基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的裝備實訓(xùn)教學(xué)設(shè)計

韓 偉,王海源,魏 梟

(陸軍工程大學(xué) 訓(xùn)練基地，江蘇 徐州221000)

0 引言

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是一種將計算機、電子信息、仿真模擬、人機交互、人工智能等技術(shù)融為一體的新型實用技術(shù),因其具有特有的科學(xué)性、直觀性、交互性、可控性和再現(xiàn)性等優(yōu)點,在軍隊院校教學(xué)訓(xùn)練中的應(yīng)用越來越廣泛。 裝備實訓(xùn)教學(xué)課目主要為大型綜合性訓(xùn)練課目,存在著作業(yè)人員多、作業(yè)編組多、方法步驟多、安全風(fēng)險高等特點,加之裝備操作訓(xùn)練重復(fù)性強、步驟復(fù)雜,容易使學(xué)員產(chǎn)生枯燥乏味、興趣不濃的心理,制約著課堂教學(xué)質(zhì)量的提高[1]。 開展虛擬仿真教學(xué)訓(xùn)練,就是將教學(xué)內(nèi)容生動形象化,將實裝操作能力培養(yǎng)具體任務(wù)化,將學(xué)員的參與意識虛擬現(xiàn)實化,讓教學(xué)內(nèi)容“動起來、活起來”,凸顯學(xué)員、解放教員,激活教學(xué)。

1 當(dāng)前裝備實訓(xùn)教學(xué)現(xiàn)狀

1.1 裝備實訓(xùn)教學(xué)組織復(fù)雜

從院校裝備實訓(xùn)教學(xué)課目上看,某些課目為大型綜合性操作訓(xùn)練課目,牽扯大量的人力和物力。 需要較寬廣的教學(xué)訓(xùn)練場所,多種多型裝備配合協(xié)同,參訓(xùn)對象數(shù)量需求多,作業(yè)人員編組多,各種保障措施要求多,涉及教學(xué)訓(xùn)練準(zhǔn)備、訓(xùn)練實施、訓(xùn)練總結(jié)整個教學(xué)訓(xùn)練全過程,十分煩瑣和復(fù)雜,需要組訓(xùn)者切實做到精密籌劃、精細組織。

1.2 裝備實訓(xùn)教學(xué)受外部環(huán)境影響大

為了達到預(yù)期的實訓(xùn)效果,某些裝備實訓(xùn)課目需要滿足一定的裝備、人員和場地要求。 一旦受實裝數(shù)量、經(jīng)費和人員限制,通常就能影響到裝備實訓(xùn)的正常展開,一定程度上影響訓(xùn)練效果。 此外,絕大多數(shù)裝備實訓(xùn)教學(xué)都位于野外,極易受天氣因素的干擾,在雨、雪、大風(fēng)、大霧等惡劣天氣下就不能很好地開展。

1.3 裝備實訓(xùn)教學(xué)模式相對單一

當(dāng)前,絕大部分的裝備實訓(xùn)教學(xué)主要結(jié)合現(xiàn)地實裝依托固定訓(xùn)練場景實施,教學(xué)方法大多采用講解示范、組織練習(xí)的傳統(tǒng)組訓(xùn)模式,容易引發(fā)受訓(xùn)者訓(xùn)練的疲勞感,影響教學(xué)效果。 將虛擬仿真技術(shù)與裝備教學(xué)相結(jié)合,可以實現(xiàn)訓(xùn)練場景轉(zhuǎn)換、教學(xué)方法變化、多種突發(fā)情況隨機設(shè)置等動作,使受訓(xùn)者能夠全身心地投入虛擬環(huán)境中獲得真實的認知和情感體驗,大大增強受訓(xùn)者訓(xùn)練的主動性和熱情。

2 基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的裝備實訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)裝備實訓(xùn)教學(xué)特點,按照系統(tǒng)規(guī)劃、體系融合、綜合集成的思路,基于Unity3D,SQL 等軟件對裝備實訓(xùn)虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)進行整體設(shè)計,主要包括數(shù)據(jù)資源、交互訓(xùn)練資源、網(wǎng)絡(luò)硬件資源三部分,具體架構(gòu)設(shè)計如圖1 所示。

