袁建虎，安立周，王海濤

（陸軍工程大學，江蘇 南京 210007）

1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)及其在教學中的應用特點

虛擬現(xiàn)實 （Virtual Reality，VR）技術(shù)，也稱為虛擬環(huán)境 （Virtual Environment，VE）技術(shù)，或稱為臨境技術(shù)。它以計算機技術(shù)為主，融合計算機圖形技術(shù)、仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)、傳感技術(shù)、人機界面技術(shù)、人工智能技術(shù)、伺服技術(shù)等，生成逼真的視聽、觸覺一體化的特定范圍內(nèi)的虛擬環(huán)境，用戶借助立體眼鏡和傳感手套等一系列傳感輔助設備以自然的方式與虛擬環(huán)境中的對象進行交互作用、相互影響，從而產(chǎn)生親臨真實環(huán)境的感受和體驗。它是一門新興的技術(shù)性學科，是繼多媒體技術(shù)之后在計算機應用方面的又一重大突破[1]。

1.1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的特點

虛擬現(xiàn)實技術(shù)與一般的交互式三維計算機圖形學不同，其特點主要包括4個方面。

1）感知性。用戶可以從這種虛擬空間的內(nèi)部向外觀察，而不是像通常那樣只能作為一個旁觀者由外向內(nèi)觀察。即理想的虛擬現(xiàn)實技術(shù)應該具有與人一樣的感知功能。

2）沉浸感。用戶可以沉浸到虛擬空間中去，實時看到隨視點而改變的細膩場景，如同在現(xiàn)實世界的感覺一樣。即用戶可以駕馭其中，有一種身臨其境的感覺。

3）交互性。用戶可以和外部環(huán)境隔離開來，并融合到虛擬現(xiàn)實中，在視覺和聽覺的感受上同現(xiàn)實世界一樣，更自然、更真實地進行交互。即用戶與模擬環(huán)境可以進行信息交換，得到信息的反饋。

4）自主性。用戶可以根據(jù)自己的意識和需求，在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中遵循各種想象者設計的規(guī)律進行自主想象、動作和行為，不僅可再現(xiàn)真實存在的環(huán)境，也可以隨意構(gòu)想客觀不存在的甚至是不可能發(fā)生的環(huán)境。

研究表明，人類對基于圖像、聲音等感官信息的理解能力遠遠大于對數(shù)字和文字等抽象信息的理解能力。將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應用于工程裝備構(gòu)造類課程教學，能夠充分利用文本、圖形、動畫和聲音等多種多媒體表現(xiàn)形式刺激學員的視覺和聽覺神經(jīng)，調(diào)動學員的學習積極性和創(chuàng)新思維發(fā)展，有效解決課程學習和能力培養(yǎng)過程中出現(xiàn)的經(jīng)費、硬件、軟件和時間條件等諸多問題[2]。

1.2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教學中的應用特點

1）虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以為學員提供豐富的學習資源以及選擇學習材料和學習方式的機會，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，學員可以學習一些實際中具有速度性、抽象性且操作難度大和很難觀察的知識點等。

2）虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以為學員提供獲得經(jīng)驗的機會，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)可模擬顯示出那些現(xiàn)實中存在的，但在課堂教學環(huán)境下很難做到的，或要花很多費用才能讓學員實踐的各種事物。比如讓學員操縱裝備模擬器，這就是要讓學員產(chǎn)生臨境感。

3）虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以為學員提供適應任職需要的實戰(zhàn)實保機會，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以讓學員在院校學習的過程中提前適應任職崗位中的實裝操作、結(jié)構(gòu)認知、故障排除、指揮訓練等技能，符合當前提升 “戰(zhàn)斗力標準”的教改要求。

所以，結(jié)合虛擬現(xiàn)實技術(shù)進行裝備構(gòu)造類課程教學，能提高教學質(zhì)量，改善教學效果，起到事半功倍的作用。

2 工程裝備類課程教學現(xiàn)狀分析

裝備結(jié)構(gòu)與工作原理知識是裝備使用維護和故障排除的基礎，裝備結(jié)構(gòu)與工作原理知識的學習也是為裝備的使用維護和故障排除服務的。因此，工程裝備構(gòu)造類課程教學，必須充分考慮裝備構(gòu)造知識、使用維護、故障排除的實裝或?qū)嵮b情景模擬，始終抓住 “結(jié)構(gòu)組成—工作原理—使用維護—常見故障排除”的教學主線，在構(gòu)造知識的學習中，培養(yǎng)學員裝備使用維護和常見故障分析判斷與排除的能力。然而，工程裝備構(gòu)造類課程由于需要實裝拆裝操作，在實際運行過程中限制比較多，主要體現(xiàn)在以下5個方面。

