實驗教學(xué)素材，包括原始設(shè)計圖、實物照片、掃描圖片、說明文件等;(5)軟件使用手冊;(6)實驗教學(xué)演示視頻;(7)作業(yè)、練習(xí)題、考核方式及考試題;(8)成品展示，包括模擬效果圖、實物樣品等。

四、結(jié)語

紡織工程專業(yè)虛擬仿真實驗教學(xué)以低成本、低消耗、零排放、短周期的建設(shè)理念，以資源共享的開放思路，切實解決紡織品設(shè)計開發(fā)和真實實驗的高成本、高消耗、長周期、品種少的瓶頸問題，使學(xué)生將紡織工程專業(yè)課程的理論知識轉(zhuǎn)變?yōu)楣こ虒嵺`能力，在提高學(xué)生創(chuàng)新實驗和紡織品設(shè)計開發(fā)能力的同時，為紡織企業(yè)提供了高水平的創(chuàng)新產(chǎn)品虛擬設(shè)計與制造平臺。

作者：王曦 鄭天勇 于?？?單位：天津工業(yè)大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院 中原工學(xué)院