VR虛擬教學在航空充電設備課程中的應用研究

李勛章 高偉 楊秀芹

[摘 ? ? ? ? ? 要] ?為了適應新的教學模式發(fā)展，航空充電設備課程以VR技術應用為背景開展信息化課程教學改革。提出了一種將VR虛擬技術與課程教學有效結合的新思路，在原課程理實一體化的基礎上，深入推進課程信息化建設，實現(xiàn)了課程教學的理虛實一體化，有效提高了課程的教學訓練效果。

[關 ? ?鍵 ? 詞] ?VR技術;虛擬教學;航空充電設備;信息化課程教學

[中圖分類號] ?G642 ? ? ? ? ? ? ? [文獻標志碼] ?A ? ? ? ? [文章編號] ?2096-0603（2020）45-0124-02

航空充電設備是士官職業(yè)技術教育層次的一門必修的任職崗位課程，課程的目標是培養(yǎng)合格的航空兵場站充電員。課程講授的內(nèi)容主要是航空充放電裝備的結構組成、基本原理、基本操作和維護保養(yǎng)等，課程講授的方式主要是理實一體化教學，即理論講授和實裝操作相結合的方式。隨著信息化教學技術的不斷發(fā)展，該課程也急需進行相關信息化教學資源的建設，課程組人員進行充分的研究和深入的探索，提出將VR虛擬技術與課程教學有效結合的改革思路，形成了一套行之有效的實施策略。

一、VR虛擬教學

虛擬教學是一種創(chuàng)新型的教學模式，通過科學技術營造一個虛擬學習空間，將知識點通過虛擬感受和虛擬視覺等轉換為真實感受，在一種看似虛幻實則逼真的多媒體教學環(huán)境中，激發(fā)學生創(chuàng)新思維能力和想象力，提高教學質(zhì)量[1]。VR技術其實就是虛擬現(xiàn)實技術，通過計算機構建一個逼真的環(huán)境，使人們能夠在視覺、聽覺和觸覺方面得到不一樣的體驗。把VR技術運用在教育領域中，不僅可以提高課堂教學的有效性，還可以降低在現(xiàn)實教學訓練操作中的困難和成本，推動教育改革的步伐。

虛擬現(xiàn)實教學系統(tǒng)通常情況下可以分為三類[2]。

（一）桌面虛擬現(xiàn)實教學系統(tǒng)

桌面虛擬現(xiàn)實教學系統(tǒng)主要包括VR顯示、效果顯示、人機交互等幾部分，教學系統(tǒng)基于普通PC平臺，利用圖形工作站和立體顯示器，產(chǎn)生虛擬教學環(huán)境，學員可以使用力反饋器、三維鼠標、數(shù)據(jù)手套或者其他手控的輸入設備，實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實學習。桌面虛擬現(xiàn)實教學系統(tǒng)技術較為成熟，應用得比較普遍。

（二）沉浸式虛擬現(xiàn)實教學系統(tǒng)

沉浸式虛擬現(xiàn)實教學系統(tǒng)使學員有完全沉浸的體驗，學員有置身于虛擬環(huán)境中的感覺。其特點是：利用頭盔顯示器把學員的聽覺、視覺封閉起來，產(chǎn)生虛擬感覺，與此同時，利用數(shù)據(jù)手套把學員的手感觸覺封閉起來，產(chǎn)生虛擬的觸覺。學員的頭、手、眼均有相應跟蹤器的追蹤，能夠使教學系統(tǒng)達到盡可能的實時性。

（三）分布式虛擬現(xiàn)實教學系統(tǒng)

分布式虛擬現(xiàn)實教學系統(tǒng)基于網(wǎng)絡，多個學員同時參加進入虛擬現(xiàn)實教學環(huán)境，通過PC電腦和網(wǎng)絡對虛擬環(huán)境進行操作和觀察，從而實現(xiàn)學員與教員、學員與學員之間的交互和信息共享。

二、課程內(nèi)容特點

（一）實操內(nèi)容占教學內(nèi)容比重較大

課程教學內(nèi)容中除了講授設備的結構組成、原理外，相當多的一部分內(nèi)容為各型充電設備的操作、維護、保養(yǎng)以及故障的分析排除，這部分內(nèi)容的講授以往都是依靠教員在實裝上演示以及學員對實裝的操作練習來完成的。

（二）部分實操內(nèi)容具有危險性以及復雜性

一方面由于課程實操內(nèi)容中面對的操作對象為強電航空充放電設備，并且大多時候需要學員開機操作，因此內(nèi)容的教學訓練中存在一定的危險性;另一方面航空充放電設備內(nèi)部結構復雜，線路和電氣部件眾多，有很多地方手很難到達，因此內(nèi)容的教學訓練中又存在一定的復雜性。

（三）缺乏部分實裝設備

由于前期面對的對象都是陸基場站的學員，因此課程內(nèi)容的設置都是以陸基設備為主。為了適應當前艦載轉型的要求，在內(nèi)容上必須進行艦載充放電裝備相關知識的充實，但是由于該類設備比較緊缺，目前課程教學中無實際裝備，給實操內(nèi)容的教學訓練造成了一定的困難。

（四）課程教學訓練過程中需要具有一定的“戰(zhàn)味”

