基于VR技术的装备理论课程任务模块化教学

吕超 高永 郁大照 吴杰

摘 要 本文立足装备理论课程教学的实际需求及特点，分析了在装备理论课程中实施任务模块化教学所存在的实际困难，阐述了虚拟现实技术（VR）在解决装备理论课程任务模块化教学受实训条件限制这一问题上的优势，并举例探讨了基于虚拟现实技术的某型减速机维修仿真训练系统的主要功能及设计思路，并提出了该系统的相关建议和构建方法。

关键词 VR技术 装备理论课程 任务模块化教学

中图分类号：G424 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2018.05.052

Abstract Based on the actual needs and characteristics of the teaching of equipment theory course， this paper analyzes the practical difficulties in implementing the "task Modularization Teaching" in the course of equipment theory， and expounds the advantages of virtual reality technology （VR） in solving the problem of "task Modularization Teaching" in the course of the equipment theory course. The main functions and design ideas of the maintenance simulation training system of a type reducer based on virtual reality technology are discussed， and the relevant suggestions and construction methods of the system are put forward.

Keywords VR technology； course of equipment theory； task modularization teaching

0 引言

装备理论课程与一般理論课程相比，其显著特点是理论与实践并重、理实一体，其教学内容具有鲜明的岗位指向性和较强的实践应用性。为适应装备理论课程的这种特点，在教学实践中可采用任务模块化教学方法。然而，由于装备理论课程任务模块化教学对实训条件的要求很高，在该方法具体的教学实践中，教学实施往往受实训条件的限制。随着信息技术的发展，虚拟现实技术（VR）在教育领域中的应用愈加广泛，这为解决装备理论课程任务模块化教学受实训条件制约这一问题提供了新的方法和手段。

1 装备理论课程任务模块化教学概况及存在困难

1.1 装备理论课程任务模块化教学概况

任务模块化教学是一种教学模式，该模式针对装备理论课程岗位指向性和实践应用性强的特点，以“贴近装备、贴近岗位”为原则，旨在培养“会操作、能维护、懂组训”的技能型人才。以往装备理论课的教学过程通常是按“功用-组成-工作原理-使用维护”这个顺序进行组织。与之不同的是，任务模块化教学则是首先按照装备使用流程梳理出一个“任务模块”群，此“任务模块”群涵盖了岗位实际工作中与装备相关的所有工作任务，并将其作为学习的核心内容。而后，围绕“任务模块”群中的各个“任务模块”，对理论知识进行分拣、提炼、聚合序化，将理论知识分类打包融合到与之相应的各个“任务模块”中，以此作为学习该“任务模块”的理论基础。在进行某一“任务模块”训练时，利用实际装备对与本“任务模块”相关的理论知识进行实地讲解，让学员在“学中练，练中学”，学员在完成了“任务模块”训练的同时也完成了装备理论知识的学习。较以往的装备理论课教学，这种方法注重在实践中升华理论，通过贴近岗位工作的“任务模块”，将理论知识与实践操作融合在一起，使学员依托“任务模块”这个载体，在接近岗位实际工作的情境中获得相关的知识、技能和经验。

1.2 装备理论课程任务模块化教学存在的困难

（1）实际装备价格昂贵，“任务模块”训练成本高，影响教学效率。不难看出，任务模块化教学的前提是要有实际装备等硬件基础。然而，实际装备价格昂贵，在任务模块化教学实施中，反复的操作使用易造成装备的磨损和老化，影响装备使用寿命，这使得任务模块化教学的成本较高，较难进行大量、反复的“任务模块”训练，影响教学效率。

（2）实装操作规范严格，“任务模块”训练中存在安全风险。在任务模块化教学中，对实际装备的操作有着严格的规范和要求，否则容易出现安全事故，危及人员和装备安全。教学实施中，教学班次中学员数量一般较多，学员要完全掌握某个“任务模块”的内容，必然要经历一个从生疏到熟练的过程，不可避免地要进行大量反复的“任务模块”训练。从统计学角度看，大量的“任务模块”训练难免会出现安全事故。此外，由于每个学员的心理素质、操作的熟练程度各不相同，在“任务模块”训练的过程中可能还面临着各种突发事件，这无疑又增大了“任务模块”训练的安全风险。

