虛擬訓練系統(tǒng)輔助裝備類專業(yè)課程教學改革研究

張新喜　張嘉曦　石海濱

摘? 要：為強化學員實戰(zhàn)化本領，培養(yǎng)新型軍事人才，在信息技術高速發(fā)展的推動下，該文開展虛擬訓練系統(tǒng)輔助軍隊院校裝備類專業(yè)課程教學改革應用研究。該文分析傳統(tǒng)裝備類課程的現(xiàn)狀，結合裝備類專業(yè)課程特點和實裝訓練需求，以某裝備電氣系統(tǒng)為對象，系統(tǒng)化設計虛擬訓練系統(tǒng)的結構和功能，體系化研究虛擬訓練系統(tǒng)輔助專業(yè)課教學的“提前知-輔助學-實戰(zhàn)練”的融合沉浸式虛實結合教學模式，總結虛擬訓練系統(tǒng)輔助教學的優(yōu)勢，研究成果可為其他專業(yè)課程教學提供參考。

關鍵詞：虛擬現(xiàn)實技術；課程改革；教學應用；虛擬訓練系統(tǒng)；裝備類課程

中圖分類號：G642? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2024）16-0025-05

Abstract： In order to strengthen the cadets' practical skills and train new military talents， driven by the rapid development of information technology， this paper carried out a research on the application of virtual training system to assist the teaching reform of equipment specialty courses in military academies. This paper analyzed the current situation of traditional equipment courses， combined with the characteristics of equipment specialty courses and practical training needs， systematically designed the structure and function of a virtual training system with a certain type of tank electrical system as the object， systemically studies the "advance-know， auxiliary-study， actual combat-train" teaching mode of virtual training system， and summarized the advantages of virtual training system assisting teaching. The research results can provide reference for the teaching of other professional courses.

Keywords： virtual reality technology; curriculum reform; teaching application; virtual training system; equipment courses

裝備類專業(yè)課程教學內容涉及裝備各個系統(tǒng)的功能、結構原理、使用操作和維護保養(yǎng)等，與實際裝備貼合緊密，是陸軍裝甲兵學院大三、大四階段重要的專業(yè)課程，該裝備類專業(yè)課程更加強調理論知識與裝備實踐結合，以實踐來增加理論知識的理解和掌握，其教學過程既有理論教學又有實踐訓練。

同時，為了把握“立德樹人、為戰(zhàn)育人”的核心指向，遵循“以戰(zhàn)領教”“為戰(zhàn)教戰(zhàn)”“育人打仗”的實戰(zhàn)化教學理念，積極推動本科專業(yè)課程的實戰(zhàn)化教學改革極為重要，傳統(tǒng)的教學訓練方式已不能完全滿足實戰(zhàn)化教學要求，在新技術發(fā)展背景下，就要以信息化技術為依托，探索新型教學模式，提升教學質量。

虛擬訓練系統(tǒng)能夠采用先進的仿真技術、虛擬現(xiàn)實技術和人工智能技術，建立裝備的立體真實模型，搭建逼真的三維互動場景，使學員與實裝沉浸式結合，快速理解和掌握裝備不同系統(tǒng)的原理構造、操作使用、故障檢排等，充分發(fā)揮學員主觀能動性?；谔摂M訓練系統(tǒng)輔助裝備類課程教學，能夠打破傳統(tǒng)教學在時間和空間上所受的限制，將虛擬訓練系統(tǒng)貫穿整個理論與實裝實踐教學中，形成理論課前“以虛促知”裝備知識基礎認知；理論課中“以虛強學”的專業(yè)課虛擬輔助應用，強調理論到裝備的實時轉化；實裝實踐課中“以虛補實”的沉浸式故障檢排實操，形成實戰(zhàn)化應用的虛實結合教學模式。

