虛實結合多維訓練方法在新裝備教學中的應用

王沫涵，郭 明

（1.武漢船舶職業技術學院 湖北 武漢 430050 2.海軍工程大學 湖北 武漢 430033）

隨著科學技術的發展，現代武器裝備結構越來越精密、原理越來越復雜，院校在復雜裝備教學中存在諸多難題。一方面，裝備原理難懂、結構復雜、操作煩瑣，學員本身理解與操作存在一定難度；另一方面，由于裝備價格昂貴，可用于教學的實裝或訓練實裝較少，學員真正接觸實裝的機會十分有限。在有限的實踐教學課時內，在原理構造、操作流程等知識掌握不牢的情況下，進行裝備實操，教學效果不理想。

隨著虛擬現實技術的發展，由于其仿真性高、價格低廉、安全性好在教育[1]、軍事[2]、文旅[3]、醫療[4]等方面取得了廣泛應用。近年來，虛擬仿真技術已經成為為新裝備實踐教學的重要技術手段[5]?；谔摂M仿真的裝備教學訓練對于快速了解新裝備原理構造和掌握新裝備操作使用流程具有非常好的效果，而且對裝備無任何損害，也無安全事故隱患[6]。但是，基于虛擬仿真的裝備教學訓練僅僅是裝備實踐教學的一種形式，無法從實際操作層面替代實裝操作。對于新裝備的教學訓練必須要做到虛實兼顧，針對不同環節采用不同的教學訓練方式，形成有效的虛實結合的教學訓練體系。

本文針對新裝備教學中存在的問題，對虛實結合進行新裝備教學的方式進行了分析與探索，構建了包含虛擬面板式訓練、沉浸式虛擬訓練、實物（半實物）仿真式訓練、實裝訓練裝備施訓和實裝演練等訓練模式的實踐教學訓練體系，并對其組織實施進行了研究，對于院校新裝備教學具有一定借鑒意義。

1 基于虛實結合多維訓練方法的裝備實踐教學訓練體系構建

虛擬訓練是運用虛擬現實技術和計算機仿真技術，以計算機、各種功能板卡和輔助設備為硬件平臺模擬武器裝備的操作訓練，其所需訓練費用低廉，在無實裝或實裝數量少的情況，適合培養學員對裝備的原理及操作流程教學。但是，僅僅依靠虛擬仿真訓練裝備培訓的號手，其操作新裝備的能力不足以保證新裝備快速形成戰斗力。因此，在實裝訓練條件不足的情況下，需要結合實訓條件，開展虛實結合的實踐教學方法，依托虛擬裝備強化裝備原理、結構等理論知識，熟悉裝備的基本操作使用流程，依托實裝教學資源解決“軟能力”的問題，采用實戰化場景仿真的方法，提高學員在承受一定心理壓力下操作使用新裝備的“硬能力”。可構建虛實結合的多維裝備實踐教學訓練體系構成如圖1 所示。

圖1 基于虛實結合多維訓練方法的裝備實踐教學訓練體系構成

虛擬訓練是實裝訓練的基礎，其解決的主要是原理、操作流程、規范的問題，為學員進行實裝訓練前打下必要的理論基礎；實裝訓練是裝備形成戰斗力的必要條件，通過虛擬訓練獲得的關于裝備的理論知識與冷操作技能經過實裝訓練的遷移轉化為學員的裝備實操能力。反過來，實裝訓練能夠檢驗與固化學員對裝備結構原理、操作使用流程的掌握程度，如果未能熟練掌握，可通過虛擬訓練反復探究，進一步固化裝備基礎知識。

虛擬訓練包括虛擬面板式訓練、沉浸式虛擬訓練、實物（半實物）仿真式訓練等三種模式。虛擬面板式訓練是指利用計算機建模工具建立新裝備及其測試設備的操作面板模型，再通過代碼編輯器來完成儀表內部邏輯仿真，創建實時的、三維的、照片級的互動圖形界面，實現新裝備的虛擬操作訓練。沉浸式虛擬訓練是指依托頭盔顯示器、數據手套、光學定位裝置等沉浸式交互硬件設備，使學員沉浸到由計算機生成的與實際場景高度一致的虛擬場景中與裝備進行可交互式的訓練方式。實物（半實物）仿真訓練是指按照實裝1：1 的外形設計制造出新裝備的殼體框架和各種接插件，通過軟硬件開發模擬出新裝備操作過程中的信號流，實現和新裝備幾乎一樣的操作使用流程。

實裝訓練包括實裝訓練裝備訓練和實裝演練兩種訓練模式組成。實裝訓練裝備施訓是指利用隨新裝備列裝的訓練裝備實施訓練。一般復雜、精密或殺傷力較大的裝備會隨裝配有訓練裝備，其訓練流程與操作感覺上與實裝完全一致。實裝演練則是完全使用真實列裝裝備進行綜合演練，其與實裝訓練裝備施訓的最大差別在于實裝包含了戰斗部等殺傷單元，訓練人員的心態與操作實裝訓練裝備時心態有明顯差別。實裝演練更謹慎、更緊張也更容易產生差錯。因此，實裝演練是裝備教學的最終形態，復雜裝備的實裝演練必然是建立在一系列的虛擬訓練和訓練裝備施訓基礎上完成的。

