基于支架式教学理念的火炮构造原理虚拟仿真教学系统设计

宁全利 房施东 邓海飞 刘闯

摘  要：火炮构造原理是院校教学的重要内容。针对火炮构造原理传统教学手段存在的问题，基于支架式教学理念分析火炮构造原理虚拟仿真教学系统的功能需求，并从系统体系结构、软件框架结构、软件模块和流程控制等方面进行系统的总体设计。样机运行效果表明，基于支架式教学理念设计的火炮构造原理虚拟仿真教学系统能够满足火炮构造原理教学需求。

关键词：火炮构造原理;支架式教学;虚拟仿真;教学系统

中图分类号：G642      文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2022）19-0074-05

Abstract： Gun Construction Principle is an important content of artillery specialty teaching in colleges. In view of the problems existing in the traditional teaching methods of Gun Construction Principle， the functional requirements of the VR teaching system of Gun Construction Principle are analyzed based on the scaffolding teaching concept. The overall design of the system is carried out from the aspects of system architecture， software framework structure， software module and flow control. The running effect of the prototype shows that the VR teaching system of Gun Construction Principle designed based on the scaffolding teaching concept can meet the teaching demand of Gun Construction Principle.

Keywords： Gun Construction Principle; scaffolding teaching; VR; teaching system

火炮构造原理是院校教学的重要内容。由于火炮装备结构复杂，部件内部“看不见、摸不着”，学员对装备结构理解不深，原理理解不透，造成教学效益不高。为此，迫切需要开发火炮构造原理虚拟仿真教学系统，以提高教学效果。

源自建構主义学习理论的“支架式教学法”是目前较为常用的且具有代表性的教学方法。支架式教学是基于维果茨基的最近发展区理论的一种建构主义的教学方法，是一种以学生自主探究学习为主，并借助“支架”（来自于教学者或学习伙伴等人的外部帮助）来完成学习任务的教学方法[1]。近年来，支架式教学法在国内教育学理论和实践领域得到了广泛的关注和认可[2]，因而开发的火炮构造原理虚拟仿真教学系统要能够满足支架式教学法的相关需求;同时，支架式教学法的相关理念也能够为虚拟仿真教学系统的设计提供思路与参考。为此，在此探讨基于支架式教学理念的虚拟仿真教学系统设计，为该仿真教学系统的进一步研发提供参考。

一、仿真教学系统功能需求

目前支架式教学法在国内得到越来越广泛的应用，也是火炮构造原理课程运用的主要教学方法，为此，火炮构造原理虚拟仿真教学系统功能要能够满足支架式教学法的相关要求。

根据支架式教学法的相关要求和教学大纲需求，火炮构造原理虚拟仿真教学系统要能够构建“实装”“实地”“实时”的虚拟环境，对火炮结构组成、工作原理与作用过程、机构联动、故障设置与排除等进行沉浸式虚拟仿真模拟[3]。为此系统需具备结构认知、结构原理演示、拆装仿真、故障诊断等功能于一体，主要功能如图1所示。

（一）虚拟认知

能够以第三人称视角展示火炮系统大部构造组成，具有动画演示、系统提示、高亮、文字标签等功能，能够从不同角度观察装备及部件模型的组成结构，以系统地了解装备各部件的用途、组成和连接关系。

（二）工作原理演示

要能够对火炮的整体工作过程和关键机构或部组件的工作原理进行演示。

（三）拆装仿真

系统需要能够采用鼠标键盘或头盔手柄，对重要部组件进行拆装训练，并能够通过透视、隐藏等方式观察内部零部件的详细结构与联接关系。

（四）故障诊断

系统需要能够对火炮的火力系统常见故障现象进行模拟，并能够进行交互式故障排除操作训练。

（五）远程调用与自主学习

系统支持客户端/服务器网络模式，具有用户授权管理、登录认证功能，授权用户可通过网络远程登陆服务器，在身份认证并审核通过后，可调用相关火炮虚拟仿真教学信息资源库，实现远程化自主学习、探索。

（六）系统管理

需要能够支持构建智慧教学系统模块化管理功能。

二、系统总体设计

（一）仿真教学系统体系结构

传统的支架式教学法一般局限于室内课堂。随着网络技术的发展，特别是智慧校园与智慧教室建设的推进[4-7]，支架式教学法也与时俱进，突破了时间和空间限制，使学生的学习实现了课上与课下相连贯，室（教室）内和室外相衔接。为此，火炮构造原理虚拟仿真教学系统采用C/S（客户端/服务器端）网络结构（图2），以满足基于智慧教室的支架式教学法的需求。614304DE-6094-4355-AE27-CC9F428BDFB9

