國防工程專業(yè)課程虛擬情景仿真教學運用問題探究

蔡艷平　　王濤　　馮國彥　　李艾華　　石林鎖

（火箭軍工程大學 五系，陜西 西安 710025）

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國防工程專業(yè)課程虛擬情景仿真教學運用問題探究

蔡艷平王濤馮國彥李艾華石林鎖

（火箭軍工程大學 五系，陜西 西安 710025）

摘要：國防工程管理專業(yè)的專業(yè)課程，具有課時較少，課程授課內(nèi)容多，知識覆蓋面寬，實踐操作性要求高的特點。傳統(tǒng)的課堂灌輸式教學，學生缺乏興趣，且理論與實踐脫節(jié)，教學效果欠佳。傳統(tǒng)教學模式已不能滿足實際需要，迫切需要一種現(xiàn)代化的教學方法來代替?zhèn)鹘y(tǒng)純理論講授模式。文章圍繞虛擬情景仿真教學法在國防工程教學實踐中的應(yīng)用進行研究，以培養(yǎng)學員的綜合實踐能力為目標，具有非常重要的現(xiàn)實意義。

關(guān)鍵詞：國防工程；虛擬情景仿真；教學；模塊；設(shè)計

引言

國防工程管理專業(yè)的專業(yè)課程，由于其自身的特點，需要克服以下教學難題：一是課程授課內(nèi)容多，知識覆蓋面寬，前期課程學時較少，教學形式主要以課堂理論授課為主，手段比較單一，需要改革教學手段和教學模式；二是為解決課程無實驗的不足，突出理論與實踐的結(jié)合，提出虛擬情景仿真教學模式和方法，以培養(yǎng)學員的真實感知能力、實際動手能力和工程應(yīng)用能力；三是由于學員課內(nèi)學時少，而課程信息量大、無課外自學平臺，學員難以很好掌握課程內(nèi)容，教學效果不好，因此需要拓展教學空間，開發(fā)虛擬情景仿真教學系統(tǒng)，以彌補課堂教學不足。因此，在國防工程管理專業(yè)的專業(yè)課程中運用情景教學，創(chuàng)設(shè)與教學內(nèi)容相適應(yīng)的具體場景或氛圍，引發(fā)學生的情感體驗，使其快速且正確地理解教學內(nèi)容，提高教學效率，無疑是一種有益的嘗試。

一、虛擬情景教學功能設(shè)計

為適應(yīng)國防工程人才培養(yǎng)需求，對國防工程課程的虛擬情景教學功能設(shè)計如下：（1）構(gòu)建國防工程綜合信息管理系統(tǒng)所有設(shè)備的三維模型，實現(xiàn)國防工程綜合信息管理系統(tǒng)及設(shè)備的虛擬管理和交互式訓練功能；（2）開發(fā)面向?qū)W員培養(yǎng)目標的裝備虛擬情景教學功能，實現(xiàn)教學、訓練、自測、考核等不同訓練模式下的教學內(nèi)容和模式優(yōu)化，解決不同功能需求和教學目標的國防工程綜合信息管理系統(tǒng)教學問題；（3）突破空間、時間的限制，實現(xiàn)逼真的裝備虛擬分解與裝配、檢修流程、維修訓練、操作、考核的全過程三維動態(tài)模擬仿真，用虛擬訓練的方法解決國防工程綜合信息管理系統(tǒng)的教學訓練難題；（4）按照熟悉、獲取、實踐、確認的認知模型，將國防工程綜合信息管理系統(tǒng)的教學訓練過程分為講解演示、自主學習、引導式訓練、自主訓練、自測、考核等過程，開拓國防工程綜合信息管理系統(tǒng)“以軟代實、以虛代實、虛實結(jié)合”的新型訓練模式。國防工程綜合信息管理設(shè)備及系統(tǒng)的虛擬情景教學功能如下：

（1）能將綜合信息設(shè)備及系統(tǒng)的三維立體模型按照實物結(jié)構(gòu)進行展示，實現(xiàn)設(shè)備總成所有零部件的全景顯示，并能從任意角度和以任意比例進行瀏覽，實現(xiàn)設(shè)備零部件認知。

（2）能實現(xiàn)綜合信息設(shè)備及系統(tǒng)工作過程仿真功能，能展示綜合信息設(shè)備及系統(tǒng)外部無法觀察的電氣關(guān)系、控制關(guān)系、關(guān)聯(lián)關(guān)系以及信息流傳遞關(guān)系。

（3）能實現(xiàn)綜合信息設(shè)備及系統(tǒng)虛擬接線功能，能實現(xiàn)按照接線工藝流程所規(guī)定的順序設(shè)置接線步驟和關(guān)卡，引導學員對綜合信息設(shè)備及系統(tǒng)進行接線操作。

（4）能實現(xiàn)綜合信息設(shè)備及系統(tǒng)檢查測量調(diào)整功能，能自動演示各檢查調(diào)整項目的步驟和操作過程，使學員盡快了解受訓內(nèi)容，指導學員嚴格按照綜合信息設(shè)備及系統(tǒng)維護的技術(shù)要求，進行強化訓練。

圖1本項目虛擬情景仿真教學模塊組成

二、虛擬情景仿真教學模塊開發(fā)

“國防工程綜合信息管理系統(tǒng)”虛擬情景仿真教學模塊在傳統(tǒng)的信息管理系統(tǒng)教學基礎(chǔ)上通過計算機中的虛擬場景和運動仿真，可實現(xiàn)以逼真自然的方式與虛擬環(huán)境中的國防工程綜合信息管理系統(tǒng)對象進行交互操作，突破了傳統(tǒng)教學中理論知識難以理解，工作流程難以掌握，教學無法深入實裝現(xiàn)場的限制。虛擬情景仿真教學模塊的教學功能主要分為環(huán)境監(jiān)控子系統(tǒng)、火災(zāi)報警子系統(tǒng)、音視頻監(jiān)控子系統(tǒng)、門禁控制子系統(tǒng)、周邊警戒子系統(tǒng)、智能廣播子系統(tǒng)、綜合管理平臺和相關(guān)資源8大模塊。圖1為虛擬情景仿真教學模塊組成。

