大型特种装备实装教学辅助系统构建与实践

叶 辉 马长林 候 帅

（火箭军工程大学201教研室，陕西 西安 710025）

0 引言

大型特种装备涉及机械、液压、力学、电子、自动控制等技术，该类装备课程教学需综合利用这些技术进行机电元件及系统的分析和应用，课程具有综合性强，理论与实践紧密结合，涉及学科多、概念原理较抽象等特点，且课堂教学存在学时有限、学员对所学内容较难理解掌握的实际问题，这也制约了对特种装备的深入理解与熟练使用。

装备教学一般分为教室理论授课和装备现场实践授课等环节，由于专业培训人数多，装备现场授课受设备操作点位相对集中、可视范围较小限制，授课中一般需分组进行，单次讲解演示受众人数少，这一定程度上降低了课堂效率，影响了授课效果。因此，针对当前装备现地实践授课面临的困难，寻求适当的方法手段辅助装备现地教学，对在较短时间内让学员系统而全面地掌握大型特种装备课程的知识，更进一步贴近实战化教学需求，具有重要意义。

1 当前实装教学面临的困难分析

1.1 操作演示可视域小

大型特种装备设备舱操作空间有限，通常仅能容纳2～3人，有些工位甚至只能容纳一人，再加上面板、显示屏可视域小，教员在授课示范操作时，仅有有限的几个学员能够看清实际的操作步骤及现象。虽然可以分组观看，但实装教学课时有限，一个班次的学员通常为四十人以上，单次讲解、演示受众人数少，导致课堂教学效率大大降低，也严重影响了授课效果。

1.2 操作现场噪音大

通常装备实装教学场所为库房或室外空地上，存在着环境噪音，尤其在装备操作时，机器工作的轰鸣声在一定程度上掩盖了教员的声音，即使教员已经用力提高声调，但仅有靠近前排的有限人员能听清，这也导致学员无法集中注意力，课堂教学效果也受到较大影响。

1.3 学员操作实践机会少

大型特种装备价格昂贵，为了安全起见，在授课阶段通常都是由专门的教练员进行演示示范，学员观摩。这样一来，装备的安全性虽然得到了保障，但并不利于学员的理解和学习，将实践课变成了观摩示范课，学员全程听和看，没有操作实践的机会。俗话说：“眼过千遍，不如手过一遍”，真正地让学员操作体会，才能最大限度地激发学员的积极性和创造力，促进学员深入的理解装备，掌握操作规律。

1.4 装备内部结构原理理解不直观

教员现地实装教学讲解装备结构组成和工作原理时，受限于场地条件，无法像课堂教学那样采用多媒体动画等方法形象展示内部结构与原理；还受限于装备，不能实践拆装装备上的元件，导致装备实践教学内容不够深入。学员不能将课堂理论教学的学习内容与装备实装教学的学习内容统一起来，存在理论学习和实践认知“两张皮”现象。

为了解决上述矛盾，提高教学效果，提出通过构建实装教学辅助系统，采用虚实结合的课堂教学模式，提高学员理论和实践的认知统一性。

2 实装教学辅助系统构建

实装教学辅助系统主要由：实物投影子系统、原理画演示子系统、虚拟训练子系统三部分构成，如图1所示。

图1 实装教学辅助系统结构组成框架图

2.1 实物投影子系统

实物投影子系统主要包括了高清摄像机、耳麦、显示屏、音视频传输线等。主要为了解决因场地环境条件制约不适用于多人同时在场观摩和听课时，如何让所有学员都能清楚的看清、听清教员授课演示的问题。采取用高清摄像机将教员对装备的操作演示过程，装备的现象实时录制并通过视频传输线清晰的投影在显示屏上显示，用耳麦设备将教员的声音通过音频传输线传到音响设备上放大。这样学员在投影屏上即可实时、清楚地看到教员的动作演示，通过音响设备听清教员的讲解示范。

2.2 原理动画演示子系统

原理动画演示子系统主要包括多媒体动画（多媒体动画包括了装备主要元器件的三位结构原理动画，装备系统的二维电气、液路原理动画）、动画显示屏、电脑、视频传输线等。主要为了解决实装教学过程中学员难以理解理解元件、系统结构原理的问题。在教员现地教学时，配合教员的讲解，适时通过电脑将教员所讲的内容通过动画的形式播放在显示屏上，给学员直观、形象的展示，增加学员对基本原理的理解。防止理论教学与实践教学关联性不强、内容衔接不紧密、学用脱节的现象。

