袁建虎，安立周，王海濤

（陸軍工程大學(xué)，江蘇 南京 210007）

1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)及其在教學(xué)中的應(yīng)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(shè)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(xué)科，是繼多媒體技術(shù)之后在計算機應(yīng)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(xué)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(yīng)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(shè)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(yīng)用于工程裝備構(gòu)造類課程教學(xué)，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(xué)員的視覺和聽覺神經(jīng)，調(diào)動學(xué)員的學(xué)習(xí)積極性和創(chuàng)新思維發(fā)展，有效解決課程學(xué)習(xí)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(xué)中的應(yīng)用特點

1）虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以為學(xué)員提供豐富的學(xué)習(xí)資源以及選擇學(xué)習(xí)材料和學(xué)習(xí)方式的機會，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，學(xué)員可以學(xué)習(xí)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(xué)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(xué)環(huán)境下很難做到的，或要花很多費用才能讓學(xué)員實踐的各種事物。比如讓學(xué)員操縱裝備模擬器，這就是要讓學(xué)員產(chǎn)生臨境感。

3）虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以為學(xué)員提供適應(yīng)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(xué)員在院校學(xué)習(xí)的過程中提前適應(yīng)任職崗位中的實裝操作、結(jié)構(gòu)認知、故障排除、指揮訓(xùn)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(xué)，能提高教學(xué)質(zhì)量，改善教學(xué)效果，起到事半功倍的作用。

2 工程裝備類課程教學(xué)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(chǔ)，裝備結(jié)構(gòu)與工作原理知識的學(xué)習(xí)也是為裝備的使用維護和故障排除服務(wù)的。因此，工程裝備構(gòu)造類課程教學(xué)，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(xué)主線，在構(gòu)造知識的學(xué)習(xí)中，培養(yǎng)學(xué)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(xué)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(xué)場地需求。實裝教學(xué)場地是工程裝備構(gòu)造類課程教學(xué)的重要物質(zhì)基礎(chǔ)之一，其數(shù)量、大小、地理環(huán)境、地質(zhì)條件、設(shè)備設(shè)置配置、管理水平等都會對教學(xué)能力形成直接影響。

2）裝備消耗需求。實裝教學(xué)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(xué)成本非常之高。

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

2.2 教學(xué)開展不夠深

結(jié)合實裝的裝備教學(xué)，大多僅限于簡單的拆裝、故障預(yù)設(shè)等，其教學(xué)內(nèi)容、使用的教學(xué)技術(shù)非常有限，許多教學(xué)內(nèi)容難以涉及。例如新裝備的液壓系統(tǒng)教學(xué)，由于不能拆解、又無法全面觀察工作過程，教學(xué)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(dǎo)學(xué)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(xué)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(xùn)練，對院校學(xué)員寄予重望。一方面希望畢業(yè)學(xué)員能迅速挑起新裝備訓(xùn)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(xùn)。為此，院校的裝備教學(xué)應(yīng)突出新裝備教學(xué)，以提高學(xué)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(xué)模式容易造成新裝備教學(xué)開展滯后，沒有技術(shù)能力組織實裝教學(xué)和不敢進行實裝訓(xùn)練等問題，使得新裝備的教學(xué)能力難以及時形成，影響到畢業(yè)學(xué)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(xué)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(shè)計缺陷，在教學(xué)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(xué)保障技術(shù)實力的制約，許多教學(xué)裝備，特別是新裝備在教學(xué)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(fù)。在這種情況下，一些裝備成為展覽品，涉及相關(guān)裝備教學(xué)時，就只能采取參觀講解、錄像講解等方式進行，導(dǎo)致難以達到理想的教學(xué)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(yīng)的考核場地、裝備、設(shè)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(shè)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(xué)場地、減少教學(xué)時間、減少教學(xué)裝備和降低教學(xué)標準的方式進行，教學(xué)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(yīng)的教學(xué)模型、裝備模型、設(shè)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(xué)環(huán)境，使學(xué)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(xué)過程[5]。

將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于工程裝備構(gòu)造類課程，與傳統(tǒng)教學(xué)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(yīng)用于工程裝備構(gòu)造類教學(xué)，可構(gòu)建多種教學(xué)和培訓(xùn)環(huán)境，如維修車間、山地、道路等，能滿足裝備教學(xué)所需的各種場地、環(huán)境，教學(xué)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(xué)，不需要更換零部件，不需要消耗油料器材，可以對同一學(xué)習(xí)過程進行反復(fù)練習(xí)，大量節(jié)約教學(xué)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(xué)，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(xué)保障分隊人員的工作量。