2.1 教學保障需求多

工程裝備構(gòu)造類課程由于需要實裝拆裝操作，因此對場地、裝備和人員保障需求較多。

1）教學場地需求。實裝教學場地是工程裝備構(gòu)造類課程教學的重要物質(zhì)基礎之一，其數(shù)量、大小、地理環(huán)境、地質(zhì)條件、設備設置配置、管理水平等都會對教學能力形成直接影響。

2）裝備消耗需求。實裝教學會造成裝備零部件磨損、器材油料消耗等。以一臺160型推土機為例，一天的油料消耗就有200 L左右；一臺履帶式多用工程車，其發(fā)動機壽命僅為500 h，教學成本非常之高。

3）教保人員需求。裝備構(gòu)造類課程教學活動，除教員授課外，還需要裝備教學保障分隊提供人員保障。根據(jù)每年的實踐教授學員額平均值計算，每名教練班長每年承訓學員數(shù)在200名左右。然而，在課程教學過程中輔導學員只是教練班長工作量的一部分，教學裝備的教學準備工作和教學結(jié)束后的保養(yǎng)工作任務量也非常大。因此，教學裝備的保障任務非常重，裝備教學保障力量嚴重不足。

2.2 教學開展不夠深

結(jié)合實裝的裝備教學，大多僅限于簡單的拆裝、故障預設等，其教學內(nèi)容、使用的教學技術(shù)非常有限，許多教學內(nèi)容難以涉及。例如新裝備的液壓系統(tǒng)教學，由于不能拆解、又無法全面觀察工作過程，教學時就只能基于原理圖進行講解，通過多媒體、掛圖等方式引導學員進行空間想象，進而了解、掌握其結(jié)構(gòu)、原理及故障排除方法等。

2.3 新裝備教學力量形成慢

隨著新裝備推進速度加快，由于其技術(shù)先進、造價高等原因，部署后需要投入大量的技術(shù)力量進行訓練，對院校學員寄予重望。一方面希望畢業(yè)學員能迅速挑起新裝備訓練的重擔，另一方面希望派遣技術(shù)骨干到院校進行相關(guān)培訓。為此，院校的裝備教學應突出新裝備教學，以提高學員的第一崗位任職能力。然而，新裝備部署到院校相對滯后，而高度依賴實裝的教學模式容易造成新裝備教學開展滯后，沒有技術(shù)能力組織實裝教學和不敢進行實裝訓練等問題，使得新裝備的教學能力難以及時形成，影響到畢業(yè)學員對新裝備的認知，畢業(yè)后開展工作比較被動[3]。

2.4 安全思想制約廣

實裝教學過程中，可能存在因組織不當或操作失誤而造成裝備損壞和人員傷亡的現(xiàn)象。例如某挖掘機由于存在設計缺陷，在教學中就出現(xiàn)過駕駛室損壞的情況。受 “安全第一”思想影響和教學保障技術(shù)實力的制約，許多教學裝備，特別是新裝備在教學中不敢動、不敢拆、不敢修。一是怕因場地和技術(shù)人員不足出現(xiàn)安全隱患，二是擔心一旦損壞或出現(xiàn)故障無法修復。在這種情況下，一些裝備成為展覽品，涉及相關(guān)裝備教學時，就只能采取參觀講解、錄像講解等方式進行，導致難以達到理想的教學效果。

2.5 考核體系待完善

工程裝備構(gòu)造類課程的考核除了需制訂完備、細致的考核實施方案與評價標準外，還需保障相應的考核場地、裝備、設施、器材和人員。受前述因素制約，在組織考核時，由于不具備設置標準考核場地的條件，考核往往經(jīng)過簡化、降低標準或僅通過現(xiàn)場問答的方式進行，許多考核成績由教員估算而來。即使部分課程或考核環(huán)境能按照標準要求進行，但由于人為因素較多，最終成績也難免存在不客觀、不全面的情況[4]。

由此可見，如果工程裝備構(gòu)造類課程通過縮小教學場地、減少教學時間、減少教學裝備和降低教學標準的方式進行，教學質(zhì)量難以保證。

3 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在工程裝備類課程的優(yōu)勢分析

運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)建立相應的教學模型、裝備模型、設施模型和環(huán)境模型，生成 “實裝” “實地” “實戰(zhàn)”且逼真的三維交互教學環(huán)境，使學員通過視覺、聽覺、觸感、運動感知等方式，以自主的感覺感受直接操作其中的裝備部件，從而 “沉浸”于虛擬環(huán)境之中，完成教學過程[5]。

