大型特種裝備實裝教學輔助系統構建與實踐

葉 輝 馬長林 候 帥

（火箭軍工程大學201教研室，陜西 西安 710025）

0 引言

大型特種裝備涉及機械、液壓、力學、電子、自動控制等技術，該類裝備課程教學需綜合利用這些技術進行機電元件及系統的分析和應用，課程具有綜合性強，理論與實踐緊密結合，涉及學科多、概念原理較抽象等特點，且課堂教學存在學時有限、學員對所學內容較難理解掌握的實際問題，這也制約了對特種裝備的深入理解與熟練使用。

裝備教學一般分為教室理論授課和裝備現場實踐授課等環節，由于專業培訓人數多，裝備現場授課受設備操作點位相對集中、可視范圍較小限制，授課中一般需分組進行，單次講解演示受眾人數少，這一定程度上降低了課堂效率，影響了授課效果。因此，針對當前裝備現地實踐授課面臨的困難，尋求適當的方法手段輔助裝備現地教學，對在較短時間內讓學員系統而全面地掌握大型特種裝備課程的知識，更進一步貼近實戰化教學需求，具有重要意義。

1 當前實裝教學面臨的困難分析

1.1 操作演示可視域小

大型特種裝備設備艙操作空間有限，通常僅能容納2～3人，有些工位甚至只能容納一人，再加上面板、顯示屏可視域小，教員在授課示范操作時，僅有有限的幾個學員能夠看清實際的操作步驟及現象。雖然可以分組觀看，但實裝教學課時有限，一個班次的學員通常為四十人以上，單次講解、演示受眾人數少，導致課堂教學效率大大降低，也嚴重影響了授課效果。

1.2 操作現場噪音大

通常裝備實裝教學場所為庫房或室外空地上，存在著環境噪音，尤其在裝備操作時，機器工作的轟鳴聲在一定程度上掩蓋了教員的聲音，即使教員已經用力提高聲調，但僅有靠近前排的有限人員能聽清，這也導致學員無法集中注意力，課堂教學效果也受到較大影響。

1.3 學員操作實踐機會少

大型特種裝備價格昂貴，為了安全起見，在授課階段通常都是由專門的教練員進行演示示范，學員觀摩。這樣一來，裝備的安全性雖然得到了保障，但并不利于學員的理解和學習，將實踐課變成了觀摩示范課，學員全程聽和看，沒有操作實踐的機會。俗話說：“眼過千遍，不如手過一遍”，真正地讓學員操作體會，才能最大限度地激發學員的積極性和創造力，促進學員深入的理解裝備，掌握操作規律。

1.4 裝備內部結構原理理解不直觀

教員現地實裝教學講解裝備結構組成和工作原理時，受限于場地條件，無法像課堂教學那樣采用多媒體動畫等方法形象展示內部結構與原理；還受限于裝備，不能實踐拆裝裝備上的元件，導致裝備實踐教學內容不夠深入。學員不能將課堂理論教學的學習內容與裝備實裝教學的學習內容統一起來，存在理論學習和實踐認知“兩張皮”現象。

為了解決上述矛盾，提高教學效果，提出通過構建實裝教學輔助系統，采用虛實結合的課堂教學模式，提高學員理論和實踐的認知統一性。

2 實裝教學輔助系統構建

實裝教學輔助系統主要由：實物投影子系統、原理畫演示子系統、虛擬訓練子系統三部分構成，如圖1所示。

圖1 實裝教學輔助系統結構組成框架圖

2.1 實物投影子系統

實物投影子系統主要包括了高清攝像機、耳麥、顯示屏、音視頻傳輸線等。主要為了解決因場地環境條件制約不適用于多人同時在場觀摩和聽課時，如何讓所有學員都能清楚的看清、聽清教員授課演示的問題。采取用高清攝像機將教員對裝備的操作演示過程，裝備的現象實時錄制并通過視頻傳輸線清晰的投影在顯示屏上顯示，用耳麥設備將教員的聲音通過音頻傳輸線傳到音響設備上放大。這樣學員在投影屏上即可實時、清楚地看到教員的動作演示，通過音響設備聽清教員的講解示范。

2.2 原理動畫演示子系統

原理動畫演示子系統主要包括多媒體動畫（多媒體動畫包括了裝備主要元器件的三位結構原理動畫，裝備系統的二維電氣、液路原理動畫）、動畫顯示屏、電腦、視頻傳輸線等。主要為了解決實裝教學過程中學員難以理解理解元件、系統結構原理的問題。在教員現地教學時，配合教員的講解，適時通過電腦將教員所講的內容通過動畫的形式播放在顯示屏上，給學員直觀、形象的展示，增加學員對基本原理的理解。防止理論教學與實踐教學關聯性不強、內容銜接不緊密、學用脫節的現象。

