基于VR技術(shù)的裝備維修一體化教學(xué)研究與實(shí)踐

薛雪東 朱正東 高冬冬 殷保衛(wèi)

摘要：為適應(yīng)新時(shí)代軍隊(duì)裝備實(shí)踐教學(xué)改革趨勢(shì)，培養(yǎng)備戰(zhàn)打仗所需要的新型軍事人才，本文開(kāi)展了基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的裝備一體化教學(xué)研究與實(shí)踐，論述了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的概念與特性及其在軍內(nèi)外實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用現(xiàn)狀；從教員“教”、學(xué)員“學(xué)”、裝備“用”三個(gè)角度，分析了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用在裝備維修一體化教學(xué)中的優(yōu)勢(shì)；以教研團(tuán)隊(duì)所開(kāi)發(fā)的虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)為例，介紹了運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開(kāi)展裝備維修一體化教學(xué)實(shí)踐的方法，為裝備維修一體化教學(xué)改革提供了借鑒。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)；裝備維修一體化教學(xué)；戰(zhàn)場(chǎng)搶修

軍士職業(yè)教育以培養(yǎng)新時(shí)代備戰(zhàn)打仗的新型軍事人才為目的，突出學(xué)員實(shí)踐能力的培養(yǎng)?，F(xiàn)階段，大部分軍士事業(yè)技術(shù)教育院校仍采取實(shí)裝與模擬訓(xùn)練器相結(jié)合的方式開(kāi)展實(shí)踐教學(xué)，存在著裝備損耗大、場(chǎng)地時(shí)間要求高、故障科目設(shè)置受限、無(wú)法開(kāi)展戰(zhàn)場(chǎng)搶救搶修訓(xùn)練的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，影響了裝備維修實(shí)踐訓(xùn)練效果。虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)作為模擬訓(xùn)練的一種技術(shù)手段，為當(dāng)前軍事院校的裝備實(shí)踐教學(xué)提供了新思路。本文對(duì)基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開(kāi)展裝備維修一體化教學(xué)進(jìn)行了研究與實(shí)踐。

1虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在軍內(nèi)外實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用現(xiàn)狀分析

1.1虛擬現(xiàn)實(shí)的概念及特性

VR技術(shù)指人通過(guò)視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等感覺(jué)渠道，與微處理器或計(jì)算能力更強(qiáng)的計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)交互。VR技術(shù)具有三個(gè)最顯著的特性：沉浸性、交互性、想象性。沉浸性，指VR設(shè)備使用者的感官完全只與虛擬世界相交流，使自身所有注意力集中于計(jì)算機(jī)投影到眼中的景物，達(dá)到高度“沉浸”在虛擬的環(huán)境中。交互性，指使用者不僅可以用手勢(shì)、動(dòng)作命令、語(yǔ)音命令對(duì)“虛擬世界”發(fā)起控制指令，而且可以得到“虛擬世界”反饋回的信息，就像與現(xiàn)實(shí)中的人進(jìn)行交流一樣。想象性，指VR技術(shù)被用來(lái)為人們服務(wù)時(shí)，其發(fā)揮的功能與產(chǎn)生的作用很大程度上取決于開(kāi)發(fā)者的想象力，即VR雖然是一種高端的人機(jī)接口，但決定技術(shù)走向的最終因素還是人，而不是技術(shù)本身的性能。

1.2虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在軍內(nèi)外實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

VR技術(shù)在航空、制造、環(huán)境、娛樂(lè)、軍事等領(lǐng)域都有很多成功的應(yīng)用案例。在軍事領(lǐng)域，裝甲兵學(xué)院電氣系某教授帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)于2017年研制出基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的某型裝甲車模擬拆裝系統(tǒng)，為學(xué)員提供了一種快捷方便的裝甲車結(jié)構(gòu)與原理學(xué)習(xí)途徑。陸軍工程大學(xué)某團(tuán)隊(duì)以VR為技術(shù)手段，建成了一套適用性強(qiáng)的裝備培訓(xùn)系統(tǒng)。在非軍事領(lǐng)域，VR技術(shù)被較早應(yīng)用在了教學(xué)領(lǐng)域。如北京航空航天大學(xué)的智能制造學(xué)院，對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的底層技術(shù)進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間的研究，并將研究成果應(yīng)用在了包括教育在內(nèi)的各種領(lǐng)域。大連理工化學(xué)與材料學(xué)院建設(shè)了一間虛擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)室，解決了實(shí)驗(yàn)藥劑短缺、學(xué)生實(shí)驗(yàn)積極性不高、實(shí)驗(yàn)安全性不高等教學(xué)難題。