依托智慧校园系统，基于C/S网络体系结构的火炮构造原理虚拟仿真教学系统可以实现教室、学员宿舍和教员办公室的全覆盖。因此，学员可以随时随地进入情境，进行独立探索、协作学习与效果反馈。

（二）仿真教学软件框架结构

在基于C/S网络体系结构的火炮构造原理虚拟仿真教学系统中，客户端是开发的重点，其框架结构如图3所示。

客户端的核心是交互式火炮虚拟仿真系统的搭建，数据头盔展现火炮场景，数据头盔、数据手套等用于检测用户的具体动作，交互控制系统负责将用户动作转为交互指令提交给场景调度系统，场景调度将具体的动作要求提交给火炮场景，并将火炮模型进行计算机再现，再根据场景调度的要求模拟互动过程[8]。

（三）仿真教学软件模块设计

在学生知识进阶学习过程中，火炮构造原理虚拟仿真教学系统成为其重要的“支架”。为了实现依托火炮构造原理虚拟仿真教学系统这一“支架”，实现基于智慧校园的支架式教学，火炮构造原理虚拟仿真教学系统需要涵盖范例支架、问题支架、建议支架等支架式教学法的主要模块[9]。具体如图4所示。

1. 范例支架模块

范例支架主要为初学者提供演示示例，实现对火炮结构原理的初步认知。在虚拟仿真教学系统中，范例支架包括各类预设的演示动画和教员的操作演示。其中各类预设的演示动画包括结构演示、原理演示、拆装过程演示、故障排除演示等。以原理演示为例，对于机械机构联动原理（如炮闩击发装置保险原理与击发原理、击发装置复拨原理、高低机、方向机传动原理等）采用交互式仿真进行演示;对于涉及电、液、气的部组件工作原理（如制退机、复进机、平衡机等机构的工作原理），则采用动画的方式进行演示。

2. 问题支架模块

问题支架是支架式教学法实现启发诱导的首要部分，通过各种问题引导学生进行下一步的探究。在仿真系统中结构原理交互仿真、拆装仿真、故障排除仿真等教学内容部分，须在交互仿真过程中设计问题界面。

上述预设的问题界面是固定的，不具备随机性和开发性。因此在软件中还需要预留教员的提问界面。这样教员就可以根据教学的进度和学生的课堂表现随机应变地调整自己的问题支架，或是根据学生提出的问题，进行因材施教。

3. 建议支架模块

建议支架主要用于学员交互仿真操作过程中易犯错的环节，起到类似警示的作用。与问题支架类似，这样的建议也是预设好的，不具备随机性和开发性。

在教学过程中，学员的思路、操作等难免会出现“偏航”。这时就需要教员提出“建议”及时修正。为此，仿真教学软件中还需要设计教员能够实时交流的建议界面。由于提问界面和建议界面具有相似性，因此，可以合并到交流界面。在交流方式上，可以是文字，也可以是语音。

4. 工具支架模块

在实际的教学中工具支架范围较广，如各类教具、信息系统、仿真系统等。在教學仿真系统中，工具支架主要是能够进行交互操作的仿真文件，仿真文件中不仅包括虚拟三维模型、拆装工具、故障诊断仪器等，还包括火炮部件文字信息、操作步骤文字说明与解说等。

5. 图表支架模块

图表支架主要包括火炮及其各分系统（或零部件）用途、结构组成、功能原理等方面涉及到的组成框图、剖面图、曲线图、表格等。其表现形式可以是三维场景里的黑板、挂图等，也可以是弹出型二维界面。

6. 向导支架模块

向导支架模块模块主要给学员提供整个学习内容的知识架构和前进方向。在本仿真软件中，需要设计交互界面中的各种类型的导航（向导支架），包括章节目录、结构目录、目前位置等，有助于学员了解整个仿真系统的内容架构，快速便捷地选择学习内容。

（四）系统软件流程设计

1. 智慧教室环境下支架式教学过程

根据智慧教室的软硬件特点和支架式教学方法的教学过程，梳理了在智慧教室环境下开展火炮构造原理支架式教学的一般过程，如图5所示[10]。

搭脚手架即根据学生现有水平和教学目标，制定学生的学习任务，并进行任务分解，确定学习顺序、学习条件，选择合适的支架类型（如智慧教室的设备、资源等）。进入情境即将学生引入一定的问题情境（即产生矛盾），激发学生的探索欲望。独立探索与协作学习是学习的主要阶段，两者相辅相成，互为融合，不可分割，独立探索即在教师的启发诱导下，学生进行问题分析与探究，最终解决问题（即解决矛盾）;协作学习即学生与同学、老师的探讨、交流，如教学过程中的分组讨论、师生互动等。效果评价即对学习效果的实时评估与反馈，效果评价贯穿于整个教学过程，而不仅仅在教学完成之后。