3.2 教學(xué)功能齊全

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

3.3 有效開展新裝備教學(xué)

利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，研發(fā)與新裝備配套的教學(xué)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(xué)能力形成之間的時間，快速形成新裝備的教學(xué)能力。

3.4 教學(xué)安全性高

學(xué)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(xué)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(yīng)的提示，不會出現(xiàn)人員受傷、裝備受損等問題，教學(xué)過程安全、可控。

3.5 便于考核評價

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

3.6 提升學(xué)習(xí)熱情

充分運用信息化技術(shù)教學(xué)，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(xué)員自主獲得一種全新的操作感知，大幅激勵學(xué)員的學(xué)習(xí)熱情，提高學(xué)習(xí)效果，符合“學(xué)為主體，教為主導(dǎo)”的教學(xué)理念。

4 融合虛擬現(xiàn)實技術(shù)的工程裝備類課程教學(xué)研究

根據(jù)新時期 “網(wǎng)絡(luò)化、模擬化、基地化”的要求，結(jié)合裝備保障模擬訓(xùn)練教學(xué)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(xué)相融合，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)化、沉浸式的工程裝備構(gòu)造、保養(yǎng)、修理訓(xùn)練與考核的教學(xué)環(huán)境，為相關(guān)專業(yè)課程提供教學(xué)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(xùn)人員基于虛擬環(huán)境的裝備感知水平和維修技能，增強學(xué)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(xué)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(xué)可應(yīng)用在以下5個方面。

4.1 裝備結(jié)構(gòu)與工作原理教學(xué)

裝備結(jié)構(gòu)與工作原理知識是學(xué)員專業(yè)知識的重要組成部分，也是裝備教學(xué)的重要內(nèi)容之一，是學(xué)員進行裝備操作、維護、修理訓(xùn)練的基礎(chǔ)。利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)進行教學(xué)，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(xué)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(xué)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(xué)方式的束縛，實現(xiàn)依靠掛圖、動畫、錄像、實裝拆解等教學(xué)模式無法實現(xiàn)的教學(xué)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(xué)訓(xùn)練系統(tǒng)。

圖1 裝備結(jié)構(gòu)與工作原理教學(xué)訓(xùn)練系統(tǒng)

4.2 裝備操作運用教學(xué)

裝備操作運用是學(xué)員需要掌握的基本專業(yè)技能之一，也是學(xué)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(xùn)練場景，結(jié)合圖像現(xiàn)實設(shè)備和音響設(shè)備，即可使學(xué)員基于計算機和操作手柄進行裝備操作教學(xué)。教學(xué)過程中還可根據(jù)需要變更虛擬教學(xué)場地、教學(xué)裝備、教學(xué)課目，記錄和復(fù)現(xiàn)學(xué)員學(xué)習(xí)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(xué)。

圖2 裝備操作運用教學(xué)

4.3 裝備虛擬拆裝教學(xué)

使學(xué)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(xué)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(xué)環(huán)節(jié)都會安排部件拆裝實習(xí)。利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，構(gòu)建裝備部件拆裝虛擬訓(xùn)練模塊，可使學(xué)員在理論提示、系統(tǒng)自動評價的情況下，反復(fù)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(xué)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(xué)。

4.4 裝備虛擬維修保養(yǎng)教學(xué)

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(xué)的重點與難點。裝備虛擬維修保養(yǎng)訓(xùn)練系統(tǒng)可以根據(jù)裝備保障教學(xué)要求設(shè)置教學(xué)課目，基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)進行教學(xué)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(shè)備、虛擬人物的三維模型，構(gòu)建貼近實戰(zhàn)的虛擬教學(xué)環(huán)境，使學(xué)員借助傳感設(shè)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(xué)。

圖3 裝備虛擬拆裝教學(xué)

圖4 裝備虛擬維修保養(yǎng)教學(xué)

4.5 虛擬故障診斷教學(xué)

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(xùn)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(xùn)練環(huán)境內(nèi)通過聲音、圖像、振動等形式表現(xiàn)出來，使學(xué)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(xué)訓(xùn)練環(huán)境下，對工程車電氣系統(tǒng)進行虛擬故障診斷教學(xué)。

總之，虛擬現(xiàn)實技術(shù)起源于教育應(yīng)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(yīng)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(xué)員為中心，以實踐為中心的教學(xué)方式，可提高學(xué)員學(xué)習(xí)熱情和創(chuàng)新能力培養(yǎng)。

圖5 虛擬故障診斷教學(xué)訓(xùn)練環(huán)境