2裝備維修一體化教學(xué)

裝備維修一體化教學(xué)，是指在裝備維修教學(xué)中打破傳統(tǒng)的教員“教”、學(xué)員“學(xué)”的教學(xué)模式，讓學(xué)生在教中做、做中學(xué)，使理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)融為一體。一體化實(shí)訓(xùn)教學(xué)條件的建設(shè)，是實(shí)施“教、學(xué)、練、戰(zhàn)”一體化教學(xué)的關(guān)鍵載體，應(yīng)運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)搭建一體化的自主學(xué)習(xí)訓(xùn)練平臺(tái)，兼具理論教學(xué)、實(shí)踐訓(xùn)練、考核評(píng)估等多種功能，使學(xué)員能夠運(yùn)用自主學(xué)習(xí)訓(xùn)練手段自主學(xué)習(xí)、自主實(shí)踐、自主考核，從而激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和內(nèi)動(dòng)力，增強(qiáng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，提高自主學(xué)習(xí)能力。

3虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于裝備維修一體化教學(xué)中的優(yōu)勢(shì)

3.1激發(fā)學(xué)員學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)員自主學(xué)習(xí)能力

傳統(tǒng)的裝備實(shí)踐教學(xué)主要運(yùn)用實(shí)際裝備在固定的訓(xùn)練場(chǎng)地，采用講解示范、分組訓(xùn)練、比武競(jìng)賽等傳統(tǒng)模式組織實(shí)施。隨著教學(xué)時(shí)長(zhǎng)以及訓(xùn)練次數(shù)的增多，容易引起受訓(xùn)者訓(xùn)練的疲勞感，其學(xué)習(xí)的積極性也會(huì)逐漸降低，影響教學(xué)訓(xùn)練效果。

運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開(kāi)發(fā)裝備維修訓(xùn)練平臺(tái)，可以使學(xué)員置身于沉浸式的實(shí)戰(zhàn)環(huán)境，使人如身臨其境，激發(fā)學(xué)員裝備實(shí)踐訓(xùn)練的興趣，提高學(xué)習(xí)的積極性。同時(shí)，虛擬維修訓(xùn)練軟件中設(shè)置誤操作告警功能，學(xué)員操作錯(cuò)誤時(shí)進(jìn)行語(yǔ)音提示，能夠加深學(xué)員的印象，改正錯(cuò)誤動(dòng)作，也避免由于誤操作導(dǎo)致裝備損壞。

3.2擺脫客觀因素制約，提高實(shí)踐教學(xué)的靈活性

運(yùn)用虛擬維修訓(xùn)練平臺(tái)組織教學(xué)，能夠?qū)?shí)裝上難以觀察到的部組件拆裝過(guò)程，直接以三維立體形式呈現(xiàn)，使學(xué)員形象直觀地學(xué)習(xí)裝備修理方法步驟，促進(jìn)了學(xué)員的認(rèn)知加工與知識(shí)建構(gòu)過(guò)程，有助于實(shí)現(xiàn)知識(shí)與技能的不斷深化。在室內(nèi)固定的場(chǎng)地同步開(kāi)展多組別、多人次訓(xùn)練，不會(huì)產(chǎn)生裝備的損耗甚至造成裝備損壞，擺脫了客觀因素的制約，提高了實(shí)踐教學(xué)的靈活性。

3.3構(gòu)設(shè)復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，解決搶修訓(xùn)練無(wú)手段的難題

