VR技術(shù)在實(shí)戰(zhàn)化教學(xué)中的應(yīng)用研究

張佳+黎敏謙+李振杰+李偉

摘要：實(shí)戰(zhàn)化教學(xué)是軍隊(duì)院校提出的新理念。通過(guò)實(shí)戰(zhàn)化教學(xué)訓(xùn)練，目的是為了造就“能打仗，打勝仗”的新型士官人才。筆者以艦艇防化專業(yè)為例，結(jié)合相關(guān)教學(xué)案例，簡(jiǎn)單介紹了VR的基本概念和所需條件，在此基礎(chǔ)上，重點(diǎn)闡述了在實(shí)戰(zhàn)化教學(xué)中運(yùn)用VR技術(shù)的幾種應(yīng)用方式。

關(guān)鍵詞：VR技術(shù)；實(shí)戰(zhàn)化教學(xué)；艦艇防化

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）12-0172-03

Abstract： The real-combat teaching is a new idea of military colleges. It aims to cultivate a new type of sergeant talent who can fight and can win battles. Take ships chemical defense profession for example， combined with related cases，the article firstly introduces the basic concepts of VR technology and its features. On this basics， Emphasis on several applications of VR technology in the practical teaching.

Key words： VR technology； real-combat teaching； ships chemical defense

實(shí)戰(zhàn)化教學(xué)是軍隊(duì)院校提升人才培養(yǎng)質(zhì)量，造就大批“能打仗、打勝仗”軍事人才的基本途徑[1]。而在實(shí)際實(shí)施過(guò)程中，由于院校人才培養(yǎng)與作戰(zhàn)行動(dòng)、部隊(duì)訓(xùn)練之間的差異性，比如場(chǎng)地、人員、裝備等方面的限制，這就導(dǎo)致院校實(shí)戰(zhàn)化教學(xué)與真正的實(shí)戰(zhàn)存在著差異。以艦艇防化專業(yè)為例，艦艇防化專業(yè)的教學(xué)對(duì)象為海軍戰(zhàn)斗艦艇防化部門的士官，是執(zhí)行反核生化作戰(zhàn)保障任務(wù)的重要力量，在教學(xué)過(guò)程中必須堅(jiān)持“教為戰(zhàn)、訓(xùn)為戰(zhàn)、練為戰(zhàn)”，按照部隊(duì)實(shí)戰(zhàn)裝備訓(xùn)練標(biāo)準(zhǔn)，從難從嚴(yán)進(jìn)行專業(yè)裝備使用、管理與維修等各項(xiàng)實(shí)戰(zhàn)性操作訓(xùn)練，然而，由于院校場(chǎng)地、人員、裝備等方面的限制，不能保證在教學(xué)的過(guò)程中進(jìn)行實(shí)裝、實(shí)毒的訓(xùn)練。而VR（虛擬現(xiàn)實(shí)）技術(shù)能較好地解決這一問(wèn)題。

1 VR的基本概念及所需的條件

VR技術(shù)是近年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)與仿真理論發(fā)展起來(lái)的一門新型學(xué)科，是由計(jì)算機(jī)和電子技術(shù)創(chuàng)造一個(gè)看似真實(shí)的模擬環(huán)境。其采用計(jì)算機(jī)生成逼真的三維視、聽(tīng)、嗅等感覺(jué)，使人作為參與者通過(guò)多種傳感設(shè)備，沉浸在模擬環(huán)境中，從而對(duì)虛擬世界進(jìn)行體驗(yàn)和交互作用。VR的沉浸感、交互性和構(gòu)想性，使其在教育領(lǐng)域內(nèi)有巨大的應(yīng)用前景。

根據(jù)構(gòu)造虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)沉浸感的程度不同，VR系統(tǒng)可分成以下幾類，桌面VR系統(tǒng)、沉浸式VR系統(tǒng)、分布式VR系統(tǒng)和遙感式VR系統(tǒng)。桌面VR系統(tǒng)使用個(gè)人計(jì)算機(jī)和低級(jí)工作站實(shí)現(xiàn)仿真，計(jì)算機(jī)的屏幕作為參與者觀察虛擬環(huán)境的一個(gè)窗口，各種外部設(shè)備一般用來(lái)駕馭該虛擬環(huán)境，并用于操縱虛擬場(chǎng)景中的各種物體。沉浸式VR系統(tǒng)利用頭盔顯示器和數(shù)據(jù)手套等交互設(shè)備把用戶的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和其他感覺(jué)封閉起來(lái)，使參與者暫時(shí)與真實(shí)環(huán)境隔離，真正成為VR系統(tǒng)內(nèi)部的一個(gè)參與者。而遙感式VR系統(tǒng)是將來(lái)自遙遠(yuǎn)地區(qū)真實(shí)物理實(shí)體的三維圖像與計(jì)算機(jī)生成的虛擬物體結(jié)合起來(lái)，用戶雖與某個(gè)真實(shí)現(xiàn)場(chǎng)相隔遙遠(yuǎn)，但可以通過(guò)計(jì)算機(jī)和電子裝置獲得足夠的現(xiàn)實(shí)感覺(jué)和交互，似身臨其境，并可以介入對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的遙控操作。分布式VR系統(tǒng)則是在沉浸式VR系統(tǒng)的基礎(chǔ)上將不同的用戶連接在一起，共享同一個(gè)虛擬空間，使用戶協(xié)同工作達(dá)到一個(gè)更高的境界。

