基于移動網(wǎng)絡與3D 交互技術的裝甲車輛交互教學系統(tǒng)設計

李宏才，韓立金，徐麗麗

（北京理工大學，北京 100081）

隨著網(wǎng)絡帶寬及通訊速率的不斷提升，“互聯(lián)網(wǎng)+”時代的到來，大數(shù)據(jù)、云計算、移動互聯(lián)網(wǎng)和5G 等先進技術迅速發(fā)展，極大地推動了智能終端的迅速普及，催生了移動學習，“3A”（Anytime，Anywhere，Anything）教學理念日益深入人心[1-2]。2020 年初新冠肺炎疫情的爆發(fā)，更是無意間加速了這一進程，全國乃至全球性網(wǎng)絡教學需求的激增更凸顯了互聯(lián)網(wǎng)與教育教學融合發(fā)展的必要性和緊迫性[3]?；谝苿泳W(wǎng)絡終端的教學可以實現(xiàn)在任何時間和任何地點，利用碎片化的時間完成知識的學習，現(xiàn)在正逐步顛覆現(xiàn)有的教學模式，并且這種教學模式，也正是解決教學內容的快速豐富和課程學時相對壓縮之間的矛盾的有效途徑[4]。裝甲車輛構造與原理課程目前面臨的教學難點，完全可以通過基于移動終端的教學系統(tǒng)來克服。

一、裝甲車輛構造與原理課程教學現(xiàn)狀

裝甲車輛構造與原理是裝甲車輛工程專業(yè)的核心基礎課。課程體系從前至后依次為：專業(yè)認知實習—構造與原理—駕駛實習—構造實習，認知實習了解裝甲車輛的基本結構、宏觀制造過程等，構造與原理講授車輛的總體構造、部件原理、部件結構及特點等，駕駛實習了解車輛操縱機構及性能等，構造實習通過實踐了解車輛底盤構造和典型部件的結構和原理。這套教學體系雖然基本能夠完成構造和原理的學習，但是對于知識的掌握并不全面，并且有些滯后。

目前構造與原理課程采取課前、課中和課后模式。課前通過教材、工廠資源收集、篩選和設計優(yōu)質資源，提前布置給學生預習；課中利用文字、圖片、動畫和視頻等多媒體開展學習；課后定期布置項目制作業(yè)，通過檢查、交流來完成內容的學習[5]。

由于裝甲車輛軍工涉密的特點，可供講授的內容一是陳舊，二是缺乏形象的展示手段，三是教學面向所有學者展示相同內容，但缺乏靈活性和個性展示，另外，由于課時有限，很多知識點無法得到詳細的介紹，學生的理解深度不夠，授課效果不夠理想，教學質量難于有質的提升[6]。

因此，為提高課堂教學效果，應用參與式、研究型和項目制教學模式，結合翻轉課堂，來激發(fā)學生的學習主動性。采用一種移動互動式教學模式[7]，可讓學者在任何時間、任何地點依據(jù)移動終端，通過觸屏對機械部件進行旋轉、縮放和移動，無死角地完成零部件的學習[8-9]。作為開放系統(tǒng)，可共享、開放給更多需要專業(yè)知識的群體和個人。

二、基于移動終端的教學模式設計

（一）基于移動終端的研究型教學模式

為改善課堂教學，有很多種教學手段和方法，比如近年來網(wǎng)絡上興起的“慕課”和“微課”。“慕課”是一種大規(guī)模的開放式課程，“微課”則側重于課堂上更小“類度”的知識點網(wǎng)絡課程資源共享?！澳秸n”和“微課”的實質是“接受性學習”而不是“探究性學習”，與實體課堂相比，只是翻轉了教師講課的時間和地點[6]。

研究型教學以教學和研究相結合為基本原則，以提高學生綜合素質和自主創(chuàng)新學習能力為宗旨，將科學研究與教學有機結合，形成“研究依托教學—教學支持研究—研究反哺教學”的教學和科研相結合的教學模式。裝甲車輛構造與原理課程由具有豐富科研資源的特種車輛研究所來承擔，可將前沿的研究項目分解降密后以教學研究項目的形式布置成項目課題，解決傳統(tǒng)構造課內容陳舊問題，并且可以激發(fā)同學們的學習熱情；將最新的機構、部件原理與結構分解降密后制作成3D 可交互式資源，而不是簡單的圖片、動畫和視頻資源形式，以移動終端的形式共享給學者，不僅解決課堂時間不足的問題，而且提高了學生自主學習和個性學習的資源和渠道。