一? 傳統(tǒng)裝備類專業(yè)課程教學現(xiàn)狀分析

（一）? 教學模式單一，理論聯(lián)系實際不足

專業(yè)課程的教學往往理論知識專業(yè)性強且抽象，與地方大學不同，軍隊院校裝備類專業(yè)課程教學需緊貼裝備，從實裝實戰(zhàn)出發(fā)，要求理論密切聯(lián)系裝備實際，由于其涉密性和特殊性，難以使用翻轉課堂、線上線下混合式教學等新型信息化教學模式和手段?，F(xiàn)裝備類理論課程教學，主要以教員輸出型為主，雖充分利用多媒體手段展示，但對于裝備中復雜系統(tǒng)和抽象理論的呈現(xiàn)模式尚有不足，學員仍難以將理論知識與裝備實踐結合，如對某型裝備某系統(tǒng)的功用、位置、操作使用等理解不清，學習到的知識很難向實裝遷移；而且專業(yè)課程的實裝實踐課程安排學時較少，一般以裝備認知和觀摩為主，學員對實裝的理解和使用操作能力很難提升。

（二）? 教學資源缺乏，實戰(zhàn)化訓練受限

在裝備類專業(yè)課教學的實裝實踐課程中，需要統(tǒng)籌規(guī)劃裝備動用、助教安排等內容，學員要嚴格遵守訓練場秩序與要求，按照實踐內容逐一進行，缺乏一定的主觀能動性，而且實裝訓練動用裝備存在安全隱患、維護費用高，學員參與度低等問題；實裝實訓無法真實設置故障，不能對緊急工況進行處理，支撐不了學員故障排查、特情處置等實戰(zhàn)化教學訓練。以上問題在畢業(yè)聯(lián)考、畢業(yè)演習等實裝演練活動中表現(xiàn)明顯，當突遇裝備不能正常啟動、電氣模塊故障等情況時，學員由于缺少相應訓練，不能迅速判斷與處置，使得裝備趴窩、冒煙，影響演練活動正常進行。

（三）? 裝備更新不及時，人才培養(yǎng)與部隊需求脫節(jié)

軍隊院校教育是軍事人才培養(yǎng)的主渠道，在完備的學科專業(yè)體系教學過程中，為了緊跟裝備發(fā)展和部隊組訓，要求根據(jù)新式裝備、新技術的發(fā)展及時更新調整授課內容，以適應部隊裝備訓練需求及人才培養(yǎng)需求，但軍隊院校新裝備數(shù)量較少，導致學員無法在校內實現(xiàn)對新裝備構造、使用及保障的熟練掌握，實裝實訓內容不能緊跟部隊發(fā)展，與部隊實際需求存在脫節(jié)。

二? 虛擬訓練系統(tǒng)的設計

（一）? 虛擬訓練系統(tǒng)的設計理念

本文以某裝備電氣系統(tǒng)課程教學為例，該課程依托教學科研項目開發(fā)了某型坦克電氣電子系統(tǒng)虛擬維修訓練系統(tǒng)，其包含了該型裝備電氣系統(tǒng)各個部分，包括啟動系統(tǒng)、發(fā)電系統(tǒng)、綜合電子系統(tǒng)和全車電路等。虛擬維修訓練系統(tǒng)設計理念如圖1所示。從基礎理論知識開始引導輔助學員記憶、理解，加深基礎認知；通過手柄、行為動作等與虛擬環(huán)境的交互，學員可以進行虛擬操作，實現(xiàn)理論學習到裝備實踐的貫通訓練；在故障診斷模塊中，學員能夠綜合運用理論知識，自主判斷、動手進行故障排除，學員的實戰(zhàn)化技能得以訓練與提高。此外，考核和管理貫穿所有模塊，教員能夠根據(jù)教學日志和操作過程中反映的問題及時進行總結分析，調整優(yōu)化虛擬訓練系統(tǒng)的內容，更好地達到輔助專業(yè)課程教學訓練的目的。

（二）? 虛擬訓練系統(tǒng)的功能

某型坦克電氣電子系統(tǒng)虛擬維修訓練系統(tǒng)具體包括認知學習、拆卸及裝配訓練、故障檢測與排除訓練、教學管理四類功能，如圖2所示。訓練科目類型包括：裝備構造、工作原理、部件拆裝、故障排除。

