VR技術在裝備實訓教學中的應用

張仲華　趙欣　邱磊　聶秀輝

摘要：本文介紹了VR虛擬現實技術的發展及其在軍內外教學中的應用情況，分析了當前裝備實訓教學的現狀、存在的問題及VR技術應用的優勢，提出了VR技術在裝備實訓教學中的應用及教學模式創新的建議。

關鍵詞：VR技術;虛擬現實;裝備實訓

中圖分類號：TP311? ? ? ? 文獻標識碼： A

文章編號：1009-3044（2021）06-0103-02

隨著信息技術在軍事領域的應用向深度和廣度發展，高技術武器裝備層出不窮，近年來各種新型裝備結構復雜，機械化和自動化程度較高，技術保障難度大且不易掌握，在實裝上開展教學訓練時受到很大的限制。本次研究以虛擬現實（VR）技術為基礎，以軍事裝備培訓仿真系統建設為需求牽引，建成一套通用性強、可用性高的虛擬現實裝備培訓開發平臺，完成基于VR的裝備保障智慧教室的建設，以滿足裝備實訓教學的需要，實現軍械裝備訓練虛擬化、系列化、便攜化。構建基于虛擬現實技術的裝備實訓教學，從教學設計、學員上機實訓、形成性考核等方面形成具有軍械士官裝備實訓特色的教學模式。

1 當前VR技術的發展及其在軍內外教學中的應用

VR技術是仿真模擬技術中較為重要的發展方向，虛擬現實技術在航空、制造、環境、娛樂、軍事等領域都有了很多成功的應用。在軍事領域，美國由政府支持的VR虛擬裝備項目很多，例如有華盛頓州立大學和美國國家標準技術研究所NIST合作開發的虛擬裝配設計環境。美國Georgia技術研究所利用采用自動與交互結合的方式，開展虛擬環境中產品的可拆性分析。另外，在美國亞利桑那州立大學、Wichita州立大學、德國Fraunhofer工業工程研究所也都有針對VR虛擬裝備的專門研究。近年來，國內的高校和各類科研所，也開展了各種虛擬現實裝備相關方面的課題，如清華大學、浙江大學、北京航空航天大學等就在虛擬規劃設計、人機交互設計、遠程呈現等方面有重大進展。虛擬現實技術以其獨特的技術優勢在軍隊院校教育訓練中也有所運用。在機械、后勤裝備的保障和信息化教學訓練都有一定研究，開辟了軍隊院校教學理論與實踐緊密結合的新領域。

2 當前裝備實訓教學的現狀及存在的問題

隨著裝備更新換代步伐不斷加快，當前武器裝備在新材料、新工藝、新技術的應用使其維修具有工作機理復雜、技術密集、新技術應用多等特點，要求維修保障人員必須具有豐富的專業理論知識和較強的專業維修技能。在維修訓練教學過程中，目前存在以下突出問題。

2.1 傳統的維修訓練手段受裝備性能、環境等各種條件制約

當前的裝備維修訓練主要采用實裝訓練+模擬維修訓練兩種方式，各種層次培訓均是以裝備和模擬器為載體，缺乏有效的任務區分，且受裝備性能和訓練環境的制約。同時，學校培訓任務重、培訓員額多，專業教學往往出現幾個班次同時學習同一種型號裝備的現象，不易開展高效訓練。

2.2 教學訓練知識內容缺乏有效的貫通，訓練效果不理想

目前裝備分為系統構造、工作原理、操作使用、檢查調整、故障排除等教學模塊。傳統的教學手段是將這些內容按照不同的課程進行歸納和層次的劃分，按照大綱進行一門門課程的學習，造成各模塊之間缺乏有效的貫通，學員的裝備綜合訓練效果不理想。

2.3 實裝維修訓練價格高昂，且不能多批次同時展開

高昂的裝備價格使得專業維修教學成本很高，系統一旦故障需要大量的金錢和人力去完成恢復。同時，如實裝空間狹小，一次只能容許部分人員進入裝備。裝備結構復雜，不易拆卸展示內部構造等問題也使得裝備的訓練效果大打折扣。

2.4 裝備訓練缺乏有效的效果評估

傳統的裝備訓練效果是通過課終考核來評判，不能完全展現出學員的技術水平。學員在訓練過程中出現的一些技術性失誤，教員如果沒有及時發現糾正，也會造成學員錯誤的認知。同時，錯誤的操作也給裝備的安全帶來隱患。所以，過程性的訓練評估也是當前裝備維修教學中亟待解決的問題。

3 VR技術在裝備實訓教學上的優勢

3. 1 可以反復多次訓練

彌補因裝備、訓練場地、經費、氣象等訓練條件的不足，使受訓人員足不出戶便可以反復進行各種虛擬條件下的裝備操作，可以完全脫離裝備、場地的限制，適合不同地域的部隊及院校教學訓練使用。

3.2 模擬效果逼真，提高訓練的安全性

受訓者在規定的訓練課目內不斷與虛擬系統進行交互操作，達到近乎真實的立體環境和臨場感受，并且能夠較好地改善實裝訓練安全系數較低，易于造成人員傷亡的狀況。能夠將維修指導知識與維修訓練場景很好地結合在一起，在學習中指導訓練，在訓練中學習知識，極大提高教學效率，避免誤操作導致裝備損傷，壽命縮短的情況發生。

