基于VR技術(shù)的裝備理論課程任務(wù)模塊化教學(xué)

呂超 高永 郁大照 吳杰

摘 要 本文立足裝備理論課程教學(xué)的實際需求及特點，分析了在裝備理論課程中實施任務(wù)模塊化教學(xué)所存在的實際困難，闡述了虛擬現(xiàn)實技術(shù)（VR）在解決裝備理論課程任務(wù)模塊化教學(xué)受實訓(xùn)條件限制這一問題上的優(yōu)勢，并舉例探討了基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的某型減速機(jī)維修仿真訓(xùn)練系統(tǒng)的主要功能及設(shè)計思路，并提出了該系統(tǒng)的相關(guān)建議和構(gòu)建方法。

關(guān)鍵詞 VR技術(shù) 裝備理論課程 任務(wù)模塊化教學(xué)

中圖分類號：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2018.05.052

Abstract Based on the actual needs and characteristics of the teaching of equipment theory course， this paper analyzes the practical difficulties in implementing the "task Modularization Teaching" in the course of equipment theory， and expounds the advantages of virtual reality technology （VR） in solving the problem of "task Modularization Teaching" in the course of the equipment theory course. The main functions and design ideas of the maintenance simulation training system of a type reducer based on virtual reality technology are discussed， and the relevant suggestions and construction methods of the system are put forward.

Keywords VR technology； course of equipment theory； task modularization teaching

0 引言

裝備理論課程與一般理論課程相比，其顯著特點是理論與實踐并重、理實一體，其教學(xué)內(nèi)容具有鮮明的崗位指向性和較強(qiáng)的實踐應(yīng)用性。為適應(yīng)裝備理論課程的這種特點，在教學(xué)實踐中可采用任務(wù)模塊化教學(xué)方法。然而，由于裝備理論課程任務(wù)模塊化教學(xué)對實訓(xùn)條件的要求很高，在該方法具體的教學(xué)實踐中，教學(xué)實施往往受實訓(xùn)條件的限制。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術(shù)（VR）在教育領(lǐng)域中的應(yīng)用愈加廣泛，這為解決裝備理論課程任務(wù)模塊化教學(xué)受實訓(xùn)條件制約這一問題提供了新的方法和手段。

1 裝備理論課程任務(wù)模塊化教學(xué)概況及存在困難

1.1 裝備理論課程任務(wù)模塊化教學(xué)概況

任務(wù)模塊化教學(xué)是一種教學(xué)模式，該模式針對裝備理論課程崗位指向性和實踐應(yīng)用性強(qiáng)的特點，以“貼近裝備、貼近崗位”為原則，旨在培養(yǎng)“會操作、能維護(hù)、懂組訓(xùn)”的技能型人才。以往裝備理論課的教學(xué)過程通常是按“功用-組成-工作原理-使用維護(hù)”這個順序進(jìn)行組織。與之不同的是，任務(wù)模塊化教學(xué)則是首先按照裝備使用流程梳理出一個“任務(wù)模塊”群，此“任務(wù)模塊”群涵蓋了崗位實際工作中與裝備相關(guān)的所有工作任務(wù)，并將其作為學(xué)習(xí)的核心內(nèi)容。而后，圍繞“任務(wù)模塊”群中的各個“任務(wù)模塊”，對理論知識進(jìn)行分揀、提煉、聚合序化，將理論知識分類打包融合到與之相應(yīng)的各個“任務(wù)模塊”中，以此作為學(xué)習(xí)該“任務(wù)模塊”的理論基礎(chǔ)。在進(jìn)行某一“任務(wù)模塊”訓(xùn)練時，利用實際裝備對與本“任務(wù)模塊”相關(guān)的理論知識進(jìn)行實地講解，讓學(xué)員在“學(xué)中練，練中學(xué)”，學(xué)員在完成了“任務(wù)模塊”訓(xùn)練的同時也完成了裝備理論知識的學(xué)習(xí)。較以往的裝備理論課教學(xué)，這種方法注重在實踐中升華理論，通過貼近崗位工作的“任務(wù)模塊”，將理論知識與實踐操作融合在一起，使學(xué)員依托“任務(wù)模塊”這個載體，在接近崗位實際工作的情境中獲得相關(guān)的知識、技能和經(jīng)驗。