移動終端教學系統(tǒng)可以作為課前的預習，也可以作為課后的復習。接受研究項目后，通過移動終端教學系統(tǒng)了解項目相關的工作原理、結構細節(jié)，提出問題，作為課上研究交流分享的知識點，推進研究項目更深、更廣的方向發(fā)展，形成科研—教學—科研的良性互動。

移動終端教學系統(tǒng)作為課堂教學的有益補充，其側重于裝甲車輛構造中的結構和原理難點、最新裝備及多棲車輛驅動執(zhí)行機構等的結構和原理展示，結合科研項目開展研究型教學，因人而異，因材施教，起到拋磚引玉、畫龍點睛的作用。

（二）3D 交互的突出作用

文字、圖片和視頻是通常的教學內容展示形式，一般來說，基本上能夠完成教學內容。但是，對于復雜的機構、零部件，圖片和視頻的表現(xiàn)力就不足了。比如，行星變速箱結構緊密，一張圖片僅能展示一個方向的視圖，視頻僅能按制作展示某些方面，不能想展盡展。而且千人同面，不能因人而異，因材施教。3D 交互就可以實現(xiàn)隨心所欲地展示任何細節(jié)。借助移動終端，每個人可以自主地隨時隨地完成自己關注內容的學習。

（三）基于移動終端的教學系統(tǒng)設計

1.系統(tǒng)功能

該裝甲車輛移動交互式教學系統(tǒng)含以下功能：

（1）用戶注冊、登錄、手機動態(tài)密碼登錄。

（2）裝甲車輛系統(tǒng)或部件選擇，從推進系統(tǒng)、防護系統(tǒng)、武器系統(tǒng)和綜合電子信息系統(tǒng)，逐層向下到具體的部件，并可以與時俱進更新新的部件。為了更好地發(fā)揮多媒體的優(yōu)勢，系統(tǒng)主要完成教學難點的復雜部件進行設計。系統(tǒng)內容框架如圖1 所示。

圖1 裝甲車輛交互式教學系統(tǒng)部件層次結構

（3）裝甲車輛部件的原理展示。

（4）裝甲車輛部件的結構展示，通過觸屏可進行部件的移動、旋轉、縮放及爆炸等操作，進行觀看。

針對裝甲車輛構造與原理課程，傳統(tǒng)的軟件主要是通過文字、圖片和視頻來展示部件的工作原理和結構組成，很少有采用交互動畫來實現(xiàn)的。本系統(tǒng)軟件基于移動網(wǎng)絡，在文字、圖片和視頻之外，增加3D 交互模型動畫來展示部件的工作原理、結構組成、能量流動和液體流動等，可以實現(xiàn)對3D 模型的放大、縮小、旋轉、高亮顯示及爆炸展開等操作，這是本軟件基于移動網(wǎng)絡開發(fā)的最重要的創(chuàng)新點。

2.系統(tǒng)組成

系統(tǒng)由服務器和APP 客戶端兩部分組成。服務器端程序，負責用戶注冊、登錄、信息的記錄及統(tǒng)計功能?？蛻舳顺绦?，負責用戶登錄，裝甲車輛部件的選擇、原理展示、結構展示。結構展示可實現(xiàn)爆炸、移動、旋轉和縮放等功能。服務器和系統(tǒng)之間通過HTTP 協(xié)議進行通信數(shù)據(jù)。

三、交互教學系統(tǒng)實現(xiàn)

（一）系統(tǒng)架構

綜合考慮系統(tǒng)的數(shù)據(jù)量及運行方式，可以采用以客戶端APP 運算為主，采用C/S 架構（圖2）。

圖2 軟件系統(tǒng)運行模式

C/S 架構模式下，當有新的部件及內容更新的時候，會將更新內容打包后，放到服務器上，客戶端APP 進入系統(tǒng)后，會先檢查是否有資源更新，如果有更新，將會自動下載新的資源包到客戶端（手機或平板電腦），如果沒有，將直接進入系統(tǒng)。下載資源包前會有流量和數(shù)據(jù)量提示。

