VR技術(shù)在裝備實訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用

張仲華　趙欣　邱磊　聶秀輝

摘要：本文介紹了VR虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展及其在軍內(nèi)外教學(xué)中的應(yīng)用情況，分析了當(dāng)前裝備實訓(xùn)教學(xué)的現(xiàn)狀、存在的問題及VR技術(shù)應(yīng)用的優(yōu)勢，提出了VR技術(shù)在裝備實訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用及教學(xué)模式創(chuàng)新的建議。

關(guān)鍵詞：VR技術(shù);虛擬現(xiàn)實;裝備實訓(xùn)

中圖分類號：TP311? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

文章編號：1009-3044（2021）06-0103-02

隨著信息技術(shù)在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用向深度和廣度發(fā)展，高技術(shù)武器裝備層出不窮，近年來各種新型裝備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，機(jī)械化和自動化程度較高，技術(shù)保障難度大且不易掌握，在實裝上開展教學(xué)訓(xùn)練時受到很大的限制。本次研究以虛擬現(xiàn)實（VR）技術(shù)為基礎(chǔ)，以軍事裝備培訓(xùn)仿真系統(tǒng)建設(shè)為需求牽引，建成一套通用性強(qiáng)、可用性高的虛擬現(xiàn)實裝備培訓(xùn)開發(fā)平臺，完成基于VR的裝備保障智慧教室的建設(shè)，以滿足裝備實訓(xùn)教學(xué)的需要，實現(xiàn)軍械裝備訓(xùn)練虛擬化、系列化、便攜化。構(gòu)建基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的裝備實訓(xùn)教學(xué)，從教學(xué)設(shè)計、學(xué)員上機(jī)實訓(xùn)、形成性考核等方面形成具有軍械士官裝備實訓(xùn)特色的教學(xué)模式。

1 當(dāng)前VR技術(shù)的發(fā)展及其在軍內(nèi)外教學(xué)中的應(yīng)用

VR技術(shù)是仿真模擬技術(shù)中較為重要的發(fā)展方向，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在航空、制造、環(huán)境、娛樂、軍事等領(lǐng)域都有了很多成功的應(yīng)用。在軍事領(lǐng)域，美國由政府支持的VR虛擬裝備項目很多，例如有華盛頓州立大學(xué)和美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所NIST合作開發(fā)的虛擬裝配設(shè)計環(huán)境。美國Georgia技術(shù)研究所利用采用自動與交互結(jié)合的方式，開展虛擬環(huán)境中產(chǎn)品的可拆性分析。另外，在美國亞利桑那州立大學(xué)、Wichita州立大學(xué)、德國Fraunhofer工業(yè)工程研究所也都有針對VR虛擬裝備的專門研究。近年來，國內(nèi)的高校和各類科研所，也開展了各種虛擬現(xiàn)實裝備相關(guān)方面的課題，如清華大學(xué)、浙江大學(xué)、北京航空航天大學(xué)等就在虛擬規(guī)劃設(shè)計、人機(jī)交互設(shè)計、遠(yuǎn)程呈現(xiàn)等方面有重大進(jìn)展。虛擬現(xiàn)實技術(shù)以其獨特的技術(shù)優(yōu)勢在軍隊院校教育訓(xùn)練中也有所運用。在機(jī)械、后勤裝備的保障和信息化教學(xué)訓(xùn)練都有一定研究，開辟了軍隊院校教學(xué)理論與實踐緊密結(jié)合的新領(lǐng)域。

2 當(dāng)前裝備實訓(xùn)教學(xué)的現(xiàn)狀及存在的問題

隨著裝備更新?lián)Q代步伐不斷加快，當(dāng)前武器裝備在新材料、新工藝、新技術(shù)的應(yīng)用使其維修具有工作機(jī)理復(fù)雜、技術(shù)密集、新技術(shù)應(yīng)用多等特點，要求維修保障人員必須具有豐富的專業(yè)理論知識和較強(qiáng)的專業(yè)維修技能。在維修訓(xùn)練教學(xué)過程中，目前存在以下突出問題。