將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應用于工程裝備構(gòu)造類課程，與傳統(tǒng)教學方式相比具有以下明顯優(yōu)勢。

3.1降低保障需求

1）不受場地限制。將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應用于工程裝備構(gòu)造類教學，可構(gòu)建多種教學和培訓環(huán)境，如維修車間、山地、道路等，能滿足裝備教學所需的各種場地、環(huán)境，教學可全時域、全地域展開。

2）節(jié)約物資投入。采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)進行實踐教學，不需要更換零部件，不需要消耗油料器材，可以對同一學習過程進行反復練習，大量節(jié)約教學成本。

3）減少人員保障。使用虛擬現(xiàn)實技術(shù)進行工程裝備構(gòu)造類教學，既減少了裝備使用時間，又減少了實裝的后期保養(yǎng)維護，極大降低了裝備教學保障分隊人員的工作量。

3.2 教學功能齊全

運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)開發(fā)虛擬教學系統(tǒng)應用于課程教學，可以根據(jù)要求進行教學課目設置，甚至可以實現(xiàn)實裝教學無法實現(xiàn)的教學效果，如裝備全景漫游就可以使學員進入發(fā)動機內(nèi)部觀察其工作過程，教學內(nèi)容全面，方式靈活。

3.3 有效開展新裝備教學

利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，研發(fā)與新裝備配套的教學系統(tǒng)，可以與新裝備同步研制、同步生產(chǎn)、同步裝備，甚至先于新裝備到達院校，可以有效縮短從新裝備配備到教學能力形成之間的時間，快速形成新裝備的教學能力。

3.4 教學安全性高

學員 “沉浸”于虛擬環(huán)境里進行裝備構(gòu)造、拆裝、修理和運用等教學活動，當出現(xiàn)操作不當，會以文字、動畫或聲音等形式進行相應的提示，不會出現(xiàn)人員受傷、裝備受損等問題，教學過程安全、可控。

3.5 便于考核評價

在學員完成課堂學習的同時，通過全程記錄學員在虛擬環(huán)境中的學習過程，對學員的學習過程和其對裝備結(jié)構(gòu)原理、拆裝與運用能力學習情況等進行綜合評定和考核，即時給出教學評價，方便組織訓練和考核，教學質(zhì)量評價過程簡便，成績客觀。

3.6 提升學習熱情

充分運用信息化技術(shù)教學，基于現(xiàn)實但超越現(xiàn)實。其多變的視角、多樣的操作方式、不同的視聽感受，可以使學員自主獲得一種全新的操作感知，大幅激勵學員的學習熱情，提高學習效果，符合“學為主體，教為主導”的教學理念。

4 融合虛擬現(xiàn)實技術(shù)的工程裝備類課程教學研究

根據(jù)新時期 “網(wǎng)絡化、模擬化、基地化”的要求，結(jié)合裝備保障模擬訓練教學的發(fā)展趨勢，針對前述問題，將虛擬現(xiàn)實技術(shù)充分與工程裝備構(gòu)造類課程教學相融合，構(gòu)建網(wǎng)絡化、沉浸式的工程裝備構(gòu)造、保養(yǎng)、修理訓練與考核的教學環(huán)境，為相關(guān)專業(yè)課程提供教學平臺，開展工程裝備構(gòu)造感知、操作運用、拆裝工藝、維修保養(yǎng)、故障診斷等多種類、不同層次的實驗項目，通過提高受訓人員基于虛擬環(huán)境的裝備感知水平和維修技能，增強學員裝備保障信息化素養(yǎng)和實裝能力。

根據(jù)工程裝備構(gòu)造類課程的課程標準、裝備實踐教學規(guī)律和虛擬現(xiàn)實技術(shù)特點，運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)開展工程裝備構(gòu)造類課程教學可應用在以下5個方面。

