基于虚拟现实技术的装备实训教学设计

韩 伟,王海源,魏 枭

(陆军工程大学 训练基地，江苏 徐州221000)

0 引言

虚拟现实技术是一种将计算机、电子信息、仿真模拟、人机交互、人工智能等技术融为一体的新型实用技术,因其具有特有的科学性、直观性、交互性、可控性和再现性等优点,在军队院校教学训练中的应用越来越广泛。 装备实训教学课目主要为大型综合性训练课目,存在着作业人员多、作业编组多、方法步骤多、安全风险高等特点,加之装备操作训练重复性强、步骤复杂,容易使学员产生枯燥乏味、兴趣不浓的心理,制约着课堂教学质量的提高[1]。 开展虚拟仿真教学训练,就是将教学内容生动形象化,将实装操作能力培养具体任务化,将学员的参与意识虚拟现实化,让教学内容“动起来、活起来”,凸显学员、解放教员,激活教学。

1 当前装备实训教学现状

1.1 装备实训教学组织复杂

从院校装备实训教学课目上看,某些课目为大型综合性操作训练课目,牵扯大量的人力和物力。 需要较宽广的教学训练场所,多种多型装备配合协同,参训对象数量需求多,作业人员编组多,各种保障措施要求多,涉及教学训练准备、训练实施、训练总结整个教学训练全过程,十分烦琐和复杂,需要组训者切实做到精密筹划、精细组织。

1.2 装备实训教学受外部环境影响大

为了达到预期的实训效果,某些装备实训课目需要满足一定的装备、人员和场地要求。 一旦受实装数量、经费和人员限制,通常就能影响到装备实训的正常展开,一定程度上影响训练效果。 此外,绝大多数装备实训教学都位于野外,极易受天气因素的干扰,在雨、雪、大风、大雾等恶劣天气下就不能很好地开展。

1.3 装备实训教学模式相对单一

当前,绝大部分的装备实训教学主要结合现地实装依托固定训练场景实施,教学方法大多采用讲解示范、组织练习的传统组训模式,容易引发受训者训练的疲劳感,影响教学效果。 将虚拟仿真技术与装备教学相结合,可以实现训练场景转换、教学方法变化、多种突发情况随机设置等动作,使受训者能够全身心地投入虚拟环境中获得真实的认知和情感体验,大大增强受训者训练的主动性和热情。

2 基于虚拟现实技术的装备实训教学系统设计

根据装备实训教学特点,按照系统规划、体系融合、综合集成的思路,基于Unity3D,SQL 等软件对装备实训虚拟仿真教学系统进行整体设计,主要包括数据资源、交互训练资源、网络硬件资源三部分,具体架构设计如图1 所示。

图1 装备实训教学系统设计

2.1 数据资源

数据资源是装备实训虚拟仿真教学系统的基础支撑条件,主要包括3D 仿真装备模型、三维地理信息数据、装备训练条件数据、训练课目数据、影音资料数据、考核评估标准数据[2]。 比如,按照一定比例虚拟仿真的工程装备的整体外形、内部结构组成及主要部件；江河湖泊地形地貌,专项训练场地设施,江河水情、涌浪、蓝天、风和雨等训练场景数据；大型装备实际操作方法步骤教学视频、考核评估项目内容、评分细则及评分办法等。

2.2 交互训练资源

虚拟仿真装备实训教学系统能够给受训者提供一个实时的、具有三维信息的、可以交互的虚拟训练条件,营造一个“看起来像真的、听起来像真的、摸起来像真的”多感官三维虚拟世界[3]。 受训者在虚拟环境中可以通过智能穿戴设备等交互设备与虚拟场景进行互动,实现和真实世界里一样的动作,感受均是实时同步的,可以真实体验与参与平台中的各项任务,有很好的沉浸感、交互性和构想性。 交互设备包括半实物模拟训练装备和智能穿戴设备。 比如汽艇驾驶室、冲锋舟驾驶台、作业手操作台等半实物的仿真设备,其要能基本与工程装备实物外部设施相一致,动作逻辑要符合实际；人机交互智能穿戴设备包括投影头盔、数据手套、智能耳机和投影屏幕等。