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用到裝備戰(zhàn)場(chǎng)搶救搶修訓(xùn)練中，將有助于解決以上問(wèn)題。首先，虛擬現(xiàn)實(shí)開(kāi)發(fā)組件可模擬出真實(shí)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的硝煙與燒毀效果，令受訓(xùn)者身臨其境，最近距離感受戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的緊迫感。其次，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可針對(duì)所設(shè)計(jì)的戰(zhàn)損點(diǎn)提供所有特制的戰(zhàn)場(chǎng)搶修工具，包括各種電路板備件、執(zhí)行機(jī)構(gòu)備件、自制工具等，為受訓(xùn)者提升裝備搶修能力提供保障。

4基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的裝備維修一體化教學(xué)實(shí)踐

筆者所在的課程組在CBE教學(xué)理論的指導(dǎo)下，以某型裝備維護(hù)與修理課程為例，開(kāi)展了“教、學(xué)、練、戰(zhàn)”一體化課程教學(xué)改革，基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建交互式虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)，為學(xué)生開(kāi)展實(shí)踐科目的自主訓(xùn)練提供了可能。學(xué)生可以在自學(xué)MOOC課程的基礎(chǔ)上，運(yùn)用已經(jīng)掌握的知識(shí)和方法，利用虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)放性、探索性的訓(xùn)練，不受時(shí)間、地點(diǎn)、天氣、裝備損耗的限制，提高了實(shí)踐教學(xué)訓(xùn)練效果。

4.1運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開(kāi)展理論教學(xué)

基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開(kāi)展課堂理論教學(xué)時(shí)分兩個(gè)階段，第一階段：將受訓(xùn)學(xué)員分為員額較少的“實(shí)裝組”與員額較多的“虛擬組”，教員帶領(lǐng)“實(shí)裝組”進(jìn)行傳統(tǒng)面授式的裝備理論學(xué)習(xí)，“虛擬組”受訓(xùn)學(xué)員穿戴虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備進(jìn)入理論學(xué)習(xí)模塊；第二階段：兩個(gè)學(xué)習(xí)組人員對(duì)調(diào)，原“虛擬組”學(xué)員帶著在虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備中學(xué)習(xí)的疑問(wèn)進(jìn)行實(shí)裝的理論學(xué)習(xí)，而原“實(shí)裝組”學(xué)員對(duì)裝備結(jié)構(gòu)與原理有著更深入的理解，可自行在虛擬空間中對(duì)實(shí)裝學(xué)習(xí)時(shí)的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行檢驗(yàn)。

4.2運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開(kāi)展實(shí)踐教學(xué)

（1）操作使用訓(xùn)練。在沉浸式的訓(xùn)練環(huán)境中，學(xué)員按照實(shí)裝操作流程扳動(dòng)開(kāi)關(guān)、按鈕，進(jìn)行軟件操作，模擬再現(xiàn)實(shí)裝動(dòng)作，還可以借助幫助功能進(jìn)行查找?guī)椭?，操作步驟錯(cuò)誤時(shí)無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行，并進(jìn)行誤操作提示，使學(xué)員熟練掌握裝備結(jié)構(gòu)布局、操作方法步驟，從而提高學(xué)員實(shí)際動(dòng)手能力。

（2）典型故障分析與排除訓(xùn)練。在虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)中設(shè)置開(kāi)關(guān)、電路板、部組件等故障，模擬裝備典型故障現(xiàn)象，讓學(xué)員發(fā)現(xiàn)故障、判讀故障、分析故障、排除故障，學(xué)會(huì)選擇合適的檢測(cè)設(shè)備和修理工具排除典型故障，提高學(xué)員分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，夯實(shí)裝備維修技能。

（3）裝備拆裝訓(xùn)練。教員可以利用虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)的大屏幕投影功能進(jìn)行裝備拆裝的講解示范，學(xué)員實(shí)時(shí)多客戶端觀摩，各客戶端能以統(tǒng)一或多視角收聽(tīng)收看。學(xué)員在虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)軟件中選擇拆裝訓(xùn)練模塊后，系統(tǒng)軟件首先會(huì)演示拆裝過(guò)程動(dòng)畫，同步講解裝拆方法步驟，學(xué)員即可以選擇相應(yīng)的工具進(jìn)行拆裝訓(xùn)練，了解部組件的功能、結(jié)構(gòu)特征和基本原理，在實(shí)踐訓(xùn)練中鞏固復(fù)習(xí)結(jié)構(gòu)原理知識(shí)，實(shí)現(xiàn)了理論與實(shí)踐相融合，提高了實(shí)踐教學(xué)訓(xùn)練效果。

