呂超 高永 郁大照 吳杰

摘 要 本文立足裝備理論課程教學的實際需求及特點，分析了在裝備理論課程中實施任務模塊化教學所存在的實際困難，闡述了虛擬現(xiàn)實技術（VR）在解決裝備理論課程任務模塊化教學受實訓條件限制這一問題上的優(yōu)勢，并舉例探討了基于虛擬現(xiàn)實技術的某型減速機維修仿真訓練系統(tǒng)的主要功能及設計思路，并提出了該系統(tǒng)的相關建議和構建方法。

關鍵詞 VR技術 裝備理論課程 任務模塊化教學

中圖分類號：G424 文獻標識碼：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

裝備理論課程與一般理論課程相比，其顯著特點是理論與實踐并重、理實一體，其教學內容具有鮮明的崗位指向性和較強的實踐應用性。為適應裝備理論課程的這種特點，在教學實踐中可采用任務模塊化教學方法。然而，由于裝備理論課程任務模塊化教學對實訓條件的要求很高，在該方法具體的教學實踐中，教學實施往往受實訓條件的限制。隨著信息技術的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術（VR）在教育領域中的應用愈加廣泛，這為解決裝備理論課程任務模塊化教學受實訓條件制約這一問題提供了新的方法和手段。

1 裝備理論課程任務模塊化教學概況及存在困難

1.1 裝備理論課程任務模塊化教學概況

任務模塊化教學是一種教學模式，該模式針對裝備理論課程崗位指向性和實踐應用性強的特點，以“貼近裝備、貼近崗位”為原則，旨在培養(yǎng)“會操作、能維護、懂組訓”的技能型人才。以往裝備理論課的教學過程通常是按“功用-組成-工作原理-使用維護”這個順序進行組織。與之不同的是，任務模塊化教學則是首先按照裝備使用流程梳理出一個“任務模塊”群，此“任務模塊”群涵蓋了崗位實際工作中與裝備相關的所有工作任務，并將其作為學習的核心內容。而后，圍繞“任務模塊”群中的各個“任務模塊”，對理論知識進行分揀、提煉、聚合序化，將理論知識分類打包融合到與之相應的各個“任務模塊”中，以此作為學習該“任務模塊”的理論基礎。在進行某一“任務模塊”訓練時，利用實際裝備對與本“任務模塊”相關的理論知識進行實地講解，讓學員在“學中練，練中學”，學員在完成了“任務模塊”訓練的同時也完成了裝備理論知識的學習。較以往的裝備理論課教學，這種方法注重在實踐中升華理論，通過貼近崗位工作的“任務模塊”，將理論知識與實踐操作融合在一起，使學員依托“任務模塊”這個載體，在接近崗位實際工作的情境中獲得相關的知識、技能和經驗。

1.2 裝備理論課程任務模塊化教學存在的困難

（1）實際裝備價格昂貴，“任務模塊”訓練成本高，影響教學效率。不難看出，任務模塊化教學的前提是要有實際裝備等硬件基礎。然而，實際裝備價格昂貴，在任務模塊化教學實施中，反復的操作使用易造成裝備的磨損和老化，影響裝備使用壽命，這使得任務模塊化教學的成本較高，較難進行大量、反復的“任務模塊”訓練，影響教學效率。

（2）實裝操作規(guī)范嚴格，“任務模塊”訓練中存在安全風險。在任務模塊化教學中，對實際裝備的操作有著嚴格的規(guī)范和要求，否則容易出現(xiàn)安全事故，危及人員和裝備安全。教學實施中，教學班次中學員數(shù)量一般較多，學員要完全掌握某個“任務模塊”的內容，必然要經歷一個從生疏到熟練的過程，不可避免地要進行大量反復的“任務模塊”訓練。從統(tǒng)計學角度看，大量的“任務模塊”訓練難免會出現(xiàn)安全事故。此外，由于每個學員的心理素質、操作的熟練程度各不相同，在“任務模塊”訓練的過程中可能還面臨著各種突發(fā)事件，這無疑又增大了“任務模塊”訓練的安全風險。