2.3 网络硬件资源

网络硬件资源是建设虚拟仿真装备实训教学系统的底层基础。 网络硬件资源条件的建设要紧盯当前计算机网络技术的发展趋势,树立适当超前意识,综合考虑计算机性能、网络带宽、设备存储容量、系统端口接入等关键环节,一体化设计,高度融合“智慧云端”、大数据、数据链等先进技术,建立安全、稳定、高效的网络运营环境,确保系统的正常运转,满足教学需求。

3 基于虚拟现实技术的装备实训教学实施流程

在教学过程中,采用课堂理论教学、虚拟仿真教学、野外实装教学相结合的教学模式,按照“先仿真、后实装”“先探索、后检验”的教学方法,突出学员的实践创新能力、主观参与性,尽力为学员提供身临其境的教学训练环境,满足其主动探索、掌握装备操作的基本技能[4]。 其教学流程,如图2 所示。

图2 装备实训教学实施流程

3.1 课堂理论教学

针对原有装备实训与理论教学环节联系不紧密的问题,利用互联网技术、数据库技术,将虚拟仿真教学元素嵌入理论教学环节,改变传统讲授式、灌输式的授课模式。 通过3D 模型细节展示、模型整机自主漫游、操作方法步骤讲解等环节,将具体的知识要点可视化、动态化,让学员通过沉浸式智能交互设备边听边看、自主探索,进一步拓展受训者的思维空间和认知空间,激发学习兴趣。

3.2 虚拟仿真实装教学

通过以沉浸式虚拟现实技术构建虚拟仿真装备实训训练平台,提供一个完整的虚拟训练环境,使被动的教学具备主动的、交互性、构想性、沉浸感突出的特点,实现单机及多人协同的装备模拟教学训练,提高学员对装备的使用和管理、协调配合能力,以及对紧急状况的处置能力[5]。 具体实施流程为：受训者进入人机交互界面,选择所要进行的装备训练课目；教员分配受训者训练角色或由受训者自主选择训练角色,进行训练场景设置；受训者在虚拟仿真装备实训训练平台上按之前学习的内容实施模拟训练,教员可根据受训者实时训练情况,随机指导受训者的模拟训练,也可设置训练场地条件变化、装备损坏、错误动作演示等不同突发情况,增加训练的真实感和战场化；模拟训练后,受训者可在教员的安排下或自主进行模拟实装操作考核,系统平台能够根据评分细则对受训者的考核情况进行后台记录及实时评估[6]。

3.3 装备实训教学

打破传统的单课目、单内容教学组训模式,注重多角色、多岗位协同编组教学,对装备实训内容进行多类有机融合,使得装备实训教学训练更加贴近部队需求。 根据教学对象特点,围绕强化实装操作技能,分层次编组受训者,区分“技能强化组”“技能提升组”“基础训练组”,实施阶梯化教学,促进教学效果的提升。 构建以“平时作业、课堂表现、学习出勤”为主要内容的形成性考核与终结性考核于一体的考核模式,综合评价学员学习效果,促进教学质量的提升[7]。

4 结语

虚拟现实技术在军事教育训练领域的前景已经得到了各国军队的高度重视。 基于虚拟现实技术的装备实训教学,将各种三维立体的虚拟仿真设备、动画演示应用于课堂,改变了枯燥乏味的“一言堂”“满堂灌”传统教学方式,提高了课堂教学质量[8]。 通过引入虚拟仿真设计模拟训练装备,能够给学员提供高度自由的操作性,提供深入的沉浸感,引导学员自主开展模拟训练,增强了学习的动力与兴趣。 因此,推动虚拟现实技术与装备实训教学相结合,能够极大地提高装备操作专业人才培养质量,能够为军队院校实装教学改革探索方法路子。