（二）邏輯功能設計

裝甲車輛構造與原理的教學內容豐富，包括武器系統(tǒng)、推進系統(tǒng)、防護系統(tǒng)、電器及通訊系統(tǒng)和綜合電子信息系統(tǒng)5 大系統(tǒng)，系統(tǒng)下面又分為各個分系統(tǒng)、子系統(tǒng)和部件等，以推進系統(tǒng)為例，其是車輛的主要部分，包括動力系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)和行動部分等，傳動系統(tǒng)有離合器、變速箱、轉向機構和制動裝置等，各種部件又有各種類型。

坦克裝甲車輛的結構樹（圖3），其中只針對傳動的轉向分支進行了展開。從圖3 中可以看出，裝甲車輛的部件數(shù)量是非常龐大的。邏輯功能設計中，包括登錄、搜索、部件選擇、文字瀏覽、圖片瀏覽、放大及縮小和視頻播放等，內容展示方式多種多樣，主要以動畫展示系統(tǒng)工作原理和以3D 交互操作方式展示零部件結構（圖4）。

圖3 裝甲車輛結構樹

圖4 系統(tǒng)的邏輯功能

（三）軟件開發(fā)

開發(fā)軟件采用Unity3D 軟件。

Unity3D 是由Unity Technologies 開發(fā)的一個讓玩家輕松創(chuàng)建諸如三維視頻游戲、建筑可視化和實時三維動畫等類型互動內容的多平臺的綜合型游戲開發(fā)工具，是一個全面整合的專業(yè)游戲引擎。

下面以某個部件的3D 交互展示為例，介紹軟件的主要使用過程。

（四）系統(tǒng)實施與測試

基于移動網(wǎng)絡建立的裝甲車輛交互教學系統(tǒng)按照設計搭建了完整的軟件框架，以液力變矩器和換擋同步器為典型部件，完成軟件的流程。

1.登錄注冊

功能：進入系統(tǒng)后需先進行登錄驗證以提高系統(tǒng)安全性能。

已注冊賬號登錄時通過手機號碼、密碼進行登錄；點擊發(fā)送驗證碼后可使用驗證碼替代密碼，驗證碼生效期間，優(yōu)先級高于密碼。

2.裝甲車輛部件選擇

功能：選擇裝甲車輛部件。

顯示系統(tǒng)所含有的裝甲車輛部件裝置基本信息?？赏ㄟ^名稱搜索裝甲車輛部件名稱。

3.裝甲車輛部件結構

功能：選擇裝甲車輛部件以進入裝甲車輛部件詳情頁面，可通過點擊裝甲車輛部件菜單按鈕對裝置進行相關操作（圖5）。

圖5 部件結構菜單操作

選擇工作原理，可以以動畫方式展示部件的工作原理。

選擇炸開時，裝置會散開為零部件，之后炸開選項變更為還原；選擇還原時，裝置會從零部件組合，之后還原選項變更為炸開（圖6）。在零件結構圖中可以選擇某個零件進行旋轉、放大及縮小展示。圖7 和圖8 即為變矩器泵輪不同方向的展示。零部件的任何細節(jié)，都可以按照操作者的意愿來顯示。

圖8 零件精細化展示（2）

四、結束語

為了提高裝甲車輛構造與原理課堂教學效果，應用研究型和項目制教學模式，結合翻轉課堂，來激發(fā)學生的學習主動性。采用一種移動互動式教學模式，實現(xiàn)在任何時間和任何地點，利用碎片化的時間完成坦克裝甲車輛構造與原理的研究項目的課前與課后學習?；谝苿泳W(wǎng)絡和3D 交互技術，開發(fā)了移動式裝甲車輛交互開放式教學系統(tǒng)。該系統(tǒng)可安裝在基于安卓或IOS 系統(tǒng)的手機和平板電腦上，具備登錄注冊、選擇部件、原理動畫和結構展示等功能，學者在移動終端上通過觸屏對機械部件進行旋轉、縮放和移動，無死角地完成零部件的學習；系統(tǒng)可隨內容的更新不斷擴展。移動式裝甲車輛交互教學系統(tǒng)為學者了解和學習裝甲車輛構造與原理提供了方便、快捷的學習途徑和內容，有力地推進裝甲車輛構造與原理的項目制研究型教學改革，提高了教學效果。