基于FCF-9无纺布与纺丝/BCF丝综合机虚拟实验的设计和应用

马 艳 黄 赫 汪 涛 李 智 张 硕 冉瑞龙

(1. 西南大学纺织服装学院，重庆 400716；2. 西南大学计算机与信息科学学院，重庆 400716)

基于FCF-9无纺布与纺丝/BCF丝综合机虚拟实验的设计和应用

马 艳1黄 赫2汪 涛1李 智1张 硕1冉瑞龙1

(1. 西南大学纺织服装学院，重庆 400716；2. 西南大学计算机与信息科学学院，重庆 400716)

虚拟实验作为一种信息化手段已逐步应用在各类实验教学中。本文介绍了基于纺织工程FCF-9无纺布与纺丝/BCF丝综合机虚拟实验的构建。测试结果显示，设计虚拟实验不仅可以让学生在课前课后充分自学，激发学习兴趣，增强实验教学效果，还可以有效缓解传统实验教学资源消耗大、危险性较高、耗时等问题，可作为传统实验教学的有力补充。

非织造学；实验教学；虚拟实验

虚拟实验室的概念是在1989年由美国威廉·沃尔夫(William Wolf)教授首次提出的[1]。随着高等教育信息化水平的不断提升，虚拟实验已成为许多高校积极开发的内容。虚拟实验是一种能够通过计算机技术，结合图片、动画、视频等多媒体手段对实验操作和知识进行模拟的过程[2]。通过模拟的方式让学生可以对实验仪器、实验过程有全方位和深层次的理解，具有良好的交互性、可重复性、参与性强、安全性能高等诸多优点[3]，虚拟的环境对于教学环境和实验条件的限制也是一种突破，可以弥补传统实验教学由于仪器昂贵、时间场地限制等缺点[4,5]。国家对虚拟实验的支持力度也非常大，2015年教育部批准了100个国家级虚拟仿真实验教学中心。虚拟实验教学已经成为现代实验教学发展的方向之一[6]。

就纺织类专业而言，为加深对理论知识的理解和培养实操能力，绝大部分专业课都有实验教学内容。部分纺织工程类实验教学需要昂贵的大型实验仪器设备，以《非织造学》课程为例，实验教学需要使用的FCF-9无纺布与纺丝/BCF丝综合机是一台大型设备，机器成本高达20万元，高3m左右，体积较为庞大，机器分为上下两层，在实验教学过程中，开机成本、学生人数、危险性都是很大的限制，针对此类实验设计虚拟实验就显得尤为重要。

1 设计虚拟实验的必要性

FCF-9无纺布与纺丝/BCF丝综合机分上下两层，加料口在第二层，对于观察(进行实验操作)的人数有很大的限制，二层最多可以容纳3人同时观察实验进程，上实验课学生无法同一批观察。而此用于非织造学课程的实验机每次开机的成本大概在2000元，如果多次重复实验演示，会增加更多成本。另外，本实验仪器的操作有一定的危险性，纺PP料时，温度可高达180-245℃之间；纺布时，应将铺在网上的布小心地送到二压布辊中，高速旋转的转头具有比较高的危险性，对操作人员的技术水平有很高的要求。再加上本仪器是国内生产的仪器，说明书相当简单，对于初学者很难通过说明书进行上机操作，需要有经验的人进行辅导。基于以上，设计虚拟实验能够不依赖实验设备模拟操作整个实验过程，能够让每一个学生全方位熟悉实验过程，根据自己的学习进度反复学习设备的功能和操作而不受时间、场地、开机成本和设备的限制。另外，通过模拟实验，能够有效的降低实验成本，减少不必要的重复实验。虚拟实验还能避免每个初学者都要花费大量时间摸索仪器的使用流程。

2 虚拟实验设计

2.1 实验仪器展示

为使实验场景真实、逼真，利用Photoshop软件还原实验仪器在实验室中的真实模样(图1)。每个部位名称均明确标示出来便于学生课前预习。为便于理解，本部分采用了正面、侧面和二楼进行分别展示，力求清晰易懂。

图1 FCF-9无纺布与纺丝/BCF丝综合机外观图

2.2 实验流程的虚拟设计

为方便学生快速熟悉仪器的功能和操作，把操作流程的设计划分为机器外观、纺丝和纺布，纺丝部分又划分为BCF丝(bulked continuous filament膨体变形长丝)和非BCF丝(图2)。学生进入实验室后，实验操作主要包括：(1)实验前的准备。初次操作的学生需要观察机器的外观，熟悉机器的各个部件、机器运行的安全注意事项和机器的预热。(2)基本操作流程：①选择纺丝加入原料加入丝油设置参数启动纺丝；②选择纺布加入原料设置参数启动纺布。(3)实验后的处理。机器的关闭和开机顺序相反。在学生操作过程中，如果操作错误，将进行相应的提示。