三、虛擬情景教學模式設(shè)計

按照熟悉、獲取、實踐、確認的認知模型，可以將國防工程綜合信息管理系統(tǒng)教學過程分為熟悉和掌握知識和技能、實踐練習和操作能力確認，即可以用學習——練習——考核來簡單描述課程學習過程，進一步可分解為講解演示——自主學習——引導式訓練——自主訓練——自測——考核。圖2給出了學員對國防工程綜合信息管理系統(tǒng)的認知流程。

圖2學員對國防工程綜合信息管理系統(tǒng)的認知流程

（一）講解演示模式設(shè)計

國防工程綜合信息管理系統(tǒng)教學過程中的講解演示過程不僅是裝備操作、使用、維護過程在虛擬環(huán)境中的表現(xiàn)過程，同時也是體現(xiàn)教員教學意愿、學員訓練意愿，表達訓練內(nèi)容中知識信息形成、穩(wěn)定、鞏固的教學過程。講解演示訓練模式下學員學習活動示意圖如圖3所示，講解演示模式下的教學界面如圖4所示。

圖3講解演示訓練模式下學員學習活動示意圖

圖4講解演示模式下的教學界面

講解演示內(nèi)容一般不會嚴格按照拆裝過程組織，而是抽取拆裝過程中的知識點進行說明和強調(diào)。以虛擬分解結(jié)合為例，講解的重點在于分解結(jié)合的程序、重要的操作步驟、重要的操作流程、特殊的拆裝操作等。

（二）引導教學模式設(shè)計

引導式教學訓練是指學員在教員或系統(tǒng)的提示和引導下完成實踐活動的訓練方式，其過程與實際裝備操作過程基本一致，不同點在于存在引導和提示信息。該模式下裝備虛擬操作訓練過程的關(guān)系示意如圖5所示，引導訓練模式下的教學界面如圖6所示。

圖5引導式訓練模式下裝備虛擬操作訓練過程示意圖

圖6引導訓練模式下的教學界面

（三）自主教學模式設(shè)計

自主教學訓練模式下，不對學員的操作過程進行控制，完全根據(jù)虛擬裝備的約束狀態(tài)和交互特性自主地做出響應(yīng)。該模式下，學員的交互任務(wù)與裝備實際操作中的交互基本一致，不同的是此時學員可以尋求幫助，獲取操作提示或演示。該模式下的教學訓練過程示意如圖7所示，自主訓練模式下的教學界面如圖8所示。

圖7自主訓練模式下教學訓練過程示意圖

在本項目中，國防工程綜合信息管理系統(tǒng)虛擬情景仿真模塊對裝備操作過程的虛擬仿真，輔助以位置、音頻、視頻、三維模型等素材，設(shè)計并開發(fā)具體訓練模式。訓練實施時，學員利用系統(tǒng)提供的具體裝備不同拆裝訓練模式開展訓練，獲取拆裝知識，達到訓練目的。

四、虛擬情景仿真教學中應(yīng)把握的問題

虛擬情景仿真教學在實施過程中，要把握重點，要根據(jù)學員的任職要求、認知水平、自身特點等相關(guān)因素，綜合考慮教學內(nèi)容的難易、詳細程度，不斷地在實踐中了解情況，認真總結(jié)分析，明確情景式教學實施時的教學環(huán)節(jié)，切忌虛擬情景泛濫化。同時，要注重教學督導反饋，并及時征求學員的意見建議，不斷改進方法，這就要求教員必須全身心地投入到教學工作中，認真擬定教學計劃、編寫教案、設(shè)計課程、開發(fā)情景仿真教學模塊，通過這些工作，一方面把教員主導作用充分地發(fā)揮出來，促進教員不斷更新教學內(nèi)容，改進教學方法，提高教學水平。另一方面發(fā)揮學員主體作用，學員利用情景仿真教學模塊集體學習、討論、操作比賽，提高學習的興趣，增強了求知欲望。主導和主體作用在教學活動中互相作用，教學相長，既推進了教，又深化了學，最終實現(xiàn)了傳授知識的目的。圖9為國防工程綜合信息管理系統(tǒng)虛擬情景仿真教學應(yīng)用。

圖8自主訓練模式下的教學界面

圖9國防工程綜合信息管理系統(tǒng)虛擬情景仿真教學應(yīng)用

參考文獻

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中圖分類號：G642

文獻標志碼：A`

文章編號：2096-000X（2016）14-0105-03

作者簡介：蔡艷平（1982-），男，湖北孝感人，博士生，從事機電設(shè)備狀態(tài)檢測及故障診斷、智能控制及自動化儀器儀表方面的研究工作。

Abstract:Defense engineering management major professional courses，have less class hour，more curriculum teaching content，wide breadth of knowledge.，higher practical operational requirements.Traditional classroom force-feeding teaching methods lead students lack of interest，and the theory and practice out of touch，teaching effect is poor.The traditional teaching mode can not meet the actual needs，it is urgent to need a modern teaching method to replace the traditional pure theory teaching mode.In this paper，the application of virtual scene simulation teaching method in the teaching practice of national defense engineering is studied，in order to cultivate students'comprehensive practical ability as the goal，which has a very important practical significance.

Keywords:defense engineering；virtual scene simulation；teaching；module；design