2.3 虚拟训练子系统

虚拟训练子系统主要包括若干台电脑和虚拟训练软件等。虚拟训练软件又包含了虚拟训练模块和考核评估模块。主要为了解决装备数量有限，学员操作实践的机会少的问题。在进行实装操作前，先通过虚拟训练平台进行虚拟操作，掌握实装操作的基本流程和规范要求，为实装操作打下坚实基础。使用虚拟训练平台可有效减少实装的动用次数，对增加学员操作的熟练度和准确率有很大帮助。虚拟训练平台中的考核评估考评模块可开展虚拟训练的考评工作，通过对学员虚拟操作的评分，来判定学员是否达到实装操作的基本要求。

3 实装教学辅助系统在教学中的应用探索

实装教学辅助系统在实际的教学过程中，可将其部署在三个区域，分别是实物投影区、虚拟训练区、实装操作区，如图2所示，通常装备实装教学工作由两名教员协同完成，一名为主讲教员，一名为辅讲教员，主讲教员主要在实装操作区进行实装教学，辅讲教员则在虚拟训练区进行虚拟训练考核工作。

图2 实装教学辅助系统使用流程示意图

实物投影区主要布置有音响设备和两台显示屏，一台为动画显示屏，另一台为实物投影屏，实物投影屏通过视频传输线与实装操作区的高清摄像机连接，用来显示实装操作的投影画面，确保每个学员都能清晰地看见教员的操作流程；动画显示屏与电脑通过数据线连接，用来在实装教学过程配合教员演示操作，当教员进行装备元件介绍时，适时通过电脑将装备元件的三维模型动画投影在动画显示屏上，以便学员更好的理解；当教员进行实装操作演示时，可将控制系统和液压系统的信号传输、控制原理、传动原理等二维原理动画投影在高清显示屏上，使学员在掌握基本操作的同时，能明白操作背后的系统工作原理，使实装操作与理论联系起来；音响设备与主讲教员的耳麦设备连接，用于扩放教员的声音，确保每个学员都能够听清。通过实物投影、动画演示、声音放大等手段解决了在传统实践授课中大部分学员看不见、听不清、不明白原理的问题。在学员实践操作装备时，其他学员观看实时操作投影的过程也是一个向别人学习、发现问题、互动解决问题的过程。

虚拟训练区主要布置若干虚拟训练台，由辅讲教员负责教会学员虚拟训练平台的使用方法，学员通过虚拟训练平台能快速掌握实装操作的流程、操作步骤、注意要点等。在虚拟训练区还要利用虚拟训练软件中的考核评估模块来完成对学员装备基本操作流程、操作步骤的考核评估，通过考核评估结果，辅讲教员决定学员是继续进行虚拟操作还是通过虚拟操作考核去进行下一步实装操作。通过虚拟训练，可极大缩短学员在实装操作上的时间，确保在有限的教学时间内，每名学员都有机会操作实装。在整个的教学过程中，虚拟操作都占据着非常重要的地位，是学员走向实装操作的桥梁。

实装操作区是主讲教员的阵地，主讲教员的主要工作是对实装的讲解、操作示范以及对学员操作的把关等。因授课场所环境影响，需在合适位置布置摄像机录制授课内容，以供其他无法在授课现场的学员实时观看授课内容。通常，当教学场所在大型特种装备方舱、驾驶室等狭小空间时，可将摄像机吸附在方舱或驾驶室的内壁上；当教学场所在装备外部的较大空间时，可将摄像机架设在支架上。实装操作区是学员的主战场，上述的一系列教学活动都是为了让学员能够在实装操作中取得令人满意的成绩。当学员通过虚拟考核进行实装操作时，其心里是比较紧张的，往往还是会出现失误，教员的把关非常重要。而且实装操作现场的声音图像都会传送到实装投影区的显示屏上，其他学员可实时观看，他山之石可以攻玉，这对于提高其他学员的操作水平也是有极大帮助的。

4 结语

本文构建的实装教学辅助系统用于2017级、2018级发射专业装备教学中，发挥作用明显，有效促进学员认知能力、理论素养和实装操作水平的提高。2015级、2016级发射专业学员实装操作达标率分别是87.5%、91.2%，而2017级、2018级发射专业学员实装操作达标率都达到100%。

总之，在装备专业课程教学中，只有多途径的探索适合课程特色，有利于提高学员综合素质的教学模式，合理地将现代化教学手段应用于装备教学，使用功能完善，针对性强的考评体系评价教学，才能在教学培养目标转型的大背景下全面提高教学效果和质量，培养出不仅精技术，而且会管理、能指挥的复合型装备保障人才。