2.3 虚拟实验软件的制作

采用Adobe Photoshop CC制作实验项目场景和机器部件，每个部件都是参照机器说明书按照等比例进行制作，最大程度的模仿机器的外观。利用Adobe Flash中的actionscript 3.0进行编程，完成多媒体素材的组织，最后完成实验过程的模拟和操作。在虚拟实验中，每个步骤有详细的操作帮助，当学生进行不当操作的时候，会弹出提示，在正确实验流程进行操作后，才能进入到下一步。

图2 虚拟实验流程设计图

3 虚拟实验体验测试

3.1 学生问卷调查

将设计制作的“FCF-9无纺布与纺丝/BCF丝综合机虚拟实验_V1.0”软件发给学生使用体验。使用在线问卷调查工具“问卷星”设计调查问卷，总共10个问卷选项，包括9个客观选择题，1个主观意见反馈题。收集2014级纺织工程专业全体共53位同学使用虚拟实验后的反馈，有效回收率为100%，问卷调查结果客观选择题统计见表1。从反馈结果可以看出，100%的学生认为虚拟实验对实验操作的预习有帮助，98.11%的同学认为虚拟实验有助于了解仪器的构造、熟悉实验流程、可以带着问题进行实验操作、同时有助于课后巩固实验操作。但仍有小部分同学认为虚拟实验并不能够激发他们对实验课程的兴趣，用户界面还不够友好。问卷还征集了同学们对虚拟实验的意见和建议，有29位同学进行了反馈。主要建议包括：希望加入人工语音或者小动画，增加趣味性；希望看到成品的展示；希望每一步的说明更加详细；在原料的处理上能够更加接近真实等。

表1 学生对虚拟实验软件的使用评价

3.2 教师对虚拟实验的评价

请纺织工程专业4位专业课老师对设计的虚拟实验进行体验，均认为该虚拟实验设计合理，能够比较真实还原仪器的运行原理和操作流程，用户界面友好，用户体验感良好。生动的设计能够在课前激发学生的学习兴趣以及满足课前预习环节的需求，并且有利于学生课后复习，巩固学习效果。建议在下次更新版本的时候增加语音提示，能够在关键节点给予一定的讲解。

3.3 结论

学生通过虚拟实验预习实验流程，熟悉仪器性能特点及重要注意事项，在实际操作中加深对技术难点和关键点的把握，发现问题后可以在课后通过虚拟实验进行反复练习，实现实验情境再现，通过“虚-实-虚”的环节不断提高对实验的掌握程度。

4 结语

随着科技的进步，有更多虚拟现实的硬件和软件产品推出[7,8]，这将极大推动虚拟实验的发展，将虚拟实验和真实实验相结合是一种能够取长补短，资源最优化的组合实验教学方式，具有广泛的应用前景[9,10]。虚拟实验虽无法完全替代真实实验的技能训练，但在实验教学中作为学生课前预习和课后复习，初学者对仪器的熟悉过程都有很大的帮助，尤其对避免因不当操作而造成的危险和仪器损坏有重要的作用。未来，我们希望针对纺织类专业的实验教学特点，设计出更多的虚拟实验，构建一体化的虚拟实验平台，通过这种“虚实结合”的方式，实训为主，以虚补实，更好地促进纺织类实验教学的改革和发展。

[1] 陈小红. 虚拟实验室的研究现状及其发展趋势[J]. 中国现代教育装备, 2010(17):107-109.

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[3] 杜一宁. 虚拟实验的研究现状以及在教学中的意义[J]. 浙江海洋学院学报(自然科学版), 2010, 29(4):390-393.

[4] 刘泽良. 发挥虚拟实验室建设对实验教学的促进作用[J]. 实验技术与管理, 2011, 28(7):193-194.

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DesignandApplicationofaVirtualExperimentBasedonFCF-9Non-wovenandSpinning/BCFSilkThreadIntegratedMachine

MAYan1HUANGHe2WANGTao1LIZhi1RANRui-long1

(1.CollegeofTextileandGarment，SouthwestUniversity，Chongqing400715，China；2.CollegeofComputer&InformationScience,SouthwestUniversity，Chongqing400715，China)

The virtual experiment has gradually been applied in various kinds of experimental teaching as an informational method. This paper introduces the construction of a virtual experiment based on FCF-9 non-woven and spinning/BCF silk thread integrated machine. The results of a test show that not only can virtual experiment help the students in their self-study before and after class, arouse their interest and enhance the effectiveness of experimental teaching, it also can effectively relieve the resource consumption, dangerous factors, time-consuming shortcomings. Therefore, it is recommended that it be used as a supplement of traditional experiment teaching.

nonwovens;experimentalteaching;virtualexperiment

西南大学2016年实验技术研究项目(SYJ2016017)；中央高校基本科研业务费一般项目(XDJK2016C019)；中央高校基本科研业务费重点项目(XDJK2016B004)。

马 艳(1983-)，女，助理实验师，硕士。Email：mayan2@swu.edu.cn

冉瑞龙(1967-)，男，高级实验师，硕士。Email：rrl123@swu.edu.cn