4.1 裝備結(jié)構(gòu)與工作原理教學

裝備結(jié)構(gòu)與工作原理知識是學員專業(yè)知識的重要組成部分，也是裝備教學的重要內(nèi)容之一，是學員進行裝備操作、維護、修理訓練的基礎。利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)進行教學，可通過漫游、多視角觀測等多種方式向?qū)W員直觀展示裝備的外觀、組成與零部件結(jié)構(gòu)，也可在不解體的情況下給學員演示部件、總成的工作原理與工作過程。例如，將發(fā)動機外殼透明化，即可讓學員直接觀察發(fā)動機內(nèi)部工作情形，完全突破傳統(tǒng)教學方式的束縛，實現(xiàn)依靠掛圖、動畫、錄像、實裝拆解等教學模式無法實現(xiàn)的教學效果。圖1為利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)開發(fā)的內(nèi)燃機和裝備結(jié)構(gòu)與工作原理教學訓練系統(tǒng)。

圖1 裝備結(jié)構(gòu)與工作原理教學訓練系統(tǒng)

4.2 裝備操作運用教學

裝備操作運用是學員需要掌握的基本專業(yè)技能之一，也是學員畢業(yè)的必考課目，其重要性不言而喻。利用三維建模技術(shù)建立裝備實裝模型，運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)模擬裝備操作方法和訓練場景，結(jié)合圖像現(xiàn)實設備和音響設備，即可使學員基于計算機和操作手柄進行裝備操作教學。教學過程中還可根據(jù)需要變更虛擬教學場地、教學裝備、教學課目，記錄和復現(xiàn)學員學習過程等。圖2為某型履帶式多用途工程車的裝備操作運用教學。

圖2 裝備操作運用教學

4.3 裝備虛擬拆裝教學

使學員迅速熟悉和掌握裝備零部件結(jié)構(gòu)的一種有效方法就是進行裝備拆解和裝配。通過拆裝過程使學員掌握零部件的外形、相互關(guān)系和拆裝工藝。同時，零部件的拆裝也是裝備維護、維修的一個重要環(huán)節(jié)。拆裝的速度、水平都影響到維護、維修的質(zhì)量與效率。因此，裝備構(gòu)造類課程的實踐教學環(huán)節(jié)都會安排部件拆裝實習。利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，構(gòu)建裝備部件拆裝虛擬訓練模塊，可使學員在理論提示、系統(tǒng)自動評價的情況下，反復進行零部件拆裝，即使操作錯誤也不會給零部件帶來任何損壞，拆裝過程快速、安全、低耗，可迅速提高學員的零部件拆裝技能。圖3為挖掘機變速箱拆卸和液壓油缸裝配的裝備虛擬拆裝教學。

4.4 裝備虛擬維修保養(yǎng)教學

裝備維修保養(yǎng)是裝備保障的重要內(nèi)容，也是裝備保障教學的重點與難點。裝備虛擬維修保養(yǎng)訓練系統(tǒng)可以根據(jù)裝備保障教學要求設置教學課目，基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)進行教學規(guī)劃，包括裝備零件拆裝序列、修理作業(yè)流程、保養(yǎng)方法等，建立裝備、保障設備、虛擬人物的三維模型，構(gòu)建貼近實戰(zhàn)的虛擬教學環(huán)境，使學員借助傳感設備進行裝備虛擬維修保養(yǎng)，或驅(qū)動虛擬人物完成裝備虛擬維修保養(yǎng)作業(yè)。圖4為M11發(fā)動機和工程車的裝備虛擬維修保養(yǎng)教學。

圖3 裝備虛擬拆裝教學

圖4 裝備虛擬維修保養(yǎng)教學

4.5 虛擬故障診斷教學

對裝備故障進行準確診斷是保障裝備安全穩(wěn)定的難點之一。虛擬訓練系統(tǒng)基于故障診斷專家知識庫技術(shù)建立裝備故障診斷信息數(shù)據(jù)庫，可以隨機生成裝備故障，并在虛擬訓練環(huán)境內(nèi)通過聲音、圖像、振動等形式表現(xiàn)出來，使學員身臨其境地進行狀態(tài)分析與故障診斷。系統(tǒng)可根據(jù)需要進行理論提示和診斷結(jié)果評判。第86頁圖5為在虛擬故障診斷教學訓練環(huán)境下，對工程車電氣系統(tǒng)進行虛擬故障診斷教學。

總之，虛擬現(xiàn)實技術(shù)起源于教育應用，在其不斷發(fā)展中又進一步為現(xiàn)代教育注入了新的活力。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應用能夠結(jié)束傳統(tǒng)的以教員為中心，以課堂為中心，以書本為中心的教育方式，代之以學員為中心，以實踐為中心的教學方式，可提高學員學習熱情和創(chuàng)新能力培養(yǎng)。

圖5 虛擬故障診斷教學訓練環(huán)境