2. 基于支架式教学法的软件流程设计

根据智慧教室环境下支架式教学的一般过程，设计基于支架式教学法的软件流程，以故障诊断模块为例，其程序流程如图6所示。

在上述软件流程中，独立探索与协作学习过程是关键环节。其中“故障原因分析”主要采用问题支架模块，通过系统自动提问和教员提问两种方式，循循善诱，剖析故障原因;通过故障原因分析，确定故障位置，实现“故障定位”，采用工具支架中的三维模型高亮显示故障点;确定故障点后，在虚拟环境下进行故障排除，并通过建议支架模块提出操作警示信息，通过工具支架模块显示操作方法。故障排除完成后进行复查，如果故障现象消失，则完成作业并进行评估打分，否则继续进行故障分析与诊断维修，直至排除故障。在整个故障诊断过程中，教员都可以通过问题支架模块采用语音或文字的方式进行引导。

基于支架式教学法设计的软件流程，不仅能够满足支架式教学法需求，也适用于其他一般的教学方法。

三、仿真教学系统设计效果

仿真系统选用MAYA创建三维模型，并导出为*.FBX文件格式文件;采用unity3D软件进行仿真;采用C#Script进行UI设计、控制设计及后端数据分析处理设计[11]。具体实现流程如图7所示。614304DE-6094-4355-AE27-CC9F428BDFB9

基于支架式教学法设计的火炮构造原理虚拟仿真教学系统，其开发实现的初步效果如图8所示。图8显示的是进行系统认知学习的效果。主界面左边显示火炮结构树，中间为三维仿真区，右边为文字介绍区。用户可以用手柄设备对三维火炮模型进行旋转、缩放、透明度等操控。

虚拟仿真教学系统界面简洁，功能丰富，在本科生教学中进行了初步应用。问卷咨询显示[12]，虚拟仿真教学系统受到学员的欢迎和好评。

四、结论

基于支架式教学理念分析了火炮构造原理虚拟仿真教学系统的功能需求，进行了系统的总体设计，并构建了系统样机。运行效果表明，基于支架式教学理念设计的火炮构造原理虚拟仿真教学系统能够满足火炮构造原理教学需求，其设计方法也可以为其他教学系统的设计提供参考。

参考文献：

[1]王永华，万频，艾雄志，等.支架式教学方法在智能控制教学中的应用[J].高教学刊，2019（1）：105-107.

[2]张效忠，孙国民.支架式教学在材料力学教学中的应用研究[J].高教学刊，2019（2）：81-83.

[3]葛岩，杨雪，王艺潼，等.基于STEAM的虚拟现实实验室建设实践[J].实验室研究与探索，2020，39（9）：251-254+263.

[4]吕伟.虚拟现实技术支撑下的“智慧校园”标准特征研究[J].现代教育科学，2016（8）：77-82.

[5]李春林，李文莉.以应用为导向的智慧教室建设研究[J].中国教育信息化，2018（9）：70-73.

[6]季新竹，贾少博，樊恺盈.浅析高职教育+智慧教育的新模式[J].教育时空，2017（3）：173+175.

[7]朱小华.互联网+下的本科院校智慧校园建设研究[J].劳动保障世界，2016（21）：41+43.

[8]胡畔，姜睐，李依桐.基于VR技术的设备拆装系统设计[J].吉林大学学报（信息科学版），2012，30（1）：66-71.

[9]安颖.基于支架式教学法的VR实训软件交互界面设计研究[D].天津：天津职业技术师范大学，2019.

[10]向磊，宋玲玉.智慧教室中支架式教学模式的构建与应用策略研究[J].中国多媒体与网络教学学报，2018（10）：1-2.

[11]闫文珠，刘成，李磊民，等.基于VR技术的机器人核事故训练平台研究[J].计算机仿真，2015，32（9）：395-399.

[12]刘媛媛，胡燕鸿，张小蒙.支架式教育思想在研究性实验教学中应用的探索性研究[J].实验室研究與探索，2012，31（10）：340-347.

基金项目：学院教育教学研究课题“基于VR的沉浸式火炮构造原理智慧教学系统研究”（无编号）

作者简介：宁全利（1978-），男，汉族，山西稷山人，工学博士，教授，研究方向为武器系统与工程。

*通信作者：房施东（1980-），男，汉族，山东安丘人，工学博士，讲师，研究方向为武器系统仿真与效能分析。614304DE-6094-4355-AE27-CC9F428BDFB9