1）認知學習功能，采用圖片、文檔、三維動畫和音視頻等表現(xiàn)形式，融入部隊和院校教學訓練實踐中形成的先進教學方法和經(jīng)驗技巧，使學員學習掌握電氣電子系統(tǒng)結構、組成、功能及工作原理，并開展理論測試。主要科目類型為裝備構造和工作原理。

2）拆卸及裝配訓練功能，針對某型坦克電氣電子系統(tǒng)拆裝訓練知識要點，設置訓練科目，構造系統(tǒng)拆裝虛擬場景，利用先進的VR技術，按照角色分工和協(xié)同訓練要求，引導學員按照拆裝技術要求開展個人或多人協(xié)同的操作技術和規(guī)程訓練，熟悉電氣電子系統(tǒng)拆卸的流程和方法，并進行虛擬實操考核測試。支持引導式訓練和操作考核，支持多人協(xié)同訓練。主要科目類型為部件拆裝。

3）故障檢測與排除訓練功能，在拆裝訓練功能的基礎上，提供虛擬電氣電子系統(tǒng)故障的近實戰(zhàn)化故障判斷和維修功能，支持引導式訓練，支持多人協(xié)同訓練，并可進行虛擬實操考核。主要科目類型為故障排除。

4）教學管理功能，可實現(xiàn)對各分系統(tǒng)的管理控制，實時檢測系統(tǒng)軟硬件的工作狀況。教員可根據(jù)教學計劃下達科目訓練內容，指定單人或多人協(xié)同訓練模式，可組織學員進行理論測試及虛擬實操測試。教員可對用戶、數(shù)據(jù)和日志消息統(tǒng)一管理，并根據(jù)以上數(shù)據(jù)分析學員學習和掌握的情況，進而對專業(yè)課教學及時進行內容調整和優(yōu)化。

三? 虛擬訓練系統(tǒng)輔助裝備類專業(yè)課程教學應用

以裝備類專業(yè)課程某裝備電氣系統(tǒng)教學為例，將某型坦克電氣電子系統(tǒng)虛擬維修訓練系統(tǒng)中電氣系統(tǒng)以及部件的概念、組成、功能、原理、裝配操作、故障現(xiàn)象和訓練考核等虛擬訓練內容輔助應用于某裝備電氣系統(tǒng)專業(yè)課程教學。虛擬訓練系統(tǒng)輔助裝備類專業(yè)課程教學總體思路如圖3所示。

（一）? 輔助教學應用設計

結合軍隊院校教學實際情況，合理應用虛擬訓練系統(tǒng)輔助教學，以“能實不虛、虛實結合”為原則，重構教學內容，重新設計教學時間與教學模式，逐步形成學員為主體，教員為引領和推動，設計形成“提前知-輔助學-實戰(zhàn)練”的融合沉浸式的虛實結合教學模式，采用情景式、沉浸式、參與式和探究式的教學方法，強調學員自主學、興趣學、實踐學，學員在整個虛實結合的教學過程中，能被激發(fā)主動掌握知識、親自動手實踐、發(fā)現(xiàn)并解決問題的能力，教員通過考核模擬評估實時掌握學員的理解、應用程度，從側面加強了與學員的溝通交流，便于調整教學策略和教學內容，有效提升教學質量。

緊緊圍繞人才培養(yǎng)方案明確的培養(yǎng)目標，按照專業(yè)課程教學計劃，包括教學目標、教學內容、教學設計等，展開虛擬訓練系統(tǒng)輔助課程的課程建設工作。深研教學計劃，確定虛擬訓練與課次內容契合的知識點，將對應部分進行含虛擬訓練系統(tǒng)輔助的課次教學設計，形成理論課虛擬“提前知”與“輔助學”教學模式，規(guī)劃好學時安排，突出虛擬系統(tǒng)的輔助作用；形成實裝實踐課的虛擬“實戰(zhàn)練”，重新安排和組織實踐課程，實裝訓練與虛擬系統(tǒng)訓練優(yōu)化組合，提高訓練效率，特別是可以增加故障設置排查等實裝難以實現(xiàn)的訓練科目，培養(yǎng)學員的實戰(zhàn)化素養(yǎng)。