（3）任務模塊化教學力求貼近崗位工作，對教學場景建設的要求高。在任務模塊化教學中，僅有實際裝備并不足夠，還必須有與之配套的教學場景建設。實際裝備都是搭載在一定的平臺之上，為達到接近于真實的訓練體驗，還應有實際裝備的平臺環(huán)境，即營造一個接近崗位工作的教學場景。這樣才能使在學員在任務模塊訓練中感受逼真的崗位工作氛圍，從而達到與實際一致的訓練效果。然而，實際裝備的平臺環(huán)境系統(tǒng)眾多，結構復雜，搭建這樣的平臺需要很多相關技術支撐，投資巨大，在實際的教學實踐中很難實現(xiàn)。

2 在裝備理論課程任務模塊化教學中應用VR技術的可行性分析

2.1 VR技術概況

VR（Virtual Reality，VR）技術，即虛擬現(xiàn)實技術，也稱“靈境技術”或“臨境技術”。它通過計算機仿真技術、多媒體技術、網絡技術、人工智能等技術手段，創(chuàng)建出一種適人化的虛擬多維信息空間，借助某些交互設備讓參與者以近乎自然的方式與虛擬環(huán)境中的對象進行實時交互，使參與者產生與真實環(huán)境相似的感覺體驗。虛擬現(xiàn)實技術具有成本低、效率高、安全性好等諸多優(yōu)勢，正得到越來越多的推廣和應用。[1-2]

VR技術主要有三個突出的特征，[3]即3I特性：沉浸性（Immersion）、交互性（Interactivity）和想象性（Imagination），如圖1所示。

（1）沉浸性，又稱臨場感，指參與者感受到自身存在于虛擬環(huán)境中的真實程度，被認為是VR系統(tǒng)的性能尺度。這種沉浸性與人的多個感官相對應，是一種多維沉浸，包括視覺沉浸、聽覺沉浸、味覺沉浸、觸覺沉浸、嗅覺沉浸及體感沉浸等。

（2）交互性，指參與者對虛擬對象的可操作程度和從環(huán)境中得到反饋的自然程度。[4]參與者與虛擬環(huán)境之間的交互是一種近乎自然的交互，使用者不僅可以利用鍵盤、鼠標，還可以借助專用的三維交互設備（如立體眼鏡、數(shù)據(jù)手套、三維空間交互球、位置跟蹤器等傳感設備）進行交互，如同在真實環(huán)境中用自然技能與作用對象發(fā)生交互關系，實現(xiàn)對虛擬環(huán)境的訪問與操作。[5-6]

（3）想象性，指參與者根據(jù)在虛擬環(huán)境中所獲取的多種信息和自身在系統(tǒng)中的行為，通過聯(lián)想判斷和邏輯推理等思維過程，隨系統(tǒng)的運行狀態(tài)變化對系統(tǒng)運動的未來進展進行想象，以認識系統(tǒng)深層次的運動機理和規(guī)律。

2.2 VR技術在裝備理論課程任務模塊化教學中的優(yōu)勢

如前所述，在裝備理論課程任務模塊化教學中存在著教學成本高、實施中存在一定安全風險、教學活動對教學場景建設要求高等具體困難，但從VR技術的3I特性則不難看出，應用VR技術可較好地解決這些困難，具體表現(xiàn)為：

（1）提高教學效率，降低教學成本。利用VR技術可以制作與實際裝備配套的虛擬仿真訓練系統(tǒng)，可有效地克服 任務模塊化教學對實際裝備依賴嚴重的問題。相較于實際裝備，虛擬仿真訓練系統(tǒng)造價低、磨損小，使用壽命長，因而教學成本低廉。另一方面，虛擬仿真訓練系統(tǒng)受場地、時間限制較小，可承受大量、反復的任務模塊訓練，從而提高訓練效率和訓練水平，具有很好的軍事效益和經濟效益。

（2）提供虛擬操作，降低安全風險。在任務模塊化教學中，由于學員在學習階段對實際裝備的操作還比較生疏，所以在實際操作中容易出現(xiàn)安全事故。VR技術提供的則是虛擬場景，即便在學員任務模塊訓練中出現(xiàn)操作失當，也不會對人員造成實際傷害，安全風險極低。甚至可以設置虛擬的事故場景以提高學員在復雜條件下處理各種突發(fā)狀況的應急能力，加深學員對操作環(huán)境的熟悉和對操作技能的掌握。