2.1 傳統(tǒng)的維修訓(xùn)練手段受裝備性能、環(huán)境等各種條件制約

當(dāng)前的裝備維修訓(xùn)練主要采用實裝訓(xùn)練+模擬維修訓(xùn)練兩種方式，各種層次培訓(xùn)均是以裝備和模擬器為載體，缺乏有效的任務(wù)區(qū)分，且受裝備性能和訓(xùn)練環(huán)境的制約。同時，學(xué)校培訓(xùn)任務(wù)重、培訓(xùn)員額多，專業(yè)教學(xué)往往出現(xiàn)幾個班次同時學(xué)習(xí)同一種型號裝備的現(xiàn)象，不易開展高效訓(xùn)練。

2.2 教學(xué)訓(xùn)練知識內(nèi)容缺乏有效的貫通，訓(xùn)練效果不理想

目前裝備分為系統(tǒng)構(gòu)造、工作原理、操作使用、檢查調(diào)整、故障排除等教學(xué)模塊。傳統(tǒng)的教學(xué)手段是將這些內(nèi)容按照不同的課程進(jìn)行歸納和層次的劃分，按照大綱進(jìn)行一門門課程的學(xué)習(xí)，造成各模塊之間缺乏有效的貫通，學(xué)員的裝備綜合訓(xùn)練效果不理想。

2.3 實裝維修訓(xùn)練價格高昂，且不能多批次同時展開

高昂的裝備價格使得專業(yè)維修教學(xué)成本很高，系統(tǒng)一旦故障需要大量的金錢和人力去完成恢復(fù)。同時，如實裝空間狹小，一次只能容許部分人員進(jìn)入裝備。裝備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不易拆卸展示內(nèi)部構(gòu)造等問題也使得裝備的訓(xùn)練效果大打折扣。

2.4 裝備訓(xùn)練缺乏有效的效果評估

傳統(tǒng)的裝備訓(xùn)練效果是通過課終考核來評判，不能完全展現(xiàn)出學(xué)員的技術(shù)水平。學(xué)員在訓(xùn)練過程中出現(xiàn)的一些技術(shù)性失誤，教員如果沒有及時發(fā)現(xiàn)糾正，也會造成學(xué)員錯誤的認(rèn)知。同時，錯誤的操作也給裝備的安全帶來隱患。所以，過程性的訓(xùn)練評估也是當(dāng)前裝備維修教學(xué)中亟待解決的問題。

3 VR技術(shù)在裝備實訓(xùn)教學(xué)上的優(yōu)勢

3. 1 可以反復(fù)多次訓(xùn)練

彌補(bǔ)因裝備、訓(xùn)練場地、經(jīng)費、氣象等訓(xùn)練條件的不足，使受訓(xùn)人員足不出戶便可以反復(fù)進(jìn)行各種虛擬條件下的裝備操作，可以完全脫離裝備、場地的限制，適合不同地域的部隊及院校教學(xué)訓(xùn)練使用。

3.2 模擬效果逼真，提高訓(xùn)練的安全性

受訓(xùn)者在規(guī)定的訓(xùn)練課目內(nèi)不斷與虛擬系統(tǒng)進(jìn)行交互操作，達(dá)到近乎真實的立體環(huán)境和臨場感受，并且能夠較好地改善實裝訓(xùn)練安全系數(shù)較低，易于造成人員傷亡的狀況。能夠?qū)⒕S修指導(dǎo)知識與維修訓(xùn)練場景很好地結(jié)合在一起，在學(xué)習(xí)中指導(dǎo)訓(xùn)練，在訓(xùn)練中學(xué)習(xí)知識，極大提高教學(xué)效率，避免誤操作導(dǎo)致裝備損傷，壽命縮短的情況發(fā)生。

3.3 訓(xùn)練靈活性強(qiáng)易操作，學(xué)員學(xué)習(xí)積極性高

系統(tǒng)可反復(fù)使用并持續(xù)升級，突破傳統(tǒng)實裝訓(xùn)練+模擬維修訓(xùn)練兩種模式，進(jìn)行有效的任務(wù)區(qū)分;并且能夠合理控制和分配教學(xué)和上機(jī)模擬實訓(xùn)時間，進(jìn)行針對性教學(xué)設(shè)計。聯(lián)網(wǎng)模式下可以進(jìn)行科目跨校區(qū)、跨專業(yè)協(xié)同訓(xùn)練，從而增強(qiáng)學(xué)員的學(xué)習(xí)熱情，豐富教學(xué)資源。