圖1 裝備實訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

2.1 數(shù)據(jù)資源

數(shù)據(jù)資源是裝備實訓(xùn)虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)的基礎(chǔ)支撐條件,主要包括3D 仿真裝備模型、三維地理信息數(shù)據(jù)、裝備訓(xùn)練條件數(shù)據(jù)、訓(xùn)練課目數(shù)據(jù)、影音資料數(shù)據(jù)、考核評估標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)[2]。 比如,按照一定比例虛擬仿真的工程裝備的整體外形、內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成及主要部件；江河湖泊地形地貌,專項訓(xùn)練場地設(shè)施,江河水情、涌浪、藍天、風(fēng)和雨等訓(xùn)練場景數(shù)據(jù)；大型裝備實際操作方法步驟教學(xué)視頻、考核評估項目內(nèi)容、評分細則及評分辦法等。

2.2 交互訓(xùn)練資源

虛擬仿真裝備實訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)能夠給受訓(xùn)者提供一個實時的、具有三維信息的、可以交互的虛擬訓(xùn)練條件,營造一個“看起來像真的、聽起來像真的、摸起來像真的”多感官三維虛擬世界[3]。 受訓(xùn)者在虛擬環(huán)境中可以通過智能穿戴設(shè)備等交互設(shè)備與虛擬場景進行互動,實現(xiàn)和真實世界里一樣的動作,感受均是實時同步的,可以真實體驗與參與平臺中的各項任務(wù),有很好的沉浸感、交互性和構(gòu)想性。 交互設(shè)備包括半實物模擬訓(xùn)練裝備和智能穿戴設(shè)備。 比如汽艇駕駛室、沖鋒舟駕駛臺、作業(yè)手操作臺等半實物的仿真設(shè)備,其要能基本與工程裝備實物外部設(shè)施相一致,動作邏輯要符合實際；人機交互智能穿戴設(shè)備包括投影頭盔、數(shù)據(jù)手套、智能耳機和投影屏幕等。

2.3 網(wǎng)絡(luò)硬件資源

網(wǎng)絡(luò)硬件資源是建設(shè)虛擬仿真裝備實訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)的底層基礎(chǔ)。 網(wǎng)絡(luò)硬件資源條件的建設(shè)要緊盯當(dāng)前計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展趨勢,樹立適當(dāng)超前意識,綜合考慮計算機性能、網(wǎng)絡(luò)帶寬、設(shè)備存儲容量、系統(tǒng)端口接入等關(guān)鍵環(huán)節(jié),一體化設(shè)計,高度融合“智慧云端”、大數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)鏈等先進技術(shù),建立安全、穩(wěn)定、高效的網(wǎng)絡(luò)運營環(huán)境,確保系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn),滿足教學(xué)需求。

3 基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的裝備實訓(xùn)教學(xué)實施流程

在教學(xué)過程中,采用課堂理論教學(xué)、虛擬仿真教學(xué)、野外實裝教學(xué)相結(jié)合的教學(xué)模式,按照“先仿真、后實裝”“先探索、后檢驗”的教學(xué)方法,突出學(xué)員的實踐創(chuàng)新能力、主觀參與性,盡力為學(xué)員提供身臨其境的教學(xué)訓(xùn)練環(huán)境,滿足其主動探索、掌握裝備操作的基本技能[4]。 其教學(xué)流程,如圖2 所示。

圖2 裝備實訓(xùn)教學(xué)實施流程

3.1 課堂理論教學(xué)

針對原有裝備實訓(xùn)與理論教學(xué)環(huán)節(jié)聯(lián)系不緊密的問題,利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù),將虛擬仿真教學(xué)元素嵌入理論教學(xué)環(huán)節(jié),改變傳統(tǒng)講授式、灌輸式的授課模式。 通過3D 模型細節(jié)展示、模型整機自主漫游、操作方法步驟講解等環(huán)節(jié),將具體的知識要點可視化、動態(tài)化,讓學(xué)員通過沉浸式智能交互設(shè)備邊聽邊看、自主探索,進一步拓展受訓(xùn)者的思維空間和認知空間,激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。

