國防工程專業課程虛擬情景仿真教學運用問題探究

蔡艷平　　王濤　　馮國彥　　李艾華　　石林鎖

（火箭軍工程大學 五系，陜西 西安 710025）

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國防工程專業課程虛擬情景仿真教學運用問題探究

蔡艷平王濤馮國彥李艾華石林鎖

（火箭軍工程大學 五系，陜西 西安 710025）

摘要：國防工程管理專業的專業課程，具有課時較少，課程授課內容多，知識覆蓋面寬，實踐操作性要求高的特點。傳統的課堂灌輸式教學，學生缺乏興趣，且理論與實踐脫節，教學效果欠佳。傳統教學模式已不能滿足實際需要，迫切需要一種現代化的教學方法來代替傳統純理論講授模式。文章圍繞虛擬情景仿真教學法在國防工程教學實踐中的應用進行研究，以培養學員的綜合實踐能力為目標，具有非常重要的現實意義。

關鍵詞：國防工程；虛擬情景仿真；教學；模塊；設計

引言

國防工程管理專業的專業課程，由于其自身的特點，需要克服以下教學難題：一是課程授課內容多，知識覆蓋面寬，前期課程學時較少，教學形式主要以課堂理論授課為主，手段比較單一，需要改革教學手段和教學模式；二是為解決課程無實驗的不足，突出理論與實踐的結合，提出虛擬情景仿真教學模式和方法，以培養學員的真實感知能力、實際動手能力和工程應用能力；三是由于學員課內學時少，而課程信息量大、無課外自學平臺，學員難以很好掌握課程內容，教學效果不好，因此需要拓展教學空間，開發虛擬情景仿真教學系統，以彌補課堂教學不足。因此，在國防工程管理專業的專業課程中運用情景教學，創設與教學內容相適應的具體場景或氛圍，引發學生的情感體驗，使其快速且正確地理解教學內容，提高教學效率，無疑是一種有益的嘗試。

一、虛擬情景教學功能設計

為適應國防工程人才培養需求，對國防工程課程的虛擬情景教學功能設計如下：（1）構建國防工程綜合信息管理系統所有設備的三維模型，實現國防工程綜合信息管理系統及設備的虛擬管理和交互式訓練功能；（2）開發面向學員培養目標的裝備虛擬情景教學功能，實現教學、訓練、自測、考核等不同訓練模式下的教學內容和模式優化，解決不同功能需求和教學目標的國防工程綜合信息管理系統教學問題；（3）突破空間、時間的限制，實現逼真的裝備虛擬分解與裝配、檢修流程、維修訓練、操作、考核的全過程三維動態模擬仿真，用虛擬訓練的方法解決國防工程綜合信息管理系統的教學訓練難題；（4）按照熟悉、獲取、實踐、確認的認知模型，將國防工程綜合信息管理系統的教學訓練過程分為講解演示、自主學習、引導式訓練、自主訓練、自測、考核等過程，開拓國防工程綜合信息管理系統“以軟代實、以虛代實、虛實結合”的新型訓練模式。國防工程綜合信息管理設備及系統的虛擬情景教學功能如下：

（1）能將綜合信息設備及系統的三維立體模型按照實物結構進行展示，實現設備總成所有零部件的全景顯示，并能從任意角度和以任意比例進行瀏覽，實現設備零部件認知。

（2）能實現綜合信息設備及系統工作過程仿真功能，能展示綜合信息設備及系統外部無法觀察的電氣關系、控制關系、關聯關系以及信息流傳遞關系。

（3）能實現綜合信息設備及系統虛擬接線功能，能實現按照接線工藝流程所規定的順序設置接線步驟和關卡，引導學員對綜合信息設備及系統進行接線操作。

（4）能實現綜合信息設備及系統檢查測量調整功能，能自動演示各檢查調整項目的步驟和操作過程，使學員盡快了解受訓內容，指導學員嚴格按照綜合信息設備及系統維護的技術要求，進行強化訓練。

圖1本項目虛擬情景仿真教學模塊組成

二、虛擬情景仿真教學模塊開發

“國防工程綜合信息管理系統”虛擬情景仿真教學模塊在傳統的信息管理系統教學基礎上通過計算機中的虛擬場景和運動仿真，可實現以逼真自然的方式與虛擬環境中的國防工程綜合信息管理系統對象進行交互操作，突破了傳統教學中理論知識難以理解，工作流程難以掌握，教學無法深入實裝現場的限制。虛擬情景仿真教學模塊的教學功能主要分為環境監控子系統、火災報警子系統、音視頻監控子系統、門禁控制子系統、周邊警戒子系統、智能廣播子系統、綜合管理平臺和相關資源8大模塊。圖1為虛擬情景仿真教學模塊組成。