4 VR技術(shù)在裝備實訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用研究

4.1 創(chuàng)設(shè)實戰(zhàn)化教學(xué)情境

將教學(xué)融入創(chuàng)設(shè)的實戰(zhàn)化情境中，使學(xué)習(xí)者在所營造的實戰(zhàn)化情境中形成最直觀的感知和認(rèn)識。通過采集圖片、編輯視頻、制作多媒體課件等形式，構(gòu)建虛擬戰(zhàn)場環(huán)境，為實戰(zhàn)化教學(xué)營造一種險象環(huán)生、身臨其境的立體戰(zhàn)場環(huán)境，使學(xué)員在幾近真實的場景中投入全身心的學(xué)習(xí)、感知、探索中，使學(xué)員的主動性、積極性、創(chuàng)造性得到較充分的發(fā)揮。

分析當(dāng)前實訓(xùn)教學(xué)現(xiàn)狀和矛盾，開展基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的裝備實訓(xùn)教學(xué)模式的研究，將維修指導(dǎo)知識與維修訓(xùn)練場景很好地結(jié)合在一起，在裝備實訓(xùn)過程中盡量采用案例式的教學(xué)方法，實現(xiàn)案例的情景再現(xiàn)。加強(qiáng)教學(xué)策略設(shè)計，實現(xiàn)基于軍械裝備特色的案例教學(xué)、情景教學(xué)、自主學(xué)習(xí)和探索學(xué)習(xí)策略設(shè)計。

4.2 以信息化知識引導(dǎo)基本操作訓(xùn)練

裝備實裝信息化操作科目，是適應(yīng)未來信息化戰(zhàn)爭的現(xiàn)實需求。應(yīng)尤其重視光學(xué)、電磁學(xué)等與信息化、計算機(jī)和虛擬仿真相關(guān)的專業(yè)基礎(chǔ)知識的學(xué)習(xí)和了解，掌握現(xiàn)代先進(jìn)武器裝備的抗干擾、抗毀傷以及防自擾等方面的特性，注重分析機(jī)械化戰(zhàn)爭和現(xiàn)代信息化戰(zhàn)爭的不同戰(zhàn)場特征，要意識到對于現(xiàn)代信息化戰(zhàn)爭，電磁將作為一種十分重要的信息化作戰(zhàn)資源，而用頻作戰(zhàn)又是其中十分重要的新領(lǐng)域和新方法。

4.3 典型故障模擬和維修訓(xùn)練

裝備實訓(xùn)教學(xué)中要注意改進(jìn)專業(yè)維修訓(xùn)練保障方式。在VR系統(tǒng)中運用聲音、波形、儀表等表現(xiàn)方法來模擬裝備實訓(xùn)教學(xué)中的典型故障，進(jìn)而讓學(xué)員根據(jù)故障的表現(xiàn)來分析和研究故障產(chǎn)生的原因，從而進(jìn)一步選擇恰當(dāng)?shù)墓ぞ吆蛢x表開展維修訓(xùn)練。虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以做到根據(jù)裝備狀態(tài)進(jìn)行故障檢測，確定故障現(xiàn)象，可跟蹤故障排除過程并結(jié)合故障樹輔助故障診斷，同時結(jié)合具體組合給出拆卸提示，能極大地提高維修效率，減少誤操作。裝備實訓(xùn)教學(xué)的過程中應(yīng)當(dāng)讓學(xué)習(xí)者在虛擬教學(xué)系統(tǒng)平臺上依次輪流操作，其他學(xué)員通過投影儀等設(shè)備觀看操作過程，提高學(xué)習(xí)積極性和參與性。

