基于VR技术的装备维修一体化教学研究与实践

薛雪东 朱正东 高冬冬 殷保卫

摘要：为适应新时代军队装备实践教学改革趋势，培养备战打仗所需要的新型军事人才，本文开展了基于虚拟现实技术的装备一体化教学研究与实践，论述了虚拟现实技术的概念与特性及其在军内外实践教学中的应用现状；从教员“教”、学员“学”、装备“用”三个角度，分析了虚拟现实技术应用在装备维修一体化教学中的优势；以教研团队所开发的虚拟维修训练系统为例，介绍了运用虚拟现实技术开展装备维修一体化教学实践的方法，為装备维修一体化教学改革提供了借鉴。

关键词：虚拟现实技术；装备维修一体化教学；战场抢修

军士职业教育以培养新时代备战打仗的新型军事人才为目的，突出学员实践能力的培养。现阶段，大部分军士事业技术教育院校仍采取实装与模拟训练器相结合的方式开展实践教学，存在着装备损耗大、场地时间要求高、故障科目设置受限、无法开展战场抢救抢修训练的现实问题，影响了装备维修实践训练效果。虚拟现实（VR）技术作为模拟训练的一种技术手段，为当前军事院校的装备实践教学提供了新思路。本文对基于虚拟现实技术开展装备维修一体化教学进行了研究与实践。

1虚拟现实技术在军内外实践教学中的应用现状分析

1.1虚拟现实的概念及特性

VR技术指人通过视觉、听觉、触觉等感觉渠道，与微处理器或计算能力更强的计算机进行实时交互。VR技术具有三个最显著的特性：沉浸性、交互性、想象性。沉浸性，指VR设备使用者的感官完全只与虚拟世界相交流，使自身所有注意力集中于计算机投影到眼中的景物，达到高度“沉浸”在虚拟的环境中。交互性，指使用者不仅可以用手势、动作命令、语音命令对“虚拟世界”发起控制指令，而且可以得到“虚拟世界”反馈回的信息，就像与现实中的人进行交流一样。想象性，指VR技术被用来为人们服务时，其发挥的功能与产生的作用很大程度上取决于开发者的想象力，即VR虽然是一种高端的人机接口，但决定技术走向的最终因素还是人，而不是技术本身的性能。

1.2虚拟现实技术在军内外实践教学中的应用现状

VR技术在航空、制造、环境、娱乐、军事等领域都有很多成功的应用案例。在军事领域，装甲兵学院电气系某教授带领团队于2017年研制出基于增强现实的某型装甲车模拟拆装系统，为学员提供了一种快捷方便的装甲车结构与原理学习途径。陆军工程大学某团队以VR为技术手段，建成了一套适用性强的装备培训系统。在非军事领域，VR技术被较早应用在了教学领域。如北京航空航天大学的智能制造学院，对虚拟现实技术的底层技术进行了长时间的研究，并将研究成果应用在了包括教育在内的各种领域。大连理工化学与材料学院建设了一间虚拟化学实验室，解决了实验药剂短缺、学生实验积极性不高、实验安全性不高等教学难题。

2装备维修一体化教学

装备维修一体化教学，是指在装备维修教学中打破传统的教员“教”、学员“学”的教学模式，让学生在教中做、做中学，使理论教学与实践教学融为一体。一体化实训教学条件的建设，是实施“教、学、练、战”一体化教学的关键载体，应运用虚拟现实、大数据、人工智能等技术搭建一体化的自主学习训练平台，兼具理论教学、实践训练、考核评估等多种功能，使学员能够运用自主学习训练手段自主学习、自主实践、自主考核，从而激发学生学习兴趣和内动力，增强学生的主观能动性，提高自主学习能力。

3虚拟现实技术应用于装备维修一体化教学中的优势

3.1激发学员学习兴趣，提高学员自主学习能力

传统的装备实践教学主要运用实际装备在固定的训练场地，采用讲解示范、分组训练、比武竞赛等传统模式组织实施。随着教学时长以及训练次数的增多，容易引起受训者训练的疲劳感，其学习的积极性也会逐渐降低，影响教学训练效果。

运用虚拟现实技术开发装备维修训练平台，可以使学员置身于沉浸式的实战环境，使人如身临其境，激发学员装备实践训练的兴趣，提高学习的积极性。同时，虚拟维修训练软件中设置误操作告警功能，学员操作错误时进行语音提示，能够加深学员的印象，改正错误动作，也避免由于误操作导致装备损坏。

3.2摆脱客观因素制约，提高实践教学的灵活性

运用虚拟维修训练平台组织教学，能够将实装上难以观察到的部组件拆装过程，直接以三维立体形式呈现，使学员形象直观地学习装备修理方法步骤，促进了学员的认知加工与知识建构过程，有助于实现知识与技能的不断深化。在室内固定的场地同步开展多组别、多人次训练，不会产生装备的损耗甚至造成装备损坏，摆脱了客观因素的制约，提高了实践教学的灵活性。