1.2 裝備理論課程任務(wù)模塊化教學(xué)存在的困難

（1）實際裝備價格昂貴，“任務(wù)模塊”訓(xùn)練成本高，影響教學(xué)效率。不難看出，任務(wù)模塊化教學(xué)的前提是要有實際裝備等硬件基礎(chǔ)。然而，實際裝備價格昂貴，在任務(wù)模塊化教學(xué)實施中，反復(fù)的操作使用易造成裝備的磨損和老化，影響裝備使用壽命，這使得任務(wù)模塊化教學(xué)的成本較高，較難進(jìn)行大量、反復(fù)的“任務(wù)模塊”訓(xùn)練，影響教學(xué)效率。

（2）實裝操作規(guī)范嚴(yán)格，“任務(wù)模塊”訓(xùn)練中存在安全風(fēng)險。在任務(wù)模塊化教學(xué)中，對實際裝備的操作有著嚴(yán)格的規(guī)范和要求，否則容易出現(xiàn)安全事故，危及人員和裝備安全。教學(xué)實施中，教學(xué)班次中學(xué)員數(shù)量一般較多，學(xué)員要完全掌握某個“任務(wù)模塊”的內(nèi)容，必然要經(jīng)歷一個從生疏到熟練的過程，不可避免地要進(jìn)行大量反復(fù)的“任務(wù)模塊”訓(xùn)練。從統(tǒng)計學(xué)角度看，大量的“任務(wù)模塊”訓(xùn)練難免會出現(xiàn)安全事故。此外，由于每個學(xué)員的心理素質(zhì)、操作的熟練程度各不相同，在“任務(wù)模塊”訓(xùn)練的過程中可能還面臨著各種突發(fā)事件，這無疑又增大了“任務(wù)模塊”訓(xùn)練的安全風(fēng)險。

（3）任務(wù)模塊化教學(xué)力求貼近崗位工作，對教學(xué)場景建設(shè)的要求高。在任務(wù)模塊化教學(xué)中，僅有實際裝備并不足夠，還必須有與之配套的教學(xué)場景建設(shè)。實際裝備都是搭載在一定的平臺之上，為達(dá)到接近于真實的訓(xùn)練體驗，還應(yīng)有實際裝備的平臺環(huán)境，即營造一個接近崗位工作的教學(xué)場景。這樣才能使在學(xué)員在任務(wù)模塊訓(xùn)練中感受逼真的崗位工作氛圍，從而達(dá)到與實際一致的訓(xùn)練效果。然而，實際裝備的平臺環(huán)境系統(tǒng)眾多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，搭建這樣的平臺需要很多相關(guān)技術(shù)支撐，投資巨大，在實際的教學(xué)實踐中很難實現(xiàn)。

2 在裝備理論課程任務(wù)模塊化教學(xué)中應(yīng)用VR技術(shù)的可行性分析

2.1 VR技術(shù)概況

VR（Virtual Reality，VR）技術(shù)，即虛擬現(xiàn)實技術(shù)，也稱“靈境技術(shù)”或“臨境技術(shù)”。它通過計算機(jī)仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、人工智能等技術(shù)手段，創(chuàng)建出一種適人化的虛擬多維信息空間，借助某些交互設(shè)備讓參與者以近乎自然的方式與虛擬環(huán)境中的對象進(jìn)行實時交互，使參與者產(chǎn)生與真實環(huán)境相似的感覺體驗。虛擬現(xiàn)實技術(shù)具有成本低、效率高、安全性好等諸多優(yōu)勢，正得到越來越多的推廣和應(yīng)用。[1-2]

VR技術(shù)主要有三個突出的特征，[3]即3I特性：沉浸性（Immersion）、交互性（Interactivity）和想象性（Imagination），如圖1所示。

（1）沉浸性，又稱臨場感，指參與者感受到自身存在于虛擬環(huán)境中的真實程度，被認(rèn)為是VR系統(tǒng)的性能尺度。這種沉浸性與人的多個感官相對應(yīng)，是一種多維沉浸，包括視覺沉浸、聽覺沉浸、味覺沉浸、觸覺沉浸、嗅覺沉浸及體感沉浸等。