依據(jù)往屆學員對此類專業(yè)課程的學習情況，對理解不透徹、理論與實際聯(lián)系不緊密、實戰(zhàn)化教學訓練缺失的環(huán)節(jié)進行重點調整，增加虛擬訓練系統(tǒng)輔助專業(yè)課程教學，通過虛擬訓練系統(tǒng)增強認知，讓學員在高逼真、沉浸式的虛擬訓練環(huán)境中全方位開展裝備感知、裝備操作、故障排查等操作，增強學員學習興趣，在有限時間內獲取傳統(tǒng)課堂無法獲得的知識和體驗。

（二）? 輔助教學應用內容

虛擬訓練系統(tǒng)輔助專業(yè)課程教學的內容主要分三個部分：一是“提前知”，在課前作為先行認知、預習的教學資源，采用情景式教學；二是“輔助學”，在課中作為系統(tǒng)結構展示、原理演示的輔助教學內容，采用沉浸式教學；三是“實戰(zhàn)練”，在實裝實訓中作為實裝實訓前的輔助訓練手段，下達部件安裝與拆卸、故障檢測與排除任務，作為虛實輪訓的教學手段，采用實踐式和探究式教學。

1? 課前“提前知”

由于軍隊院校學員日常訓練量大、課程量多，各門課應接不暇，往往安排的預習不能按時按量完成，影響上課的聽課效率。根據(jù)課程教學計劃安排基于虛擬訓練系統(tǒng)的認知學習，可充分提高學員的學習興趣和預習效率。學員進入虛擬仿真訓練系統(tǒng)后可選擇理論學習模塊進行學習，如圖4所示，理論學習中涵蓋裝備構造、系統(tǒng)結構、工作原理等內容，做到對所學內容的整體、形象化、直觀化的把握，并進行理論測試促進“先能力、后知識”的逆向教學，增加課前預習的有效性，同時解決了無法隨時接觸裝備、線上裝備資源少等實際教學難題，形成情景式的教與學。

2? 課中“輔助學”

專業(yè)課理論知識的學習是為了更好地了解和掌握裝備中實際裝備電氣系統(tǒng)的工作原理，這是一個高素質指揮員必備的知識素養(yǎng)和能力要求。教員在充分講解、分析、引導的基礎上，可應用虛擬訓練系統(tǒng)中形成的三維立體模型進行演示，通過旋轉、放大、透視等操作，讓學員對講述的裝備電氣系統(tǒng)器部件在裝備上的位置、功用等知識得到強化和掌握。通過虛擬畫面感的視覺沖擊，在逼真的裝備虛擬場景中身臨其境，可快速提升學員對所學專業(yè)課理論知識的運用能力。與此同時，利用虛擬仿真演示問題的解決過程和效果，有效調動學員積極性，促進積極思考、激發(fā)學習潛能，形成沉浸式的教與學。

3? 實裝實訓“實戰(zhàn)練”

以學員為主體、任務為主線進行先虛后實的教學，教員下達任務后學員主動參與、交互、思考、實操。虛擬訓練系統(tǒng)能夠比較真實地還原模擬實裝內部設備和結構，教學開始后，學員通過佩戴VR頭盔進入虛擬實車裝備，通過手柄和一些特定的動作來操作，可以選擇單人任務或者小組多人任務進行組訓，系統(tǒng)中有實時的日志記錄，方便后期了解學員對知識的掌握程度，跟蹤教學效果，學員也可以針對薄弱環(huán)節(jié)反復練習，能夠在虛擬實踐中鞏固知識、強化動手實踐能力，形成虛擬實踐式教與學。