三、虛擬情景教學模式設計

按照熟悉、獲取、實踐、確認的認知模型，可以將國防工程綜合信息管理系統教學過程分為熟悉和掌握知識和技能、實踐練習和操作能力確認，即可以用學習——練習——考核來簡單描述課程學習過程，進一步可分解為講解演示——自主學習——引導式訓練——自主訓練——自測——考核。圖2給出了學員對國防工程綜合信息管理系統的認知流程。

圖2學員對國防工程綜合信息管理系統的認知流程

（一）講解演示模式設計

國防工程綜合信息管理系統教學過程中的講解演示過程不僅是裝備操作、使用、維護過程在虛擬環境中的表現過程，同時也是體現教員教學意愿、學員訓練意愿，表達訓練內容中知識信息形成、穩定、鞏固的教學過程。講解演示訓練模式下學員學習活動示意圖如圖3所示，講解演示模式下的教學界面如圖4所示。

圖3講解演示訓練模式下學員學習活動示意圖

圖4講解演示模式下的教學界面

講解演示內容一般不會嚴格按照拆裝過程組織，而是抽取拆裝過程中的知識點進行說明和強調。以虛擬分解結合為例，講解的重點在于分解結合的程序、重要的操作步驟、重要的操作流程、特殊的拆裝操作等。

（二）引導教學模式設計

引導式教學訓練是指學員在教員或系統的提示和引導下完成實踐活動的訓練方式，其過程與實際裝備操作過程基本一致，不同點在于存在引導和提示信息。該模式下裝備虛擬操作訓練過程的關系示意如圖5所示，引導訓練模式下的教學界面如圖6所示。

圖5引導式訓練模式下裝備虛擬操作訓練過程示意圖

圖6引導訓練模式下的教學界面

（三）自主教學模式設計

自主教學訓練模式下，不對學員的操作過程進行控制，完全根據虛擬裝備的約束狀態和交互特性自主地做出響應。該模式下，學員的交互任務與裝備實際操作中的交互基本一致，不同的是此時學員可以尋求幫助，獲取操作提示或演示。該模式下的教學訓練過程示意如圖7所示，自主訓練模式下的教學界面如圖8所示。

圖7自主訓練模式下教學訓練過程示意圖

在本項目中，國防工程綜合信息管理系統虛擬情景仿真模塊對裝備操作過程的虛擬仿真，輔助以位置、音頻、視頻、三維模型等素材，設計并開發具體訓練模式。訓練實施時，學員利用系統提供的具體裝備不同拆裝訓練模式開展訓練，獲取拆裝知識，達到訓練目的。

四、虛擬情景仿真教學中應把握的問題

虛擬情景仿真教學在實施過程中，要把握重點，要根據學員的任職要求、認知水平、自身特點等相關因素，綜合考慮教學內容的難易、詳細程度，不斷地在實踐中了解情況，認真總結分析，明確情景式教學實施時的教學環節，切忌虛擬情景泛濫化。同時，要注重教學督導反饋，并及時征求學員的意見建議，不斷改進方法，這就要求教員必須全身心地投入到教學工作中，認真擬定教學計劃、編寫教案、設計課程、開發情景仿真教學模塊，通過這些工作，一方面把教員主導作用充分地發揮出來，促進教員不斷更新教學內容，改進教學方法，提高教學水平。另一方面發揮學員主體作用，學員利用情景仿真教學模塊集體學習、討論、操作比賽，提高學習的興趣，增強了求知欲望。主導和主體作用在教學活動中互相作用，教學相長，既推進了教，又深化了學，最終實現了傳授知識的目的。圖9為國防工程綜合信息管理系統虛擬情景仿真教學應用。

圖8自主訓練模式下的教學界面

圖9國防工程綜合信息管理系統虛擬情景仿真教學應用

參考文獻

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中圖分類號：G642

文獻標志碼：A`

文章編號：2096-000X（2016）14-0105-03

作者簡介：蔡艷平（1982-），男，湖北孝感人，博士生，從事機電設備狀態檢測及故障診斷、智能控制及自動化儀器儀表方面的研究工作。

Abstract:Defense engineering management major professional courses，have less class hour，more curriculum teaching content，wide breadth of knowledge.，higher practical operational requirements.Traditional classroom force-feeding teaching methods lead students lack of interest，and the theory and practice out of touch，teaching effect is poor.The traditional teaching mode can not meet the actual needs，it is urgent to need a modern teaching method to replace the traditional pure theory teaching mode.In this paper，the application of virtual scene simulation teaching method in the teaching practice of national defense engineering is studied，in order to cultivate students'comprehensive practical ability as the goal，which has a very important practical significance.

Keywords:defense engineering；virtual scene simulation；teaching；module；design