4.4 基于VR的形成性考核評估

注重實裝教學(xué)中虛擬上機(jī)時間的分配，注重形成性考核的研究，確保實訓(xùn)過程中的系統(tǒng)學(xué)習(xí)。在裝備實訓(xùn)教學(xué)過程中，注意課堂教學(xué)、虛擬實驗、技能訓(xùn)練、探索學(xué)習(xí)的有機(jī)融合，充分利用虛擬設(shè)備系統(tǒng)條件，合理優(yōu)化教學(xué)設(shè)計。實現(xiàn)形成性考核評估，注重裝備實訓(xùn)過程研究;實現(xiàn)精準(zhǔn)教學(xué)，通過教學(xué)平臺最大限度地激活學(xué)員的主觀能動性和學(xué)習(xí)潛能，實現(xiàn)真正“以學(xué)員為中心”。

4.5 開發(fā)仿真訓(xùn)練系統(tǒng)，建設(shè)裝備實訓(xùn)智慧教室

開發(fā)仿真訓(xùn)練系統(tǒng)，開展單機(jī)仿真教學(xué)、投入式仿真教學(xué)、網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)等，教學(xué)設(shè)計中注重人機(jī)交互設(shè)計、虛擬現(xiàn)實四重性原則，加強(qiáng)實訓(xùn)教學(xué)的功能化模塊，提高教學(xué)設(shè)計的復(fù)用性。同時，開發(fā)基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的通用武器裝備實訓(xùn)教學(xué)平臺，將教、學(xué)和訓(xùn)練統(tǒng)一在平臺上，體現(xiàn)教學(xué)訓(xùn)練的針對性，系統(tǒng)性;并在此基礎(chǔ)上建立全方位的裝備保障智慧教室。

4.6 緊跟裝備發(fā)展動態(tài)，建立動態(tài)演化的平臺

在裝備實訓(xùn)教學(xué)過程中，應(yīng)緊跟裝備發(fā)展動態(tài)，建立動態(tài)演化的平臺。實現(xiàn)平臺的訓(xùn)練裝備可擴(kuò)展、訓(xùn)練內(nèi)容可擴(kuò)展、考核指令可擴(kuò)充。系統(tǒng)為用戶提供了題庫數(shù)據(jù)導(dǎo)入、更新與數(shù)據(jù)備份、恢復(fù)等功能，可以適時更新平臺數(shù)據(jù)庫，適應(yīng)不同地域的部隊及院校教學(xué)訓(xùn)練需要。

5 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在裝備教學(xué)應(yīng)用中需要注意的幾點問題

盡管虛擬現(xiàn)實技術(shù)在裝備教學(xué)中擁有著較大的優(yōu)勢，但是仍表現(xiàn)出以下幾個方面的不足和局限性。

5.1 開發(fā)難度較大，周期較長

通常利用VR技術(shù)開發(fā)的模擬訓(xùn)練平臺需要開發(fā)者較為熟練、專業(yè)地掌握3DSMax、Questc3D等多個軟件和相關(guān)程序，系統(tǒng)開發(fā)難度較大，從建模到模擬系統(tǒng)平臺的實現(xiàn)、調(diào)試等工作量較大，開發(fā)周期相應(yīng)也比較長。

5.2 有其特定的適用性

并非所有的裝備實訓(xùn)教學(xué)都需要采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，如在某些裝備終端界面的操作教學(xué)與訓(xùn)練過程中，因為沒有空間位置的轉(zhuǎn)換因素，而僅僅是終端界面的切換，這個時候采用其他技術(shù)手段開發(fā)仿真系統(tǒng)更加易于實現(xiàn)，因而可以不采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)。

5.3 無法完全代替真實的實踐教學(xué)

無論虛擬仿真系統(tǒng)平臺設(shè)計得如何逼真，虛擬場景中的操作與真實裝備上的操作有著較大的區(qū)別。對于學(xué)習(xí)者來說，真正動手操作實際裝備的效果優(yōu)于任何虛擬系統(tǒng)的教學(xué)。所以說，基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的裝備實訓(xùn)教學(xué)能夠在一定程度上替代某些訓(xùn)練內(nèi)容，但不能完全替代實踐教學(xué)。

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【通聯(lián)編輯：梁書】