（3）任务模块化教学力求贴近岗位工作，对教学场景建设的要求高。在任务模块化教学中，仅有实际装备并不足够，还必须有与之配套的教学场景建设。实际装备都是搭载在一定的平台之上，为达到接近于真实的训练体验，还应有实际装备的平台环境，即营造一个接近岗位工作的教学场景。这样才能使在学员在任务模块训练中感受逼真的岗位工作氛围，从而达到与实际一致的训练效果。然而，实际装备的平台环境系统众多，结构复杂，搭建这样的平台需要很多相关技术支撑，投资巨大，在实际的教学实践中很难实现。

2 在装备理论课程任务模块化教学中应用VR技术的可行性分析

2.1 VR技术概况

VR（Virtual Reality，VR）技术，即虚拟现实技术，也称“灵境技术”或“临境技术”。它通过计算机仿真技术、多媒体技术、网络技术、人工智能等技术手段，创建出一种适人化的虚拟多维信息空间，借助某些交互设备让参与者以近乎自然的方式与虚拟环境中的对象进行实时交互，使参与者产生与真实环境相似的感觉体验。虚拟现实技术具有成本低、效率高、安全性好等诸多优势，正得到越来越多的推广和应用。[1-2]

VR技术主要有三个突出的特征，[3]即3I特性：沉浸性（Immersion）、交互性（Interactivity）和想象性（Imagination），如图1所示。

（1）沉浸性，又称临场感，指参与者感受到自身存在于虚拟环境中的真实程度，被认为是VR系统的性能尺度。这种沉浸性与人的多个感官相对应，是一种多维沉浸，包括视觉沉浸、听觉沉浸、味觉沉浸、触觉沉浸、嗅觉沉浸及体感沉浸等。

（2）交互性，指参与者对虚拟对象的可操作程度和从环境中得到反馈的自然程度。[4]参与者与虚拟环境之间的交互是一种近乎自然的交互，使用者不仅可以利用键盘、鼠标，还可以借助专用的三维交互设备（如立体眼镜、数据手套、三维空间交互球、位置跟踪器等传感设备）进行交互，如同在真实环境中用自然技能与作用对象发生交互关系，实现对虚拟环境的访问与操作。[5-6]

（3）想象性，指参与者根据在虚拟环境中所获取的多种信息和自身在系统中的行为，通过联想判断和逻辑推理等思维过程，随系统的运行状态变化对系统运动的未来进展进行想象，以认识系统深层次的运动机理和规律。

2.2 VR技术在装备理论课程任务模块化教学中的优势

如前所述，在装备理论课程任务模块化教学中存在着教学成本高、实施中存在一定安全风险、教学活动对教学场景建设要求高等具體困难，但从VR技术的3I特性则不难看出，应用VR技术可较好地解决这些困难，具体表现为：

（1）提高教学效率，降低教学成本。利用VR技术可以制作与实际装备配套的虚拟仿真训练系统，可有效地克服 任务模块化教学对实际装备依赖严重的问题。相较于实际装备，虚拟仿真训练系统造价低、磨损小，使用寿命长，因而教学成本低廉。另一方面，虚拟仿真训练系统受场地、时间限制较小，可承受大量、反复的任务模块训练，从而提高训练效率和训练水平，具有很好的军事效益和经济效益。

（2）提供虚拟操作，降低安全风险。在任务模块化教学中，由于学员在学习阶段对实际装备的操作还比较生疏，所以在实际操作中容易出现安全事故。VR技术提供的则是虚拟场景，即便在学员任务模块训练中出现操作失当，也不会对人员造成实际伤害，安全风险极低。甚至可以设置虚拟的事故场景以提高学员在复杂条件下处理各种突发状况的应急能力，加深学员对操作环境的熟悉和对操作技能的掌握。

（3）创建虚拟场景，提供逼真体验。利用VR技术可创设一个与任务模块化教学配套的，涵盖声、光、味、热等多感官刺激的虚拟“岗位工作环境”，使学员产生“身临其境”的感觉，在进行实操的同时感受到逼真的实际工作氛围，从而获得逼真的学习体验。如美军开发的“虚拟舰艇作战指挥中心”，能逼真地模拟舰艇作战指挥中心的环境，使受训者能够沉浸于“真实”的战场之中。[7]

3 VR技术在装备理论课程任务模块化教学中的应用实例

“某型减速机维修检查”是按照任务模块化教学要求设置的一个“任务模块”。在该任务模块的教学中，采用基于VR技术的虚拟维修仿真训练系统代替实际装备操作，下面对该系统的构建与设计进行介绍。