4.3運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開(kāi)展戰(zhàn)場(chǎng)搶救搶修訓(xùn)練

裝備戰(zhàn)場(chǎng)搶救搶修訓(xùn)練的難點(diǎn)在于復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的構(gòu)設(shè)。筆者所在的教研團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)很好地解決了這一問(wèn)題。虛擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境由三維虛擬數(shù)字化地形、虛擬戰(zhàn)場(chǎng)氛圍渲染兩部分組成，其中虛擬數(shù)字化地形主要通過(guò)模擬“山岳叢林”“高寒山地”等典型的地理特征用于實(shí)戰(zhàn)地形訓(xùn)練；虛擬戰(zhàn)場(chǎng)氛圍渲染，主要是開(kāi)發(fā)出虛擬戰(zhàn)場(chǎng)上的攻擊爆炸效果、毀傷狀態(tài)、戰(zhàn)場(chǎng)音效等一切與真實(shí)戰(zhàn)場(chǎng)有關(guān)的各類特效。使受訓(xùn)人員在虛擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境里獲取真實(shí)的、身臨其境的戰(zhàn)場(chǎng)體驗(yàn)，感受到戰(zhàn)場(chǎng)的壓力、克服戰(zhàn)場(chǎng)恐懼心理，同時(shí)完成各項(xiàng)任務(wù)。

4.4 運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行考核評(píng)價(jià)

在虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)中的開(kāi)發(fā)考核評(píng)價(jià)系統(tǒng)，能夠?qū)W(xué)員的裝備實(shí)踐訓(xùn)練過(guò)程進(jìn)行全流程、全要素監(jiān)控、評(píng)價(jià)，從而客觀地反映學(xué)員訓(xùn)練水平?？己嗽u(píng)價(jià)系統(tǒng)通過(guò)將實(shí)踐訓(xùn)練科目的所有步驟細(xì)化分解到最小單元，賦予一定的分值和權(quán)重，對(duì)學(xué)員的操作步驟、工具設(shè)備選擇與使用、裝備操作安全性和實(shí)踐訓(xùn)練效果進(jìn)行量化評(píng)分，如果違規(guī)操作則直接判定不及格。教員和學(xué)員均可以在系統(tǒng)中查詢每個(gè)訓(xùn)練科目得分的具體情況，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，既能夠評(píng)價(jià)反饋學(xué)員的訓(xùn)練效果，又能夠?yàn)榻虇T和學(xué)員進(jìn)行訓(xùn)練改進(jìn)提供科學(xué)依據(jù)，促進(jìn)教學(xué)質(zhì)量提升。

5結(jié)語(yǔ)

運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開(kāi)展裝備維修教學(xué)，能夠有效彌補(bǔ)實(shí)裝訓(xùn)練的不足，但受當(dāng)前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)水平的限制，還存在一定的局限性。第一，通過(guò)對(duì)使用者調(diào)研，有相當(dāng)一部分人在穿戴虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備超過(guò)15分鐘后會(huì)產(chǎn)生暈眩、眼澀等不適感，而15分鐘的使用時(shí)間一般很難覆蓋當(dāng)節(jié)課的訓(xùn)練任務(wù)，所以虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備的穿戴舒適度有待提高；第二，該技術(shù)需開(kāi)發(fā)者熟練掌握Unity3D、數(shù)據(jù)庫(kù)等多種開(kāi)發(fā)軟件，開(kāi)發(fā)難度較大，開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)，維護(hù)工作量大，還要兼顧模型的建立與系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，需要不斷地迎合武器裝備的更新。

參考文獻(xiàn)

[1]張仲華，趙欣，邱磊，聶秀輝.VR技術(shù)在裝備實(shí)訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2021（17）：103-104.

[2]王同聚.虛擬和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（VR/ AR）技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用與前景展望[J].數(shù)字教育，2017（1）.

（作者單位：陸軍工程大學(xué)軍械士官學(xué)校）