實(shí)現(xiàn)VR技術(shù)所需的硬件主要有計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)手套、特殊的頭盔、三維立體傳感、投影儀等配套設(shè)備。其常用軟件主要有：目前大多計(jì)算機(jī)使用的是Windows操作系統(tǒng)，且微軟公司已經(jīng)提供了OpenGL等圖形API。在計(jì)算機(jī)上建立三維虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)一般使用此圖形API。另外， 還有DELMIA（Digital Enterprise Lean Manufacturing Interactive Application）、CDVI、Cool3D 、VRCO VisTool等，它們均可在PC機(jī)或工作站上運(yùn)行，使用十分方便。

2 VR技術(shù)在實(shí)戰(zhàn)化教學(xué)中的應(yīng)用

2.1利用VR技術(shù)教學(xué)可采用的方式

由于VR技術(shù)可以對(duì)真實(shí)世界的行為活動(dòng)進(jìn)行仿真，并對(duì)用戶的位置、動(dòng)作、語(yǔ)言等做出實(shí)時(shí)響應(yīng)，借助傳感器等設(shè)備可以使參與者以接近自然的方式與虛擬環(huán)境中的對(duì)象進(jìn)行交互，從而使參與者和虛擬環(huán)境之間建立起實(shí)時(shí)的交互關(guān)系，產(chǎn)生與真實(shí)環(huán)境中相似的感覺(jué)體驗(yàn)。因此，利用VR技術(shù)教學(xué)可采用以下幾種方式。

2.1.1 探究型教學(xué)

探究學(xué)習(xí)是指運(yùn)用探究的方式進(jìn)行的學(xué)習(xí)活動(dòng)和過(guò)程，亦即學(xué)員在教員的指導(dǎo)下，主動(dòng)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，以一種類似科學(xué)研究的方法對(duì)問(wèn)題進(jìn)行分析和研究，從而達(dá)到問(wèn)題解決和知識(shí)獲得的過(guò)程與活動(dòng)。探究型教學(xué)能啟發(fā)引導(dǎo)學(xué)員獨(dú)立的探索知識(shí)，讓學(xué)員通過(guò)積極的思維活動(dòng)，概括得出有關(guān)的結(jié)論，系統(tǒng)訓(xùn)練其科學(xué)探究能力。在核武器教學(xué)中，核爆炸毀傷效應(yīng)的綜合作用與防護(hù)一課中，學(xué)員無(wú)法在感受核爆炸的作用效果，對(duì)于防護(hù)也只能紙上談兵。利用VR技術(shù)模擬核爆炸實(shí)戰(zhàn)環(huán)境，通過(guò)學(xué)員模擬感知，探究并總結(jié)核爆炸的特征，閃光——火球—煙云團(tuán)，讓學(xué)員不僅能切身體會(huì)核爆炸場(chǎng)景還能訓(xùn)練其實(shí)戰(zhàn)中的防護(hù)能力，通過(guò)VR技術(shù)既能解決無(wú)法施展的問(wèn)題，又能激發(fā)學(xué)員的學(xué)習(xí)興趣，掌握基本技能。

2.1.2 虛擬仿真教學(xué)

能否熟練的操作裝備是學(xué)員戰(zhàn)斗力的重要體現(xiàn)。但在實(shí)際的教學(xué)過(guò)程中，院校的裝備往往跟不上部隊(duì)，也適應(yīng)不了教學(xué)的要求。采用VR技術(shù)對(duì)裝備等所有教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行整體仿真，能有效地解決這一問(wèn)題。通過(guò)構(gòu)建虛擬的環(huán)境，讓學(xué)員通過(guò)鍵盤和鼠標(biāo)在虛擬的時(shí)空中任意與教學(xué)內(nèi)容交互漫游，使學(xué)員在交互的同時(shí)進(jìn)行技能訓(xùn)練、考核等工作。以防化專業(yè)某新型核輻射儀虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)為例。通過(guò)軟件構(gòu)建某新型輻射儀的模型，學(xué)員不僅可以通過(guò)鼠標(biāo)、鍵盤等其他人機(jī)交互設(shè)備操作，在虛擬的設(shè)備上查看每個(gè)開(kāi)關(guān)按鈕的安裝位置及每個(gè)儀表的顯示內(nèi)容，并在相應(yīng)的位置配有語(yǔ)音動(dòng)畫(huà)等內(nèi)容，比較全面的介紹其功能和使用方法從而實(shí)現(xiàn)原理教學(xué)，而且可通過(guò)傳感器等對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的虛擬操作，以實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的操作訓(xùn)練。采用這種方式既可以解決教學(xué)中沒(méi)有或者缺少實(shí)際新型裝備，無(wú)法進(jìn)行實(shí)裝教學(xué)的難題，還可以激發(fā)學(xué)員的學(xué)習(xí)興趣，為學(xué)員提供虛擬操作機(jī)會(huì)。