（2）交互性，指參與者對虛擬對象的可操作程度和從環(huán)境中得到反饋的自然程度。[4]參與者與虛擬環(huán)境之間的交互是一種近乎自然的交互，使用者不僅可以利用鍵盤、鼠標(biāo)，還可以借助專用的三維交互設(shè)備（如立體眼鏡、數(shù)據(jù)手套、三維空間交互球、位置跟蹤器等傳感設(shè)備）進(jìn)行交互，如同在真實環(huán)境中用自然技能與作用對象發(fā)生交互關(guān)系，實現(xiàn)對虛擬環(huán)境的訪問與操作。[5-6]

（3）想象性，指參與者根據(jù)在虛擬環(huán)境中所獲取的多種信息和自身在系統(tǒng)中的行為，通過聯(lián)想判斷和邏輯推理等思維過程，隨系統(tǒng)的運行狀態(tài)變化對系統(tǒng)運動的未來進(jìn)展進(jìn)行想象，以認(rèn)識系統(tǒng)深層次的運動機(jī)理和規(guī)律。

2.2 VR技術(shù)在裝備理論課程任務(wù)模塊化教學(xué)中的優(yōu)勢

如前所述，在裝備理論課程任務(wù)模塊化教學(xué)中存在著教學(xué)成本高、實施中存在一定安全風(fēng)險、教學(xué)活動對教學(xué)場景建設(shè)要求高等具體困難，但從VR技術(shù)的3I特性則不難看出，應(yīng)用VR技術(shù)可較好地解決這些困難，具體表現(xiàn)為：

（1）提高教學(xué)效率，降低教學(xué)成本。利用VR技術(shù)可以制作與實際裝備配套的虛擬仿真訓(xùn)練系統(tǒng)，可有效地克服 任務(wù)模塊化教學(xué)對實際裝備依賴嚴(yán)重的問題。相較于實際裝備，虛擬仿真訓(xùn)練系統(tǒng)造價低、磨損小，使用壽命長，因而教學(xué)成本低廉。另一方面，虛擬仿真訓(xùn)練系統(tǒng)受場地、時間限制較小，可承受大量、反復(fù)的任務(wù)模塊訓(xùn)練，從而提高訓(xùn)練效率和訓(xùn)練水平，具有很好的軍事效益和經(jīng)濟(jì)效益。

（2）提供虛擬操作，降低安全風(fēng)險。在任務(wù)模塊化教學(xué)中，由于學(xué)員在學(xué)習(xí)階段對實際裝備的操作還比較生疏，所以在實際操作中容易出現(xiàn)安全事故。VR技術(shù)提供的則是虛擬場景，即便在學(xué)員任務(wù)模塊訓(xùn)練中出現(xiàn)操作失當(dāng)，也不會對人員造成實際傷害，安全風(fēng)險極低。甚至可以設(shè)置虛擬的事故場景以提高學(xué)員在復(fù)雜條件下處理各種突發(fā)狀況的應(yīng)急能力，加深學(xué)員對操作環(huán)境的熟悉和對操作技能的掌握。

（3）創(chuàng)建虛擬場景，提供逼真體驗。利用VR技術(shù)可創(chuàng)設(shè)一個與任務(wù)模塊化教學(xué)配套的，涵蓋聲、光、味、熱等多感官刺激的虛擬“崗位工作環(huán)境”，使學(xué)員產(chǎn)生“身臨其境”的感覺，在進(jìn)行實操的同時感受到逼真的實際工作氛圍，從而獲得逼真的學(xué)習(xí)體驗。如美軍開發(fā)的“虛擬艦艇作戰(zhàn)指揮中心”，能逼真地模擬艦艇作戰(zhàn)指揮中心的環(huán)境，使受訓(xùn)者能夠沉浸于“真實”的戰(zhàn)場之中。[7]

3 VR技術(shù)在裝備理論課程任務(wù)模塊化教學(xué)中的應(yīng)用實例

“某型減速機(jī)維修檢查”是按照任務(wù)模塊化教學(xué)要求設(shè)置的一個“任務(wù)模塊”。在該任務(wù)模塊的教學(xué)中，采用基于VR技術(shù)的虛擬維修仿真訓(xùn)練系統(tǒng)代替實際裝備操作，下面對該系統(tǒng)的構(gòu)建與設(shè)計進(jìn)行介紹。

3.1 功能定位

某型減速機(jī)維修仿真訓(xùn)練系統(tǒng)的主要功能有演示學(xué)習(xí)、操作訓(xùn)練、考核評估與信息管理四項功能。

（1）演示學(xué)習(xí)功能，是指為學(xué)員提供相關(guān)理論知識、結(jié)構(gòu)原理、操作過程等的多媒體演示，為學(xué)員提供操作訓(xùn)練前的理論儲備。