2.3 虛擬訓練子系統

虛擬訓練子系統主要包括若干臺電腦和虛擬訓練軟件等。虛擬訓練軟件又包含了虛擬訓練模塊和考核評估模塊。主要為了解決裝備數量有限，學員操作實踐的機會少的問題。在進行實裝操作前，先通過虛擬訓練平臺進行虛擬操作，掌握實裝操作的基本流程和規范要求，為實裝操作打下堅實基礎。使用虛擬訓練平臺可有效減少實裝的動用次數，對增加學員操作的熟練度和準確率有很大幫助。虛擬訓練平臺中的考核評估考評模塊可開展虛擬訓練的考評工作，通過對學員虛擬操作的評分，來判定學員是否達到實裝操作的基本要求。

3 實裝教學輔助系統在教學中的應用探索

實裝教學輔助系統在實際的教學過程中，可將其部署在三個區域，分別是實物投影區、虛擬訓練區、實裝操作區，如圖2所示，通常裝備實裝教學工作由兩名教員協同完成，一名為主講教員，一名為輔講教員，主講教員主要在實裝操作區進行實裝教學，輔講教員則在虛擬訓練區進行虛擬訓練考核工作。

圖2 實裝教學輔助系統使用流程示意圖

實物投影區主要布置有音響設備和兩臺顯示屏，一臺為動畫顯示屏，另一臺為實物投影屏，實物投影屏通過視頻傳輸線與實裝操作區的高清攝像機連接，用來顯示實裝操作的投影畫面，確保每個學員都能清晰地看見教員的操作流程；動畫顯示屏與電腦通過數據線連接，用來在實裝教學過程配合教員演示操作，當教員進行裝備元件介紹時，適時通過電腦將裝備元件的三維模型動畫投影在動畫顯示屏上，以便學員更好的理解；當教員進行實裝操作演示時，可將控制系統和液壓系統的信號傳輸、控制原理、傳動原理等二維原理動畫投影在高清顯示屏上，使學員在掌握基本操作的同時，能明白操作背后的系統工作原理，使實裝操作與理論聯系起來；音響設備與主講教員的耳麥設備連接，用于擴放教員的聲音，確保每個學員都能夠聽清。通過實物投影、動畫演示、聲音放大等手段解決了在傳統實踐授課中大部分學員看不見、聽不清、不明白原理的問題。在學員實踐操作裝備時，其他學員觀看實時操作投影的過程也是一個向別人學習、發現問題、互動解決問題的過程。

虛擬訓練區主要布置若干虛擬訓練臺，由輔講教員負責教會學員虛擬訓練平臺的使用方法，學員通過虛擬訓練平臺能快速掌握實裝操作的流程、操作步驟、注意要點等。在虛擬訓練區還要利用虛擬訓練軟件中的考核評估模塊來完成對學員裝備基本操作流程、操作步驟的考核評估，通過考核評估結果，輔講教員決定學員是繼續進行虛擬操作還是通過虛擬操作考核去進行下一步實裝操作。通過虛擬訓練，可極大縮短學員在實裝操作上的時間，確保在有限的教學時間內，每名學員都有機會操作實裝。在整個的教學過程中，虛擬操作都占據著非常重要的地位，是學員走向實裝操作的橋梁。

實裝操作區是主講教員的陣地，主講教員的主要工作是對實裝的講解、操作示范以及對學員操作的把關等。因授課場所環境影響，需在合適位置布置攝像機錄制授課內容，以供其他無法在授課現場的學員實時觀看授課內容。通常，當教學場所在大型特種裝備方艙、駕駛室等狹小空間時，可將攝像機吸附在方艙或駕駛室的內壁上；當教學場所在裝備外部的較大空間時，可將攝像機架設在支架上。實裝操作區是學員的主戰場，上述的一系列教學活動都是為了讓學員能夠在實裝操作中取得令人滿意的成績。當學員通過虛擬考核進行實裝操作時，其心里是比較緊張的，往往還是會出現失誤，教員的把關非常重要。而且實裝操作現場的聲音圖像都會傳送到實裝投影區的顯示屏上，其他學員可實時觀看，他山之石可以攻玉，這對于提高其他學員的操作水平也是有極大幫助的。

4 結語

本文構建的實裝教學輔助系統用于2017級、2018級發射專業裝備教學中，發揮作用明顯，有效促進學員認知能力、理論素養和實裝操作水平的提高。2015級、2016級發射專業學員實裝操作達標率分別是87.5%、91.2%，而2017級、2018級發射專業學員實裝操作達標率都達到100%。

總之，在裝備專業課程教學中，只有多途徑的探索適合課程特色，有利于提高學員綜合素質的教學模式，合理地將現代化教學手段應用于裝備教學，使用功能完善，針對性強的考評體系評價教學，才能在教學培養目標轉型的大背景下全面提高教學效果和質量，培養出不僅精技術，而且會管理、能指揮的復合型裝備保障人才。