2 虛實結合多維訓練方法的實踐教學實施

2.1 虛擬面板式訓練模式

對于虛擬面板式訓練，這種模式能夠快速解決新裝備系統結構復雜，操作面板多，各種儀器儀表之間邏輯關系復雜等難題。但是，虛擬面板式訓練也有其致命的缺點：其僅僅仿真了裝備的操作面板，而對裝備使用中所處的地理環境、氣候環境，及外在干擾因素并沒有進行仿真，虛擬面板式訓練只是一種裝備功能性訓練。由于其開發效率高，成本低，其可以作為學員初步了解、熟悉新裝備的訓練模式。在新裝備列裝初期，院?？梢栽诙虝r間內開發出虛擬面板式訓練系統供學員操作使用，培養學員對裝備的感性認識。

2.2 沉浸式虛擬訓練模式

沉浸式虛擬訓練是指首先采用三維實景建模技術，構建逼真的戰場環境和可進行交互的裝備三維模型，然后通過虛擬頭盔、數據手套、虛擬定位裝置等沉浸式交互設備，讓學員沉浸到逼真的三維虛擬實戰化場景中，在虛擬場景內完成裝備的操作使用與訓練。與虛擬面板式訓練不同的是，沉浸式虛擬訓練是沉浸至場景中，通過虛擬角色完成裝備虛擬操作，而虛擬面板式訓練則是學員通過鼠標鍵盤等常規輸入設備在顯示器外完成裝備的操作。因此，沉浸式虛擬訓練感覺更真，訓練效果更好。

為了更深入地開展新裝備的實踐教學，院校在時間和經費允許的前提下，可以開發沉浸式虛擬訓練系統培訓學員。沉浸虛擬現實系統由于其“深”沉浸與“真”交互的特點，能夠使操作人員在與虛擬環境進行交互時獲得具有高度的自由度，其訓練效果要優于虛擬面板式訓練系統。相比虛擬面板式訓練系統，沉浸式虛擬訓練系統的開發難度和對硬件的要求遠遠要高于虛擬面板式訓練系統，且開發周期長，成本高，但其研制完成后的訓練維護費用低廉，適合于院校使用，以培養在實驗室環境下熟練操作新裝備的號手。

2.3 實物（半實物）仿真訓練模式

實物（半實物）仿真訓練是指按照實裝1：1 的外形設計制造出新裝備的殼體框架和各種接插件，通過軟硬件開發模擬出新裝備操作過程中的信號流，實現和新裝備幾乎一樣的操作使用流程。與純虛擬式訓練模式相比，由于在外觀上和部隊的實裝一模一樣，實物（半實物）仿真訓練模式能提供給學員更直觀的認識。在操作使用過程中，能切實連接裝備間的接插件，能切實觀看到各步操作后的結果現象，在培養效果上要優于純虛擬式訓練模式。

在院校新裝備任職教育實踐教學中，實物（半實物）仿真訓練模式是一種過渡性訓練模式。如果在培養學員期間，實裝還沒用裝備部隊使用，或者由于新裝備安全性、經濟性等因素的限制，學員不可能接觸到新裝備，可以用實物（半實物）仿真訓練系統替代訓練操作號手，為學員到部隊后熟練使用新裝備打下良好的基礎。

上述三種虛擬、仿真訓練模式有其自身難以克服的固有缺陷。虛擬、仿真訓練中“使用”的裝備，都是通過建模或仿制的方式在一定程度上對現有裝備的再現，而這些再現無法保持與真實裝備的100%相同。因此，虛擬、仿真訓練模式并不能完全保證訓練的真實性與實戰性，如果僅僅只依靠它，容易讓訓練陷入片面性。

2.4 實裝訓練裝備施訓

實裝訓練裝備和實裝的主要區別在于訓練裝備沒有戰斗部，其他系統和實裝均一模一樣，所以利用訓練裝備施訓和操作實裝沒有任何區別。

但實裝訓練裝備施訓的缺點也顯而易見：費用高，這也是制約實裝訓練裝備廣泛應用的瓶頸問題。在進行實裝訓練裝備教學前，應立足于使用虛擬、仿真訓練系統對操作號手進行充分培訓，確保號手掌握一定新裝備操作使用技能后，再利用實裝訓練裝備進一步提高。

2.5 實裝演練

實裝演練是指帶有戰術背景的實戰化綜合訓練。學員在承受一定心理壓力的情況下，按實戰標準操作新裝備，是對院校培養新裝備操作號手的一種最有效的檢驗考核方式。

實裝演練中，對操作號手在身體上和心理上產生的影響要比日常操作訓練嚴峻得多。在身體上，實裝演練滿負載、強對抗、快節奏，以及武器的具體操作、戰法的直接演練等因素都將直接影響人員身體；在心理上，實裝演練中操作人員心理會產生緊張、焦慮、不安等情緒，影響技術和戰術的發揮。

3 結語

當前，新裝備的訓練模式正由機械化向信息化轉變。虛擬、仿真訓練模式可以方便地模擬多變的實戰化戰場環境，訓練不會造成實際的物理傷害，對自然環境也不會產生破壞，而且訓練過程具有很好的可控性，在實裝裝備缺乏的情況下，迅速得到了各大院校的青睞，并得到了迅速發展。但是，同時我們也應該看到，在當前階段，對于裝備教學來說，虛擬、仿真訓練也只是整個裝備教學體系中的一部分，并不能完全代替實裝訓練。因此，在學員經過虛擬訓練系統培訓后，應利用實裝訓練裝備再培訓，以培養出合格的新裝備使用維護人才?？傊卵b備任職教育實踐教學中要綜合應用五種“虛實”結合的多層次訓練模式，既要依托技術發展推動虛擬、仿真訓練模式，同時也要強調實裝訓練，不同的實踐教學階段應有所側重，采用多維的方式提升新裝備實踐教學訓練效益。