（2）操作訓(xùn)練功能，是指按照實際的維修操作設(shè)置相應(yīng)的操作訓(xùn)練內(nèi)容，通過虛擬交互的方式完成操作訓(xùn)練，使學(xué)員熟悉工作流程、要素、方法。

（3）考核評估功能，是指采用測試的方法對學(xué)員的操作行為進(jìn)行實時采集、評估，從而對虛擬維修的訓(xùn)練效果進(jìn)行評估。

（4）信息管理功能，是指系統(tǒng)對學(xué)員的操作過程、操作成績等進(jìn)行儲存管理，便于對教學(xué)工作進(jìn)行管理、評價。

3.2 系統(tǒng)整體設(shè)計

根據(jù)某型減速機(jī)維修檢查仿真訓(xùn)練系統(tǒng)的功能定位，結(jié)合其維修檢查的具體工作內(nèi)容，該系統(tǒng)的整體設(shè)計框架如圖2所示。

3.3 減速機(jī)維修操作仿真建模

首先，使用建模工具M(jìn)utigen Creator建立減速機(jī)的三維幾何實體模型。為了增加建立的三維幾何模型的真實性，所建模型不僅在外形尺寸上要與實際裝備一致，而且減速機(jī)一些物理屬性，如材質(zhì)、紋理、自由度屬性等也要進(jìn)行相應(yīng)表現(xiàn)。[8]其次，按照實際裝備的維修操作過程建模，特別是揭示減速機(jī)內(nèi)在工作機(jī)理及行為特征交互特征和行為特征進(jìn)（如裝配關(guān)系）的部分應(yīng)嚴(yán)格進(jìn)行建模。在建模過程中，為提高系統(tǒng)的實時性，還應(yīng)盡量減少模型的數(shù)據(jù)量，并對模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化和取舍。

3.4 減速機(jī)維修操作虛擬場景構(gòu)建

虛擬場景是減速機(jī)虛擬維修檢查的三維虛擬操作環(huán)境，包括：減速機(jī)的外圍設(shè)備、減速機(jī)所在的艙室環(huán)境，以及配套的維修工具、維修工作臺、測試設(shè)備等。首先，按照實際情況設(shè)置若干項維修操作內(nèi)容，每一項內(nèi)容對應(yīng)一個虛擬場景，按照該項維修內(nèi)容的具體要求對其所對應(yīng)的虛擬場景進(jìn)行內(nèi)容設(shè)計。然后，利用3ds Max 軟件對每個虛擬場景逐個進(jìn)行建模，同時按照具體維修要求進(jìn)行交互設(shè)計，編寫交互接口、界面。最后，利用Quest 3D軟件對所有的單個虛擬場景進(jìn)行集成和調(diào)度管理，生成一套完整的虛擬訓(xùn)練場景。

3.5 系統(tǒng)集成

系統(tǒng)集成包括功能集成和軟件集成兩部分。功能集成是將某型減速機(jī)維修仿真訓(xùn)練系統(tǒng)的四項主要功能按照一定的邏輯關(guān)系進(jìn)行結(jié)構(gòu)嵌入和接口搭建，使各項功能間能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的相互調(diào)用。軟件集成是使用目前常用的軟件開發(fā)平臺（如VB、VC++等）將減速機(jī)維修操作仿真模型、減速機(jī)維修操作虛擬場景按照任務(wù)模塊化教學(xué)要求的形式有機(jī)地整合在一起，使之成為一個功能完整、結(jié)構(gòu)規(guī)范、操作友好的教學(xué)軟件。

4 結(jié)束語

在裝備理論課程任務(wù)模塊化教學(xué)中應(yīng)用VR技術(shù)可以有效克服實訓(xùn)條件的局限，為任務(wù)模塊化教學(xué)提供有力的教學(xué)資源支撐，使任務(wù)模塊化教學(xué)的優(yōu)勢得到充分發(fā)揮。實踐證明，學(xué)員通過對虛擬裝備及虛擬環(huán)境的操作、體驗，與虛擬的“裝備”進(jìn)行互動，可提高自身對崗位工作環(huán)境及實際裝備的感性認(rèn)識和理性認(rèn)識，最終提高自身掌握裝備、使用裝備的崗位任職能力。

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