3.3 訓練靈活性強易操作，學員學習積極性高

系統可反復使用并持續升級，突破傳統實裝訓練+模擬維修訓練兩種模式，進行有效的任務區分;并且能夠合理控制和分配教學和上機模擬實訓時間，進行針對性教學設計。聯網模式下可以進行科目跨校區、跨專業協同訓練，從而增強學員的學習熱情，豐富教學資源。

4 VR技術在裝備實訓教學中的應用研究

4.1 創設實戰化教學情境

將教學融入創設的實戰化情境中，使學習者在所營造的實戰化情境中形成最直觀的感知和認識。通過采集圖片、編輯視頻、制作多媒體課件等形式，構建虛擬戰場環境，為實戰化教學營造一種險象環生、身臨其境的立體戰場環境，使學員在幾近真實的場景中投入全身心的學習、感知、探索中，使學員的主動性、積極性、創造性得到較充分的發揮。

分析當前實訓教學現狀和矛盾，開展基于虛擬現實技術的裝備實訓教學模式的研究，將維修指導知識與維修訓練場景很好地結合在一起，在裝備實訓過程中盡量采用案例式的教學方法，實現案例的情景再現。加強教學策略設計，實現基于軍械裝備特色的案例教學、情景教學、自主學習和探索學習策略設計。

4.2 以信息化知識引導基本操作訓練

裝備實裝信息化操作科目，是適應未來信息化戰爭的現實需求。應尤其重視光學、電磁學等與信息化、計算機和虛擬仿真相關的專業基礎知識的學習和了解，掌握現代先進武器裝備的抗干擾、抗毀傷以及防自擾等方面的特性，注重分析機械化戰爭和現代信息化戰爭的不同戰場特征，要意識到對于現代信息化戰爭，電磁將作為一種十分重要的信息化作戰資源，而用頻作戰又是其中十分重要的新領域和新方法。

4.3 典型故障模擬和維修訓練

裝備實訓教學中要注意改進專業維修訓練保障方式。在VR系統中運用聲音、波形、儀表等表現方法來模擬裝備實訓教學中的典型故障，進而讓學員根據故障的表現來分析和研究故障產生的原因，從而進一步選擇恰當的工具和儀表開展維修訓練。虛擬現實技術可以做到根據裝備狀態進行故障檢測，確定故障現象，可跟蹤故障排除過程并結合故障樹輔助故障診斷，同時結合具體組合給出拆卸提示，能極大地提高維修效率，減少誤操作。裝備實訓教學的過程中應當讓學習者在虛擬教學系統平臺上依次輪流操作，其他學員通過投影儀等設備觀看操作過程，提高學習積極性和參與性。

4.4 基于VR的形成性考核評估

注重實裝教學中虛擬上機時間的分配，注重形成性考核的研究，確保實訓過程中的系統學習。在裝備實訓教學過程中，注意課堂教學、虛擬實驗、技能訓練、探索學習的有機融合，充分利用虛擬設備系統條件，合理優化教學設計。實現形成性考核評估，注重裝備實訓過程研究;實現精準教學，通過教學平臺最大限度地激活學員的主觀能動性和學習潛能，實現真正“以學員為中心”。

4.5 開發仿真訓練系統，建設裝備實訓智慧教室

開發仿真訓練系統，開展單機仿真教學、投入式仿真教學、網絡化教學等，教學設計中注重人機交互設計、虛擬現實四重性原則，加強實訓教學的功能化模塊，提高教學設計的復用性。同時，開發基于虛擬現實技術的通用武器裝備實訓教學平臺，將教、學和訓練統一在平臺上，體現教學訓練的針對性，系統性;并在此基礎上建立全方位的裝備保障智慧教室。

4.6 緊跟裝備發展動態，建立動態演化的平臺

在裝備實訓教學過程中，應緊跟裝備發展動態，建立動態演化的平臺。實現平臺的訓練裝備可擴展、訓練內容可擴展、考核指令可擴充。系統為用戶提供了題庫數據導入、更新與數據備份、恢復等功能，可以適時更新平臺數據庫，適應不同地域的部隊及院校教學訓練需要。

5 虛擬現實技術在裝備教學應用中需要注意的幾點問題

盡管虛擬現實技術在裝備教學中擁有著較大的優勢，但是仍表現出以下幾個方面的不足和局限性。

5.1 開發難度較大，周期較長

通常利用VR技術開發的模擬訓練平臺需要開發者較為熟練、專業地掌握3DSMax、Questc3D等多個軟件和相關程序，系統開發難度較大，從建模到模擬系統平臺的實現、調試等工作量較大，開發周期相應也比較長。

5.2 有其特定的適用性

并非所有的裝備實訓教學都需要采用虛擬現實技術，如在某些裝備終端界面的操作教學與訓練過程中，因為沒有空間位置的轉換因素，而僅僅是終端界面的切換，這個時候采用其他技術手段開發仿真系統更加易于實現，因而可以不采用虛擬現實技術。

5.3 無法完全代替真實的實踐教學

無論虛擬仿真系統平臺設計得如何逼真，虛擬場景中的操作與真實裝備上的操作有著較大的區別。對于學習者來說，真正動手操作實際裝備的效果優于任何虛擬系統的教學。所以說，基于虛擬現實技術的裝備實訓教學能夠在一定程度上替代某些訓練內容，但不能完全替代實踐教學。

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【通聯編輯：梁書】