此外，虛擬訓練系統(tǒng)可以模擬各種事故及極限運行狀態(tài)，學員通過自主分析研究或以小組合作的方式排除故障，解決實裝實訓中無法模擬的故障狀態(tài)，實現(xiàn)真實情況下無法實現(xiàn)的危險性操作或臨界條件，如圖5所示。利用虛擬訓練系統(tǒng)來輔助實訓教學，解決了實裝數(shù)量不足、故障設置不方便、實戰(zhàn)化條件不滿足等實際教學問題，通過引導式訓練和操作技能考核，增強學員的分析、評價、創(chuàng)造能力，達到“以虛補實”的目的，形成探究式教與學。

四? 虛擬訓練系統(tǒng)輔助專業(yè)課教學的實施效果

（一）? 優(yōu)化教學體驗，提升教學效果

虛擬訓練系統(tǒng)通過VR技術將實裝映射到虛擬世界，能充分增強學員的感官體驗，通過調動學習者的感知實現(xiàn)知識的高效學習，進而又由感知向交互感、沉浸感和臨場感不斷進階，交互程度不斷提高，學習深度不斷加強，實現(xiàn)裝備類專業(yè)課程教學臨場感的高階體驗，可以較好地解決理論與實際聯(lián)系不緊密、理論向實裝遷移難的問題，改善了專業(yè)課較為枯燥的“灌輸型”教學模式，極大地增加了學員興趣，豐富了預習、學習、復習的教學資源，提升了教學效果。

（二）? 創(chuàng)新實訓過程，提高實戰(zhàn)化技能

虛擬訓練系統(tǒng)較好地解決了實裝由于時間空間等限制動用難、維護大、安全性低的問題，而且虛擬訓練系統(tǒng)輔助專業(yè)課程教學始終堅持兩個導向：一是問題導向，由于所涉及實訓內容的特殊性，例如新裝備不足、車內空間小無法向全部學員演示指導、裝備無法設置或呈現(xiàn)故障、無法模擬特殊戰(zhàn)場環(huán)境等，所以在實訓課程中，虛擬訓練系統(tǒng)重點解決了正式實訓科目條件不具備的難題，根據(jù)演習、以往經(jīng)驗設置故障檢排案例庫，真實模擬實裝使用過程中出現(xiàn)的各種問題；二是需求導向，在“能打仗、打勝仗”實戰(zhàn)化人才培養(yǎng)要求，以及培養(yǎng)德才兼?zhèn)涞母咚刭|、專業(yè)化新型軍事人才軍事教育方針指引下，使實訓課程更加貼近實戰(zhàn)化需求。

（三）? 豐富教學內容，改進教學手段

虛擬訓練系統(tǒng)是先進教學內容的載體，在專業(yè)課程教學中引入虛擬訓練系統(tǒng)是實現(xiàn)教學內容創(chuàng)新和教學模式轉型的有效手段。虛擬訓練系統(tǒng)能夠在一定程度上解決教與學的問題，豐富了教學內容，改變了傳統(tǒng)的教學模式，讓學員更具主動性，增強參與感和獲得感。在專業(yè)課程難點問題、重點問題、強化問題中，優(yōu)先考慮將虛擬訓練系統(tǒng)作為輔助手段，讓學員及時將理論學習與實踐訓練相結合，在虛擬場景中鍛煉分析與解決問題能力，最終大幅提升實裝訓練的質效。此外，虛擬訓練系統(tǒng)采用高度開放式系統(tǒng)架構，可不斷更新融合新一代在研裝備、概念裝備等內容，達到“人等裝備”的超前實踐培養(yǎng)，使學員緊跟新裝備和新技術發(fā)展，可實現(xiàn)教學內容的迭代更新、學員專業(yè)素質的穩(wěn)步提升。

基金項目：中央軍委裝備發(fā)展部陸軍裝備軍內科研項目“某型坦克電氣電子系統(tǒng)虛擬維修訓練系統(tǒng)”（2020BZ03）；陸軍裝甲兵學院教育研究課題“虛擬訓練系統(tǒng)輔助專業(yè)課程教學應用研究”（2022CG20）

第一作者簡介：張新喜（1980-），男，漢族，湖北當陽人，博士，副教授，碩士研究生導師。研究方向為裝甲車輛電氣系統(tǒng)。