纺纱虚拟仿真实验室的建设与应用

周 琪，谭冬宜，何 斌，王 坤

(湖南工程学院 纺织服装学院，湖南 湘潭 411101)

虚拟仿真实验教学是国家信息化教育战略的重要内容[1-2]，而加速信息化教学建设是高校“十三五”规划的重要建设内容之一[3]。“纺纱学”是纺织工程专业本科教育的必修专业基础课程之一，对提高学生专业素养，培养学生实践动手能力非常重要。目前，“纺纱学”课程教学存在实验设备缺乏，工厂设备高速运转而导致学生实践参与度低，实际操作不可逆等问题。我校(湖南工程学院)纺织服装学院纺纱虚拟仿真实验室的建设，旨在从教学思路、教学过程、教学方法等方面突破传统的教学模式，培养学生的动手能力和创新能力。

一、 纺纱虚拟仿真实验室的建设

纺纱虚拟仿真实验室能将纺纱过程实时、细致、全面地呈现在学生面前。纺纱虚拟仿真实验室建设包括纺纱设备建设和纺纱流程建设两部分。

1. 纺纱虚拟仿真实验设备建设

纺纱设备是“纺纱学”课程教学的重点内容，是学生掌握和运用纺纱技术的基础。通过三维动画和实时录像将复杂、高速、抽象的纺纱设备简单化、低速化、具象化。纺纱虚拟仿真设备建设包括对纺纱每一环节中涉及设备的虚拟仿真化，纺纱虚拟仿真设备展示过程的建设需要完成纺纱设备汇总、设备材料收集与制作以及设备展示制作。

(1) 纺纱设备汇总。按照“纺纱学”课程教学内容以及纺纱过程的顺序，纺纱虚拟仿真实验的设备展示包括抓棉机、混棉机、开棉机、梳棉机、精梳机、并条机、粗纱机和细纱机。在对纺纱设备汇总时，考虑到设备和工艺的发展，对于同一设备的不同型号需在纺纱设备发展过程中加以说明，以保证整个纺纱设备的系统性。

(2) 设备材料收集与制作。在确定上述纺纱虚拟仿真实验室中所需展示的设备后，收集各个设备工作状态下的三维动画图、实时录像以及其他相关图片、动画、视频等设备展示材料，为后续设备展示制作提供基本素材，并完成后期的制作，便于植入设备展示平台。

(3) 设备展示制作。将收集和制作的虚拟材料搭配硬件构成纺纱虚拟仿真实验室的设备展示平台，将纺纱过程中的所有设备镶嵌于同一模块中，建立虚拟工厂。

2. 纺纱虚拟仿真实验流程建设

在完成了纺纱虚拟仿真设备的建设后，纺纱虚拟仿真实验流程的建设将串联所有纺纱设备，还原真实的纺纱车间，可以实现对整个车间的漫游浏览；同时还可以根据具体要求设置生产任务进行实时的工厂模拟，对生产流程进行交互性操作。纺纱虚拟仿真实验流程建设包括纺纱工艺流程系统和纺纱车间虚拟环境的构建。

(1) 纺纱工艺流程系统的构建。在纺纱过程中，根据原料特点和对最终产品的要求，可以设计不同的纺纱工艺。在纺纱虚拟仿真实验流程的建设中，除了要建立基本的普梳系统、精梳系统及废纺系统用于“纺纱学”课程理论教学外，还需搭建工艺流程选择和设计平台，可灵活选择工艺环节中的设备种类及数量，为学生开展工艺设计提供窗口。

(2) 纺纱车间虚拟环境的构建。在完成工艺系统的构建后，为进一步提升整个虚拟仿真纺纱车间的真实感，使学生直观地感知工厂纺纱车间的设备配置，需按工艺流程系统的实际情况，将设备在纺纱车间的管道连接、位置分布等在虚拟环境中表示出来，使得整个纺纱车间完整地展现于纺纱虚拟仿真实验室，如图1所示。

图1 虚拟仿真实验室的纺纱车间

二、 纺纱虚拟仿真实验室在“纺纱学”课程教学中的应用

1. 在理论教学中的应用

在“纺纱学”课程理论教学中，纺纱工艺和原理是教学的核心，教学时可以展示设备结构细节以便直观地介绍工艺与质量把控。

(1) 在纺纱工艺教学中的应用。在以往的纺纱工艺教学中多以教师讲授、学生参观为主，缺乏学生动手参与过程，对于抽象的工艺过程、产品质量指标，学生难以理解和掌握。在纺纱虚拟仿真实验室中完成工艺设计，学生可以实时地看到工艺参数设定与产品质量之间的关系，更加深入地掌握纺纱工艺，提升学生对纺纱过程中纱线品质的把控能力。同时，在虚拟仿真工艺设计中，实时工艺调整环节能激发学生对纱线设计的创新潜能。学生置身于虚拟仿真实验室中，提高了参与度，激发了主观能动性。

(2) 在纺纱原理教学中的应用。在纺纱虚拟仿真实验室，利用相关的文字、图片、动画、视频等材料，可清晰地表达原理涉及的结构和相互关系，直观而准确地展示抽象、枯燥的原理。如图2所示为纺纱虚拟仿真实验室展示的抓棉小车间歇下降距离与棉块重量关系的原理。

图2 抓棉小车间歇下降距离与棉块重量关系的原理

将纺纱虚拟仿真实验室用于课堂教学，以生动而有效的方式展示纺纱原理，调动了学生的学习积极性，改变了过去专业课程教学沉闷、无趣的课堂氛围。

2. 在实践教学中的应用

传统的纺纱实践教学一般在工厂进行，主要以教师或车间技术人员讲授为主，学生在工厂大多走马观花，在实践过程中参与度不高。有了纺纱虚拟仿真实验室，学生可在线上模拟完成对纺纱设备的拆卸和装配，让学生详细地学习纺纱设备的各个结构，了解构件的安装位置以及各构件之间的相互关系，使他们掌握各种纺纱设备，克服了在工厂实验操作时因设备高速运转而无法深入实践的缺陷。

三、 结语

我校纺纱虚拟仿真实验室的建设包括纺纱实验设备建设和实验流程建设两部分， 将纺纱

车间从工厂移到了虚拟实验室，缩短了理论与实践之间的距离。教学实践表明，纺纱虚拟仿真实验室在“纺纱学”课程教学中发挥了重要作用，学生可以深入地了解设备结构，实时地了解工艺参数设定与产品质量之间的关系，直观地掌握纺纱工艺与原理。纺纱虚拟仿真实验室的应用，使学生在课堂上的拆机、装机成为可能，提高了学生的学习积极性，加深了学生对纺纱知识的理解，调动了学生的主观能动性，激发了学生的创造性。