2.1.3 虛擬維修教學(xué)

維修是學(xué)員的一項(xiàng)重要技能。通過(guò)VR技術(shù)構(gòu)建包含裝備的虛擬維修場(chǎng)景，為學(xué)員提供一個(gè)虛擬的維修時(shí)空，使學(xué)員能修到“裝備”。在這個(gè)時(shí)空中既包含裝備的結(jié)構(gòu)，故障的現(xiàn)象，又能真實(shí)的展現(xiàn)裝備維修的過(guò)程，同時(shí)能對(duì)學(xué)員的維修動(dòng)作進(jìn)行反饋。同樣以艦艇防化專業(yè)某型偵毒器為例，通過(guò)到裝備的使用部隊(duì)去收集故障案例，并將其加入到整個(gè)維修訓(xùn)練系統(tǒng)中，使其重現(xiàn)故障現(xiàn)象，學(xué)員通過(guò)所學(xué)分析故障的原因并提交相對(duì)應(yīng)的故障維修方案，方案正確后學(xué)員通過(guò)傳感器或其他人機(jī)交互設(shè)備對(duì)虛擬設(shè)備進(jìn)行“維修”。在維修的過(guò)程中，系統(tǒng)自動(dòng)記錄整個(gè)過(guò)程，操作錯(cuò)誤時(shí)進(jìn)行正確的指導(dǎo)，并對(duì)其進(jìn)行評(píng)估，得出本次維修的效果。采用這種方式可以排除人為實(shí)操造成裝備故障而影響裝備壽命，同時(shí)又能使學(xué)員形成裝備維修的能力。

2.1.4 任務(wù)驅(qū)動(dòng)式教學(xué)

將任務(wù)驅(qū)動(dòng)式教學(xué)融入虛擬環(huán)境中，通過(guò)VR技術(shù)模擬真實(shí)的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，學(xué)員利用傳感器等設(shè)備在模擬的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中完成教員下達(dá)的作戰(zhàn)任務(wù)。這種教學(xué)方式是學(xué)員在熟練掌握裝備操作和維修技能的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，是虛擬仿真和維修教學(xué)的延伸。在這種方式中，教員就是整個(gè)戰(zhàn)場(chǎng)的指揮員，而學(xué)員就是戰(zhàn)場(chǎng)上的一名士兵，學(xué)員通過(guò)對(duì)虛擬設(shè)備的操作在虛擬的戰(zhàn)場(chǎng)上進(jìn)行配合，完成作戰(zhàn)任務(wù)。在這種教學(xué)方式下，教學(xué)的環(huán)境接近真實(shí)的戰(zhàn)場(chǎng)，作戰(zhàn)的任務(wù)是教員在作戰(zhàn)部隊(duì)中搜集來(lái)的，因此，學(xué)員能通過(guò)此訓(xùn)練練就與實(shí)戰(zhàn)要求相適應(yīng)的作戰(zhàn)能力。

2.2利用VR技術(shù)教學(xué)的應(yīng)用案例

以某型輻射儀虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)為例，如圖1，該系統(tǒng)以輻射儀為研究對(duì)象，包括原理教學(xué)、實(shí)操訓(xùn)練、維修訓(xùn)練、作戰(zhàn)任務(wù)四個(gè)模塊。整個(gè)系統(tǒng)包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩個(gè)部分，硬件系統(tǒng)主要由服務(wù)器（主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換）、控制臺(tái)（主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理）、VR設(shè)備（主要實(shí)現(xiàn)交互）、環(huán)境顯示設(shè)備（主要實(shí)現(xiàn)虛擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境）等構(gòu)成，軟件系統(tǒng)以Windows XP操作系統(tǒng)為搭載平臺(tái)，利用VS .NET平臺(tái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，采用Muhigen Creator構(gòu)建模型數(shù)據(jù)庫(kù)，利用Solidworks構(gòu)建裝備零部件的模型，依托先進(jìn)的圖形學(xué)理論開(kāi)發(fā)的仿真集成開(kāi)發(fā)平臺(tái)PostEngineer完成環(huán)境建模，實(shí)現(xiàn)仿真軟件。