3.3构设复杂战场环境，解决抢修训练无手段的难题

虚拟现实技术应用到装备战场抢救抢修训练中，将有助于解决以上问题。首先，虚拟现实开发组件可模拟出真实战场环境的硝烟与烧毁效果，令受训者身临其境，最近距离感受战场环境的紧迫感。其次，虚拟现实技术可针对所设计的战损点提供所有特制的战场抢修工具，包括各种电路板备件、执行机构备件、自制工具等，为受训者提升装备抢修能力提供保障。

4基于虚拟现实技术的装备维修一体化教学实践

笔者所在的课程组在CBE教学理论的指导下，以某型装备维护与修理课程为例，开展了“教、学、练、战”一体化课程教学改革，基于虚拟现实技术构建交互式虚拟维修训练系统，为学生开展实践科目的自主训练提供了可能。学生可以在自学MOOC课程的基础上，运用已经掌握的知识和方法，利用虚拟维修训练系统进行开放性、探索性的训练，不受时间、地点、天气、装备损耗的限制，提高了实践教学训练效果。

4.1运用虚拟现实技术开展理论教学

基于虚拟现实技术开展课堂理论教学时分两个阶段，第一阶段：将受训学员分为员额较少的“实装组”与员额较多的“虚拟组”，教员带领“实装组”进行传统面授式的装备理论学习，“虚拟组”受训学员穿戴虚拟现实设备进入理论学习模块；第二阶段：两个学习组人员对调，原“虚拟组”学员带着在虚拟现实设备中学习的疑问进行实装的理论学习，而原“实装组”学员对装备结构与原理有着更深入的理解，可自行在虚拟空间中对实装学习时的知识点进行检验。

4.2运用虚拟现实技术开展实践教学

（1）操作使用训练。在沉浸式的训练环境中，学员按照实装操作流程扳动开关、按钮，进行软件操作，模拟再现实装动作，还可以借助帮助功能进行查找帮助，操作步骤错误时无法继续进行，并進行误操作提示，使学员熟练掌握装备结构布局、操作方法步骤，从而提高学员实际动手能力。

（2）典型故障分析与排除训练。在虚拟维修训练系统中设置开关、电路板、部组件等故障，模拟装备典型故障现象，让学员发现故障、判读故障、分析故障、排除故障，学会选择合适的检测设备和修理工具排除典型故障，提高学员分析问题、解决问题的能力，夯实装备维修技能。

（3）装备拆装训练。教员可以利用虚拟维修训练系统的大屏幕投影功能进行装备拆装的讲解示范，学员实时多客户端观摩，各客户端能以统一或多视角收听收看。学员在虚拟维修训练系统软件中选择拆装训练模块后，系统软件首先会演示拆装过程动画，同步讲解装拆方法步骤，学员即可以选择相应的工具进行拆装训练，了解部组件的功能、结构特征和基本原理，在实践训练中巩固复习结构原理知识，实现了理论与实践相融合，提高了实践教学训练效果。

4.3运用虚拟现实技术开展战场抢救抢修训练

装备战场抢救抢修训练的难点在于复杂战场环境的构设。笔者所在的教研团队开发的虚拟维修训练系统很好地解决了这一问题。虚拟战场环境由三维虚拟数字化地形、虚拟战场氛围渲染两部分组成，其中虚拟数字化地形主要通过模拟“山岳丛林”“高寒山地”等典型的地理特征用于实战地形训练；虚拟战场氛围渲染，主要是开发出虚拟战场上的攻击爆炸效果、毁伤状态、战场音效等一切与真实战场有关的各类特效。使受训人员在虚拟战场环境里获取真实的、身临其境的战场体验，感受到战场的压力、克服战场恐惧心理，同时完成各项任务。

4.4 运用虚拟现实技术进行考核评价

在虚拟维修训练系统中的开发考核评价系统，能够对学员的装备实践训练过程进行全流程、全要素监控、评价，从而客观地反映学员训练水平。考核评价系统通过将实践训练科目的所有步骤细化分解到最小单元，赋予一定的分值和权重，对学员的操作步骤、工具设备选择与使用、装备操作安全性和实践训练效果进行量化评分，如果违规操作则直接判定不及格。教员和学员均可以在系统中查询每个训练科目得分的具体情况，并进行数据分析，既能够评价反馈学员的训练效果，又能够为教员和学员进行训练改进提供科学依据，促进教学质量提升。

5结语

运用虚拟现实技术开展装备维修教学，能够有效弥补实装训练的不足，但受当前虚拟现实技术水平的限制，还存在一定的局限性。第一，通过对使用者调研，有相当一部分人在穿戴虚拟现实设备超过15分钟后会产生晕眩、眼涩等不适感，而15分钟的使用时间一般很难覆盖当节课的训练任务，所以虚拟现实设备的穿戴舒适度有待提高；第二，该技术需开发者熟练掌握Unity3D、数据库等多种开发软件，开发难度较大，开发周期长，维护工作量大，还要兼顾模型的建立与系统的开发，需要不断地迎合武器装备的更新。

参考文献

[1]张仲华，赵欣，邱磊，聂秀辉.VR技术在装备实训教学中的应用[J].电脑知识与技术，2021（17）：103-104.

[2]王同聚.虚拟和增强现实（VR/ AR）技术在教学中的应用与前景展望[J].数字教育，2017（1）.

（作者单位：陆军工程大学军械士官学校）