由于學員為部隊工作人員，在進行教學訓練時，需要調(diào)動學員緊張、高效的工作狀態(tài)，設備的實操訓練環(huán)境需要與部隊的日常工作環(huán)境盡量靠近，以提高學員在學習和實操訓練時的部隊體驗感，具有一定的“戰(zhàn)味”。

三、VR虛擬技術與課程教學有效結合

（一）VR虛擬現(xiàn)實教學系統(tǒng)的選擇

經(jīng)過課程組人員對三種虛擬現(xiàn)實教學系統(tǒng)的比對以及對本門課程教學特點的分析，決定采用桌面虛擬現(xiàn)實教學系統(tǒng)。采用這種教學系統(tǒng)主要有以下原因。

1.課程教學的特點

一方面由于課程教學中涉及的實操訓練內(nèi)容主要是對單個的充放電設備進行操作訓練，每個學員可以單獨完成，不需要彼此之間進行協(xié)同訓練。另一方面對學員操作訓練的要求，更多是體現(xiàn)在訓練科目的熟練程度上，不需要學員有過多的沉浸感。因此，基于以上分析，決定采用桌面虛擬現(xiàn)實教學系統(tǒng)，學員配套相應的三維鼠標、數(shù)據(jù)手套或者其他手控的輸入設備進行桌面式的虛擬訓練。

2.教學便利性的需求

采用桌面虛擬現(xiàn)實教學系統(tǒng)可實現(xiàn)一臺教員機與多臺學員機進行教學的成熟教學模式的有效傳承。學員可以在學員機上觀看教員的演示操作并進行操作練習，教員可以方便地切換到任何一臺學員機，進行學員操作情況的查看。這種模式既有效地運用了VR虛擬的教學訓練手段，又保留了傳統(tǒng)的教學模式，比較適合本課程的教學實施。

（二）VR虛擬現(xiàn)實教學內(nèi)容的確定

經(jīng)過對課程教學內(nèi)容的詳細分析后，在首期進行了以下VR虛擬現(xiàn)實教學內(nèi)容的建設：

1.危險性操作科目

在課程內(nèi)容中，有一部分內(nèi)容涉及強電電氣部件的帶電操作，例如三相380V整流電路的工作參數(shù)測量、三相380V濾波電路的性能檢測等，學員如果直接上設備操作訓練，會有一定的觸電安全隱患，對于這部分內(nèi)容，要進行虛擬教學開發(fā)。通過數(shù)據(jù)圖形建模，首先構建虛擬的操作環(huán)境，然后學員通過輸入設備進行虛擬訓練，操作訓練熟練以后再到實際設備上進行操作。由于構建的虛擬環(huán)境逼真度較高，因此學員的操作真實感較強，教學的效果非常好。

2.復雜性操作科目

在課程內(nèi)容中，還有一部分內(nèi)容的復雜性和敏感性比較高，例如充電設備控制板的信號檢測，該內(nèi)容在實操過程中需要學員進行弱電信號的仔細測量，這些弱電信號主要來自電路板上的各種芯片和集成電路的引腳以及大量的電容、電阻、電感、晶體管的引腳等，操作步驟和操作內(nèi)容相對比較復雜，并且如果由于學員操作不當，還會對控制電路板造成一定的損傷。又如充放電內(nèi)部電氣部件的檢修，該內(nèi)容需要學員將手深入到設備內(nèi)部進行操作，但是由于電氣部件安裝位置不易到達，操作起來存在相當大的困難。對于上述這部分內(nèi)容，要進行虛擬教學開發(fā)，首先構建虛擬的操作環(huán)境，學員首先通過輸入設備進行虛擬訓練，反復訓練達到一定的熟練程度后，再到實際設備上進行操作，這樣既提高了課堂授課的效率，同時也大大降低了科目訓練的復雜程度。

3.綜合操作流程演練科目

課程教學后期的綜合操作流程演練科目，需要與部隊的日常工作環(huán)境盡量靠近，對于這部分內(nèi)容，通過虛擬教學開發(fā)，構建虛擬的部隊實際工作環(huán)境，學員通過輸入設備在此虛擬環(huán)境中進行虛擬訓練，由于具備相當程度“戰(zhàn)味”，學員在學習和實操訓練時的部隊體驗感增強，訓練效果有效提高。

4.缺少實裝的訓練科目

為了適應當前艦載轉型的要求，在內(nèi)容上必須進行艦載充放電裝備相關知識的充實，目前該類型設備無法配備給課程組，因此在實際教學過程中對這一部分內(nèi)容的實操教學存在困難。為了解決該問題，通過虛擬教學開發(fā)，構建虛擬的裝備，學員通過輸入設備在虛擬裝備中進行虛擬訓練學習，實踐證明，基本可以達到實裝教學等同的教學訓練效果。

四、結束語

航空充電設備課程作為重點課程試點的改革課程，通過VR虛擬教學信息化手段的融入，在原有的理實一體化教學的基礎上實現(xiàn)了理論教學、虛擬訓練、實裝操作訓練的理虛實一體化，實踐證明可有效地提高課程的教學訓練效果，對其他部隊裝備課程的信息化課程改革具有一定的借鑒意義。

參考文獻：

[1]劉勉，張際平.虛擬現(xiàn)實視域下的未來課堂教學模式研究[J].中國電化教育，2018（5）：30-37.

[2]H3C.邁向“智慧校園”高校IT“新”變革[J].中國教育網(wǎng)絡，2017（7）：58-59.

◎編輯 原琳娜