基于虛擬現實技術的裝備實訓教學設計

韓 偉,王海源,魏 梟

(陸軍工程大學 訓練基地，江蘇 徐州221000)

0 引言

虛擬現實技術是一種將計算機、電子信息、仿真模擬、人機交互、人工智能等技術融為一體的新型實用技術,因其具有特有的科學性、直觀性、交互性、可控性和再現性等優點,在軍隊院校教學訓練中的應用越來越廣泛。 裝備實訓教學課目主要為大型綜合性訓練課目,存在著作業人員多、作業編組多、方法步驟多、安全風險高等特點,加之裝備操作訓練重復性強、步驟復雜,容易使學員產生枯燥乏味、興趣不濃的心理,制約著課堂教學質量的提高[1]。 開展虛擬仿真教學訓練,就是將教學內容生動形象化,將實裝操作能力培養具體任務化,將學員的參與意識虛擬現實化,讓教學內容“動起來、活起來”,凸顯學員、解放教員,激活教學。

1 當前裝備實訓教學現狀

1.1 裝備實訓教學組織復雜

從院校裝備實訓教學課目上看,某些課目為大型綜合性操作訓練課目,牽扯大量的人力和物力。 需要較寬廣的教學訓練場所,多種多型裝備配合協同,參訓對象數量需求多,作業人員編組多,各種保障措施要求多,涉及教學訓練準備、訓練實施、訓練總結整個教學訓練全過程,十分煩瑣和復雜,需要組訓者切實做到精密籌劃、精細組織。

1.2 裝備實訓教學受外部環境影響大

為了達到預期的實訓效果,某些裝備實訓課目需要滿足一定的裝備、人員和場地要求。 一旦受實裝數量、經費和人員限制,通常就能影響到裝備實訓的正常展開,一定程度上影響訓練效果。 此外,絕大多數裝備實訓教學都位于野外,極易受天氣因素的干擾,在雨、雪、大風、大霧等惡劣天氣下就不能很好地開展。

1.3 裝備實訓教學模式相對單一

當前,絕大部分的裝備實訓教學主要結合現地實裝依托固定訓練場景實施,教學方法大多采用講解示范、組織練習的傳統組訓模式,容易引發受訓者訓練的疲勞感,影響教學效果。 將虛擬仿真技術與裝備教學相結合,可以實現訓練場景轉換、教學方法變化、多種突發情況隨機設置等動作,使受訓者能夠全身心地投入虛擬環境中獲得真實的認知和情感體驗,大大增強受訓者訓練的主動性和熱情。

2 基于虛擬現實技術的裝備實訓教學系統設計

根據裝備實訓教學特點,按照系統規劃、體系融合、綜合集成的思路,基于Unity3D,SQL 等軟件對裝備實訓虛擬仿真教學系統進行整體設計,主要包括數據資源、交互訓練資源、網絡硬件資源三部分,具體架構設計如圖1 所示。

圖1 裝備實訓教學系統設計

2.1 數據資源

數據資源是裝備實訓虛擬仿真教學系統的基礎支撐條件,主要包括3D 仿真裝備模型、三維地理信息數據、裝備訓練條件數據、訓練課目數據、影音資料數據、考核評估標準數據[2]。 比如,按照一定比例虛擬仿真的工程裝備的整體外形、內部結構組成及主要部件；江河湖泊地形地貌,專項訓練場地設施,江河水情、涌浪、藍天、風和雨等訓練場景數據；大型裝備實際操作方法步驟教學視頻、考核評估項目內容、評分細則及評分辦法等。

2.2 交互訓練資源

虛擬仿真裝備實訓教學系統能夠給受訓者提供一個實時的、具有三維信息的、可以交互的虛擬訓練條件,營造一個“看起來像真的、聽起來像真的、摸起來像真的”多感官三維虛擬世界[3]。 受訓者在虛擬環境中可以通過智能穿戴設備等交互設備與虛擬場景進行互動,實現和真實世界里一樣的動作,感受均是實時同步的,可以真實體驗與參與平臺中的各項任務,有很好的沉浸感、交互性和構想性。 交互設備包括半實物模擬訓練裝備和智能穿戴設備。 比如汽艇駕駛室、沖鋒舟駕駛臺、作業手操作臺等半實物的仿真設備,其要能基本與工程裝備實物外部設施相一致,動作邏輯要符合實際；人機交互智能穿戴設備包括投影頭盔、數據手套、智能耳機和投影屏幕等。