（3）創(chuàng)建虛擬場景，提供逼真體驗。利用VR技術可創(chuàng)設一個與任務模塊化教學配套的，涵蓋聲、光、味、熱等多感官刺激的虛擬“崗位工作環(huán)境”，使學員產生“身臨其境”的感覺，在進行實操的同時感受到逼真的實際工作氛圍，從而獲得逼真的學習體驗。如美軍開發(fā)的“虛擬艦艇作戰(zhàn)指揮中心”，能逼真地模擬艦艇作戰(zhàn)指揮中心的環(huán)境，使受訓者能夠沉浸于“真實”的戰(zhàn)場之中。[7]

3 VR技術在裝備理論課程任務模塊化教學中的應用實例

“某型減速機維修檢查”是按照任務模塊化教學要求設置的一個“任務模塊”。在該任務模塊的教學中，采用基于VR技術的虛擬維修仿真訓練系統(tǒng)代替實際裝備操作，下面對該系統(tǒng)的構建與設計進行介紹。

3.1 功能定位

某型減速機維修仿真訓練系統(tǒng)的主要功能有演示學習、操作訓練、考核評估與信息管理四項功能。

（1）演示學習功能，是指為學員提供相關理論知識、結構原理、操作過程等的多媒體演示，為學員提供操作訓練前的理論儲備。

（2）操作訓練功能，是指按照實際的維修操作設置相應的操作訓練內容，通過虛擬交互的方式完成操作訓練，使學員熟悉工作流程、要素、方法。

（3）考核評估功能，是指采用測試的方法對學員的操作行為進行實時采集、評估，從而對虛擬維修的訓練效果進行評估。

（4）信息管理功能，是指系統(tǒng)對學員的操作過程、操作成績等進行儲存管理，便于對教學工作進行管理、評價。

3.2 系統(tǒng)整體設計

根據(jù)某型減速機維修檢查仿真訓練系統(tǒng)的功能定位，結合其維修檢查的具體工作內容，該系統(tǒng)的整體設計框架如圖2所示。

3.3 減速機維修操作仿真建模

首先，使用建模工具Mutigen Creator建立減速機的三維幾何實體模型。為了增加建立的三維幾何模型的真實性，所建模型不僅在外形尺寸上要與實際裝備一致，而且減速機一些物理屬性，如材質、紋理、自由度屬性等也要進行相應表現(xiàn)。[8]其次，按照實際裝備的維修操作過程建模，特別是揭示減速機內在工作機理及行為特征交互特征和行為特征進（如裝配關系）的部分應嚴格進行建模。在建模過程中，為提高系統(tǒng)的實時性，還應盡量減少模型的數(shù)據(jù)量，并對模型結構進行優(yōu)化和取舍。

3.4 減速機維修操作虛擬場景構建

虛擬場景是減速機虛擬維修檢查的三維虛擬操作環(huán)境，包括：減速機的外圍設備、減速機所在的艙室環(huán)境，以及配套的維修工具、維修工作臺、測試設備等。首先，按照實際情況設置若干項維修操作內容，每一項內容對應一個虛擬場景，按照該項維修內容的具體要求對其所對應的虛擬場景進行內容設計。然后，利用3ds Max 軟件對每個虛擬場景逐個進行建模，同時按照具體維修要求進行交互設計，編寫交互接口、界面。最后，利用Quest 3D軟件對所有的單個虛擬場景進行集成和調度管理，生成一套完整的虛擬訓練場景。

3.5 系統(tǒng)集成

系統(tǒng)集成包括功能集成和軟件集成兩部分。功能集成是將某型減速機維修仿真訓練系統(tǒng)的四項主要功能按照一定的邏輯關系進行結構嵌入和接口搭建，使各項功能間能夠實現(xiàn)數(shù)據(jù)的相互調用。軟件集成是使用目前常用的軟件開發(fā)平臺（如VB、VC++等）將減速機維修操作仿真模型、減速機維修操作虛擬場景按照任務模塊化教學要求的形式有機地整合在一起，使之成為一個功能完整、結構規(guī)范、操作友好的教學軟件。

4 結束語

在裝備理論課程任務模塊化教學中應用VR技術可以有效克服實訓條件的局限，為任務模塊化教學提供有力的教學資源支撐，使任務模塊化教學的優(yōu)勢得到充分發(fā)揮。實踐證明，學員通過對虛擬裝備及虛擬環(huán)境的操作、體驗，與虛擬的“裝備”進行互動，可提高自身對崗位工作環(huán)境及實際裝備的感性認識和理性認識，最終提高自身掌握裝備、使用裝備的崗位任職能力。

參考文獻

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