3.1 功能定位

某型减速机维修仿真训练系统的主要功能有演示学习、操作训练、考核评估与信息管理四项功能。

（1）演示学习功能，是指为学员提供相关理论知识、结构原理、操作过程等的多媒体演示，为学员提供操作训练前的理论储备。

（2）操作训练功能，是指按照实际的维修操作设置相应的操作训练内容，通过虚拟交互的方式完成操作训练，使学员熟悉工作流程、要素、方法。

（3）考核评估功能，是指采用测试的方法对学员的操作行为进行实时采集、评估，从而对虚拟维修的训练效果进行评估。

（4）信息管理功能，是指系统对学员的操作过程、操作成绩等进行储存管理，便于对教学工作进行管理、评价。

3.2 系统整体设计

根据某型减速机维修检查仿真训练系统的功能定位，结合其维修检查的具体工作内容，该系统的整体设计框架如图2所示。

3.3 减速机维修操作仿真建模

首先，使用建模工具Mutigen Creator建立减速机的三维几何实体模型。为了增加建立的三维几何模型的真实性，所建模型不仅在外形尺寸上要与实际装备一致，而且减速机一些物理属性，如材质、纹理、自由度属性等也要进行相应表现。[8]其次，按照实际装备的维修操作过程建模，特别是揭示减速机内在工作机理及行为特征交互特征和行为特征进（如装配关系）的部分应严格进行建模。在建模过程中，为提高系统的实时性，还应尽量减少模型的数据量，并对模型结构进行优化和取舍。

3.4 减速机维修操作虚拟场景构建

虚拟场景是减速机虚拟维修检查的三维虚拟操作环境，包括：减速机的外围设备、减速机所在的舱室环境，以及配套的维修工具、维修工作台、测试设备等。首先，按照实际情况设置若干项维修操作内容，每一项内容对应一个虚拟场景，按照该项维修内容的具体要求对其所对应的虚拟场景进行内容设计。然后，利用3ds Max 软件对每个虚拟场景逐个进行建模，同时按照具体维修要求进行交互设计，编写交互接口、界面。最后，利用Quest 3D软件对所有的单个虚拟场景进行集成和调度管理，生成一套完整的虚拟训练场景。

3.5 系统集成

系统集成包括功能集成和软件集成两部分。功能集成是将某型减速机维修仿真训练系统的四项主要功能按照一定的逻辑关系进行结构嵌入和接口搭建，使各项功能间能够实现数据的相互调用。软件集成是使用目前常用的软件开发平台（如VB、VC++等）将减速机维修操作仿真模型、减速机维修操作虚拟场景按照任务模块化教学要求的形式有机地整合在一起，使之成为一个功能完整、结构规范、操作友好的教学软件。

4 结束语

在装备理论课程任务模块化教学中应用VR技术可以有效克服实训条件的局限，为任务模块化教学提供有力的教学资源支撑，使任务模块化教学的优势得到充分发挥。实践证明，学员通过对虚拟装备及虚拟环境的操作、体验，与虚拟的“装备”进行互动，可提高自身对岗位工作环境及实际装备的感性认识和理性认识，最终提高自身掌握装备、使用装备的岗位任职能力。

参考文献

[1] 胡小强.虚拟现实技术基础与应用[M].北京：北京邮电大学出版社，2009：45-48.

[2] 高博，黄防，侯春牧.虚拟现实技术在美军实战化训练中的应用及启示[J].国防科技，2014.35（2）：94-97.

[3] Burdea G C，Coiffet P著.虚拟现实技术[M].魏迎梅，栾悉道，译.北京：电子工业出版社，2005：132-136.

[4] 刘建新，刘旺胜等编著.虚拟现实技术在军事教育训练中的应用[M].长春：吉林人民出版社，2006：8-9.

[5] 薛庆文，辛允东.虚拟现实VRML程序设计与实例[M].北京：清华大学出版，2012：56-58.

[6] 李乐.论虚拟现实技术环境下的体验学习[J].教育教学论坛，2014.32：8-10.

[7] 龚立，张晓锋，沈雅慧.舰艇虚拟舱室训练环境设计研究[J].计算机与数字工程，2014.4：725-727.

[8] 马立元.大型复杂装备虚拟操作训练系统设计方法研究[J].南京：南京理工大学博士学位论文，2006.