2.3 網絡硬件資源

網絡硬件資源是建設虛擬仿真裝備實訓教學系統的底層基礎。 網絡硬件資源條件的建設要緊盯當前計算機網絡技術的發展趨勢,樹立適當超前意識,綜合考慮計算機性能、網絡帶寬、設備存儲容量、系統端口接入等關鍵環節,一體化設計,高度融合“智慧云端”、大數據、數據鏈等先進技術,建立安全、穩定、高效的網絡運營環境,確保系統的正常運轉,滿足教學需求。

3 基于虛擬現實技術的裝備實訓教學實施流程

在教學過程中,采用課堂理論教學、虛擬仿真教學、野外實裝教學相結合的教學模式,按照“先仿真、后實裝”“先探索、后檢驗”的教學方法,突出學員的實踐創新能力、主觀參與性,盡力為學員提供身臨其境的教學訓練環境,滿足其主動探索、掌握裝備操作的基本技能[4]。 其教學流程,如圖2 所示。

圖2 裝備實訓教學實施流程

3.1 課堂理論教學

針對原有裝備實訓與理論教學環節聯系不緊密的問題,利用互聯網技術、數據庫技術,將虛擬仿真教學元素嵌入理論教學環節,改變傳統講授式、灌輸式的授課模式。 通過3D 模型細節展示、模型整機自主漫游、操作方法步驟講解等環節,將具體的知識要點可視化、動態化,讓學員通過沉浸式智能交互設備邊聽邊看、自主探索,進一步拓展受訓者的思維空間和認知空間,激發學習興趣。

3.2 虛擬仿真實裝教學

通過以沉浸式虛擬現實技術構建虛擬仿真裝備實訓訓練平臺,提供一個完整的虛擬訓練環境,使被動的教學具備主動的、交互性、構想性、沉浸感突出的特點,實現單機及多人協同的裝備模擬教學訓練,提高學員對裝備的使用和管理、協調配合能力,以及對緊急狀況的處置能力[5]。 具體實施流程為：受訓者進入人機交互界面,選擇所要進行的裝備訓練課目；教員分配受訓者訓練角色或由受訓者自主選擇訓練角色,進行訓練場景設置；受訓者在虛擬仿真裝備實訓訓練平臺上按之前學習的內容實施模擬訓練,教員可根據受訓者實時訓練情況,隨機指導受訓者的模擬訓練,也可設置訓練場地條件變化、裝備損壞、錯誤動作演示等不同突發情況,增加訓練的真實感和戰場化；模擬訓練后,受訓者可在教員的安排下或自主進行模擬實裝操作考核,系統平臺能夠根據評分細則對受訓者的考核情況進行后臺記錄及實時評估[6]。

3.3 裝備實訓教學

打破傳統的單課目、單內容教學組訓模式,注重多角色、多崗位協同編組教學,對裝備實訓內容進行多類有機融合,使得裝備實訓教學訓練更加貼近部隊需求。 根據教學對象特點,圍繞強化實裝操作技能,分層次編組受訓者,區分“技能強化組”“技能提升組”“基礎訓練組”,實施階梯化教學,促進教學效果的提升。 構建以“平時作業、課堂表現、學習出勤”為主要內容的形成性考核與終結性考核于一體的考核模式,綜合評價學員學習效果,促進教學質量的提升[7]。

4 結語

虛擬現實技術在軍事教育訓練領域的前景已經得到了各國軍隊的高度重視。 基于虛擬現實技術的裝備實訓教學,將各種三維立體的虛擬仿真設備、動畫演示應用于課堂,改變了枯燥乏味的“一言堂”“滿堂灌”傳統教學方式,提高了課堂教學質量[8]。 通過引入虛擬仿真設計模擬訓練裝備,能夠給學員提供高度自由的操作性,提供深入的沉浸感,引導學員自主開展模擬訓練,增強了學習的動力與興趣。 因此,推動虛擬現實技術與裝備實訓教學相結合,能夠極大地提高裝備操作專業人才培養質量,能夠為軍隊院校實裝教學改革探索方法路子。