3.2 虛擬仿真實裝教學(xué)

通過以沉浸式虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建虛擬仿真裝備實訓(xùn)訓(xùn)練平臺,提供一個完整的虛擬訓(xùn)練環(huán)境,使被動的教學(xué)具備主動的、交互性、構(gòu)想性、沉浸感突出的特點,實現(xiàn)單機及多人協(xié)同的裝備模擬教學(xué)訓(xùn)練,提高學(xué)員對裝備的使用和管理、協(xié)調(diào)配合能力,以及對緊急狀況的處置能力[5]。 具體實施流程為：受訓(xùn)者進入人機交互界面,選擇所要進行的裝備訓(xùn)練課目；教員分配受訓(xùn)者訓(xùn)練角色或由受訓(xùn)者自主選擇訓(xùn)練角色,進行訓(xùn)練場景設(shè)置；受訓(xùn)者在虛擬仿真裝備實訓(xùn)訓(xùn)練平臺上按之前學(xué)習(xí)的內(nèi)容實施模擬訓(xùn)練,教員可根據(jù)受訓(xùn)者實時訓(xùn)練情況,隨機指導(dǎo)受訓(xùn)者的模擬訓(xùn)練,也可設(shè)置訓(xùn)練場地條件變化、裝備損壞、錯誤動作演示等不同突發(fā)情況,增加訓(xùn)練的真實感和戰(zhàn)場化；模擬訓(xùn)練后,受訓(xùn)者可在教員的安排下或自主進行模擬實裝操作考核,系統(tǒng)平臺能夠根據(jù)評分細則對受訓(xùn)者的考核情況進行后臺記錄及實時評估[6]。

3.3 裝備實訓(xùn)教學(xué)

打破傳統(tǒng)的單課目、單內(nèi)容教學(xué)組訓(xùn)模式,注重多角色、多崗位協(xié)同編組教學(xué),對裝備實訓(xùn)內(nèi)容進行多類有機融合,使得裝備實訓(xùn)教學(xué)訓(xùn)練更加貼近部隊需求。 根據(jù)教學(xué)對象特點,圍繞強化實裝操作技能,分層次編組受訓(xùn)者,區(qū)分“技能強化組”“技能提升組”“基礎(chǔ)訓(xùn)練組”,實施階梯化教學(xué),促進教學(xué)效果的提升。 構(gòu)建以“平時作業(yè)、課堂表現(xiàn)、學(xué)習(xí)出勤”為主要內(nèi)容的形成性考核與終結(jié)性考核于一體的考核模式,綜合評價學(xué)員學(xué)習(xí)效果,促進教學(xué)質(zhì)量的提升[7]。

4 結(jié)語

虛擬現(xiàn)實技術(shù)在軍事教育訓(xùn)練領(lǐng)域的前景已經(jīng)得到了各國軍隊的高度重視。 基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的裝備實訓(xùn)教學(xué),將各種三維立體的虛擬仿真設(shè)備、動畫演示應(yīng)用于課堂,改變了枯燥乏味的“一言堂”“滿堂灌”傳統(tǒng)教學(xué)方式,提高了課堂教學(xué)質(zhì)量[8]。 通過引入虛擬仿真設(shè)計模擬訓(xùn)練裝備,能夠給學(xué)員提供高度自由的操作性,提供深入的沉浸感,引導(dǎo)學(xué)員自主開展模擬訓(xùn)練,增強了學(xué)習(xí)的動力與興趣。 因此,推動虛擬現(xiàn)實技術(shù)與裝備實訓(xùn)教學(xué)相結(jié)合,能夠極大地提高裝備操作專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量,能夠為軍隊院校實裝教學(xué)改革探索方法路子。