VR技术在装备实训教学中的应用
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作者:张仲华 赵欣 邱磊 聂秀辉
摘要：本文介绍了VR虚拟现实技术的发展及其在军内外教学中的应用情况，分析了当前装备实训教学的现状、存在的问题及VR技术应用的优势，提出了VR技术在装备实训教学中的应用及教学模式创新的建议。
关键词：VR技术;虚拟现实;装备实训
中图分类号：TP311 文献标识码： A
文章编号：1009-3044（2021）06-0103-02
随着信息技术在军事领域的应用向深度和广度发展，高技术武器装备层出不穷，近年来各种新型装备结构复杂，机械化和自动化程度较高，技术保障难度大且不易掌握，在实装上开展教学训练时受到很大的限制。本次研究以虚拟现实（VR）技术为基础，以军事装备培训仿真系统建设为需求牵引，建成一套通用性强、可用性高的虚拟现实装备培训开发平台，完成基于VR的装备保障智慧教室的建设，以满足装备实训教学的需要，实现军械装备训练虚拟化、系列化、便携化。构建基于虚拟现实技术的装备实训教学，从教学设计、学员上机实训、形成性考核等方面形成具有军械士官装备实训特色的教学模式。
1 当前VR技术的发展及其在军内外教学中的应用
VR技术是仿真模拟技术中较为重要的发展方向，虚拟现实技术在航空、制造、环境、娱乐、军事等领域都有了很多成功的应用。在军事领域，美国由政府支持的VR虚拟装备项目很多，例如有华盛顿州立大学和美国国家标准技术研究所NIST合作开发的虚拟装配设计环境。美国Georgia技术研究所利用采用自动与交互结合的方式，开展虚拟环境中产品的可拆性分析。另外，在美国亚利桑那州立大学、Wichita州立大学、德国Fraunhofer工业工程研究所也都有针对VR虚拟装备的专门研究。近年来，国内的高校和各类科研所，也开展了各种虚拟现实装备相关方面的课题，如清华大学、浙江大学、北京航空航天大学等就在虚拟规划设计、人机交互设计、远程呈现等方面有重大进展。虚拟现实技术以其独特的技术优势在军队院校教育训练中也有所运用。在机械、后勤装备的保障和信息化教学训练都有一定研究，开辟了军队院校教学理论与实践紧密结合的新领域。
2 当前装备实训教学的现状及存在的问题
随着装备更新换代步伐不断加快，当前武器装备在新材料、新工艺、新技术的应用使其维修具有工作机理复杂、技术密集、新技术应用多等特点，要求维修保障人员必须具有丰富的专业理论知识和较强的专业维修技能。在维修训练教学过程中，目前存在以下突出问题。
2.1 傳统的维修训练手段受装备性能、环境等各种条件制约
当前的装备维修训练主要采用实装训练+模拟维修训练两种方式，各种层次培训均是以装备和模拟器为载体，缺乏有效的任务区分，且受装备性能和训练环境的制约。同时，学校培训任务重、培训员额多，专业教学往往出现几个班次同时学习同一种型号装备的现象，不易开展高效训练。
2.2 教学训练知识内容缺乏有效的贯通，训练效果不理想
目前装备分为系统构造、工作原理、操作使用、检查调整、故障排除等教学模块。传统的教学手段是将这些内容按照不同的课程进行归纳和层次的划分，按照大纲进行一门门课程的学习，造成各模块之间缺乏有效的贯通，学员的装备综合训练效果不理想。
2.3 实装维修训练价格高昂，且不能多批次同时展开
高昂的装备价格使得专业维修教学成本很高，系统一旦故障需要大量的金钱和人力去完成恢复。同时，如实装空间狭小，一次只能容许部分人员进入装备。装备结构复杂，不易拆卸展示内部构造等问题也使得装备的训练效果大打折扣。
2.4 装备训练缺乏有效的效果评估
传统的装备训练效果是通过课终考核来评判，不能完全展现出学员的技术水平。学员在训练过程中出现的一些技术性失误，教员如果没有及时发现纠正，也会造成学员错误的认知。同时，错误的操作也给装备的安全带来隐患。所以，过程性的训练评估也是当前装备维修教学中亟待解决的问题。
3 VR技术在装备实训教学上的优势
3. 1 可以反复多次训练
弥补因装备、训练场地、经费、气象等训练条件的不足，使受训人员足不出户便可以反复进行各种虚拟条件下的装备操作，可以完全脱离装备、场地的限制，适合不同地域的部队及院校教学训练使用。
3.2 模拟效果逼真，提高训练的安全性
受训者在规定的训练课目内不断与虚拟系统进行交互操作，达到近乎真实的立体环境和临场感受，并且能够较好地改善实装训练安全系数较低，易于造成人员伤亡的状况。能够将维修指导知识与维修训练场景很好地结合在一起，在学习中指导训练，在训练中学习知识，极大提高教学效率，避免误操作导致装备损伤，寿命缩短的情况发生。
3.3 训练灵活性强易操作，学员学习积极性高