該系統(tǒng)能完成以下功能：

1）與實(shí)裝的一致性

能通過(guò)VR設(shè)備對(duì)虛擬的裝備進(jìn)行操作，其操作動(dòng)作、信息顯示、信號(hào)流程等與實(shí)裝一致。

2）能進(jìn)行原理、實(shí)操、維修、任務(wù)式教學(xué)和訓(xùn)練

通過(guò)原理教學(xué)模塊可完成原理教學(xué)、資料查詢等功能，通過(guò)實(shí)操訓(xùn)練模塊可對(duì)虛擬裝備與實(shí)裝一致的操作訓(xùn)練和拆裝訓(xùn)練，通過(guò)維修模塊可進(jìn)行模擬維修操作，通過(guò)作戰(zhàn)任務(wù)模塊可完成與作戰(zhàn)部隊(duì)相適應(yīng)的作戰(zhàn)任務(wù)。

3）能進(jìn)行操作管理

能進(jìn)行訓(xùn)練管理，記錄教學(xué)、自學(xué)和訓(xùn)練的時(shí)間、內(nèi)容、人員等信息。

4）能進(jìn)行考核評(píng)估

能對(duì)受訓(xùn)者進(jìn)行裝備知識(shí)、裝備訓(xùn)練操作和裝備維修操作的考核。

系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程為：運(yùn)行程序，進(jìn)入主界面后，可進(jìn)行功能選擇，假設(shè)選擇作戰(zhàn)任務(wù)模塊，進(jìn)入模擬訓(xùn)練后，可選擇相應(yīng)的任務(wù)進(jìn)行訓(xùn)練，學(xué)員在投影設(shè)備產(chǎn)生的虛擬環(huán)境中通過(guò)VR設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)操作。系統(tǒng)將記錄學(xué)員的每一個(gè)動(dòng)作及動(dòng)作的時(shí)機(jī)，訓(xùn)練完畢，系統(tǒng)將根據(jù)學(xué)員的操作情況，對(duì)其進(jìn)行評(píng)估和打分。

3 思考

在利用VR技術(shù)實(shí)現(xiàn)艦艇防化專業(yè)實(shí)戰(zhàn)化時(shí)，收獲頗多，但仍存在一些疑惑與問(wèn)題：

1）目前虛擬教學(xué)還存在很多缺陷，技術(shù)也不太成熟，對(duì)于防化專業(yè)課有些比較合適比如核武器，毒劑化驗(yàn)等，而部分課程不太適合，而且對(duì)教員的能力素質(zhì)，例如計(jì)算機(jī)能力水平要求比較高。

2）信息技術(shù)和防化軍事技術(shù)是不斷向前發(fā)展的，因此艦艇防化專業(yè)士官的技能和水平也要隨之不斷向前發(fā)展。因此該系統(tǒng)中就要不斷地增加實(shí)戰(zhàn)部隊(duì)的新戰(zhàn)法和新任務(wù)，以使其貼近實(shí)戰(zhàn)、貼近部隊(duì)，使其培養(yǎng)的學(xué)員能成為上崗頂用的專業(yè)人才。

4 結(jié)束語(yǔ)

“能打仗，打勝仗”是軍事教育的目的，實(shí)戰(zhàn)化教學(xué)是軍隊(duì)院校教育向部隊(duì)實(shí)戰(zhàn)崗位靠攏、提高軍事訓(xùn)練實(shí)戰(zhàn)化水平的一項(xiàng)具體舉措，是培養(yǎng)適應(yīng)實(shí)戰(zhàn)需求士官人才的有效途徑。而開(kāi)展實(shí)戰(zhàn)化訓(xùn)練，必須瞄準(zhǔn)信息化條件下戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)裝備執(zhí)掌人員的新要求，不斷創(chuàng)新教學(xué)訓(xùn)練方法手段。在VR技術(shù)的支持下，虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)能夠?qū)ΜF(xiàn)實(shí)的戰(zhàn)場(chǎng)進(jìn)行模擬并在學(xué)員訓(xùn)練過(guò)程中提供視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等感受，使學(xué)員能在“酷似”實(shí)戰(zhàn)的環(huán)境中得到與實(shí)裝訓(xùn)練同樣的效果。從實(shí)際教學(xué)效果分析，學(xué)員學(xué)習(xí)的積極主動(dòng)性增強(qiáng)，對(duì)裝備知識(shí)原理理解更加透徹，課堂氣氛活躍，通過(guò)任務(wù)驅(qū)動(dòng)式教學(xué)，極大地激發(fā)了學(xué)員的自信心和學(xué)習(xí)熱情，達(dá)到了實(shí)戰(zhàn)化教學(xué)的目的。

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