系统可反复使用并持续升级，突破传统实装训练+模拟维修训练两种模式，进行有效的任务区分;并且能够合理控制和分配教学和上机模拟实训时间，进行针对性教学设计。联网模式下可以进行科目跨校区、跨专业协同训练，从而增强学员的学习热情，丰富教学资源。
4 VR技术在装备实训教学中的应用研究
4.1 创设实战化教学情境
将教学融入创设的实战化情境中，使学习者在所营造的实战化情境中形成最直观的感知和认识。通过采集图片、编辑视频、制作多媒体课件等形式，构建虚拟战场环境，为实战化教学营造一种险象环生、身临其境的立体战场环境，使学员在几近真实的场景中投入全身心的学习、感知、探索中，使学员的主动性、积极性、创造性得到较充分的发挥。
分析当前实训教学现状和矛盾，开展基于虚拟现实技术的装备实训教学模式的研究，将维修指导知识与维修训练场景很好地结合在一起，在装备实训过程中尽量采用案例式的教学方法，实现案例的情景再现。加强教学策略设计，实现基于军械装备特色的案例教学、情景教学、自主学习和探索学习策略设计。 4.2 以信息化知识引导基本操作训练
装备实装信息化操作科目，是适应未来信息化战争的现实需求。应尤其重视光学、电磁学等与信息化、计算机和虚拟仿真相关的专业基础知识的学习和了解，掌握现代先进武器装备的抗干扰、抗毁伤以及防自扰等方面的特性，注重分析机械化战争和现代信息化战争的不同战场特征，要意识到对于现代信息化战争，电磁将作为一种十分重要的信息化作战资源，而用频作战又是其中十分重要的新领域和新方法。
4.3 典型故障模拟和维修训练
装备实训教学中要注意改进专业维修训练保障方式。在VR系统中运用声音、波形、仪表等表现方法来模拟装备实训教学中的典型故障，进而让学员根据故障的表现来分析和研究故障产生的原因，从而进一步选择恰当的工具和仪表开展维修训练。虚拟现实技术可以做到根据装备状态进行故障检测，确定故障现象，可跟踪故障排除过程并结合故障树辅助故障诊断，同时结合具体组合给出拆卸提示，能极大地提高维修效率，减少误操作。装备实训教学的过程中应当让学习者在虚拟教学系统平台上依次轮流操作，其他学员通过投影仪等设备观看操作过程，提高学习积极性和参与性。
4.4 基于VR的形成性考核评估
注重实装教学中虚拟上机时间的分配，注重形成性考核的研究，确保实训过程中的系统学习。在装备实训教学过程中，注意课堂教学、虚拟实验、技能训练、探索学习的有机融合，充分利用虚拟设备系统条件，合理优化教学设计。实现形成性考核评估，注重装备实训过程研究;实现精准教学，通过教学平台最大限度地激活学员的主观能动性和学习潜能，实现真正“以学员为中心”。
4.5 开发仿真训练系统，建设装备实训智慧教室
开发仿真训练系统，开展单机仿真教学、投入式仿真教学、网络化教学等，教学设计中注重人机交互设计、虚拟现实四重性原则，加强实训教学的功能化模块，提高教学設计的复用性。同时，开发基于虚拟现实技术的通用武器装备实训教学平台，将教、学和训练统一在平台上，体现教学训练的针对性，系统性;并在此基础上建立全方位的装备保障智慧教室。
4.6 紧跟装备发展动态，建立动态演化的平台
在装备实训教学过程中，应紧跟装备发展动态，建立动态演化的平台。实现平台的训练装备可扩展、训练内容可扩展、考核指令可扩充。系统为用户提供了题库数据导入、更新与数据备份、恢复等功能，可以适时更新平台数据库，适应不同地域的部队及院校教学训练需要。
5 虚拟现实技术在装备教学应用中需要注意的几点问题
尽管虚拟现实技术在装备教学中拥有着较大的优势，但是仍表现出以下几个方面的不足和局限性。
5.1 开发难度较大，周期较长
通常利用VR技术开发的模拟训练平台需要开发者较为熟练、专业地掌握3DSMax、Questc3D等多个软件和相关程序，系统开发难度较大，从建模到模拟系统平台的实现、调试等工作量较大，开发周期相应也比较长。
5.2 有其特定的适用性
并非所有的装备实训教学都需要采用虚拟现实技术，如在某些装备终端界面的操作教学与训练过程中，因为没有空间位置的转换因素，而仅仅是终端界面的切换，这个时候采用其他技术手段开发仿真系统更加易于实现，因而可以不采用虚拟现实技术。
5.3 无法完全代替真实的实践教学
无论虚拟仿真系统平台设计得如何逼真，虚拟场景中的操作与真实装备上的操作有着较大的区别。对于学习者来说，真正动手操作实际装备的效果优于任何虚拟系统的教学。所以说，基于虚拟现实技术的装备实训教学能够在一定程度上替代某些训练内容，但不能完全替代实践教学。
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【通联编辑：梁书】
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