基于支架式教學理念的火炮構造原理虛擬仿真教學系統設計

寧全利 房施東 鄧海飛 劉闖

摘? 要：火炮構造原理是院校教學的重要內容。針對火炮構造原理傳統教學手段存在的問題，基于支架式教學理念分析火炮構造原理虛擬仿真教學系統的功能需求，并從系統體系結構、軟件框架結構、軟件模塊和流程控制等方面進行系統的總體設計。樣機運行效果表明，基于支架式教學理念設計的火炮構造原理虛擬仿真教學系統能夠滿足火炮構造原理教學需求。

關鍵詞：火炮構造原理;支架式教學;虛擬仿真;教學系統

中圖分類號：G642? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2022）19-0074-05

Abstract： Gun Construction Principle is an important content of artillery specialty teaching in colleges. In view of the problems existing in the traditional teaching methods of Gun Construction Principle， the functional requirements of the VR teaching system of Gun Construction Principle are analyzed based on the scaffolding teaching concept. The overall design of the system is carried out from the aspects of system architecture， software framework structure， software module and flow control. The running effect of the prototype shows that the VR teaching system of Gun Construction Principle designed based on the scaffolding teaching concept can meet the teaching demand of Gun Construction Principle.

Keywords： Gun Construction Principle; scaffolding teaching; VR; teaching system

火炮構造原理是院校教學的重要內容。由于火炮裝備結構復雜，部件內部“看不見、摸不著”，學員對裝備結構理解不深，原理理解不透，造成教學效益不高。為此，迫切需要開發火炮構造原理虛擬仿真教學系統，以提高教學效果。

源自建構主義學習理論的“支架式教學法”是目前較為常用的且具有代表性的教學方法。支架式教學是基于維果茨基的最近發展區理論的一種建構主義的教學方法，是一種以學生自主探究學習為主，并借助“支架”（來自于教學者或學習伙伴等人的外部幫助）來完成學習任務的教學方法[1]。近年來，支架式教學法在國內教育學理論和實踐領域得到了廣泛的關注和認可[2]，因而開發的火炮構造原理虛擬仿真教學系統要能夠滿足支架式教學法的相關需求;同時，支架式教學法的相關理念也能夠為虛擬仿真教學系統的設計提供思路與參考。為此，在此探討基于支架式教學理念的虛擬仿真教學系統設計，為該仿真教學系統的進一步研發提供參考。

一、仿真教學系統功能需求

目前支架式教學法在國內得到越來越廣泛的應用，也是火炮構造原理課程運用的主要教學方法，為此，火炮構造原理虛擬仿真教學系統功能要能夠滿足支架式教學法的相關要求。

根據支架式教學法的相關要求和教學大綱需求，火炮構造原理虛擬仿真教學系統要能夠構建“實裝”“實地”“實時”的虛擬環境，對火炮結構組成、工作原理與作用過程、機構聯動、故障設置與排除等進行沉浸式虛擬仿真模擬[3]。為此系統需具備結構認知、結構原理演示、拆裝仿真、故障診斷等功能于一體，主要功能如圖1所示。

（一）虛擬認知

能夠以第三人稱視角展示火炮系統大部構造組成，具有動畫演示、系統提示、高亮、文字標簽等功能，能夠從不同角度觀察裝備及部件模型的組成結構，以系統地了解裝備各部件的用途、組成和連接關系。

（二）工作原理演示

要能夠對火炮的整體工作過程和關鍵機構或部組件的工作原理進行演示。

（三）拆裝仿真

系統需要能夠采用鼠標鍵盤或頭盔手柄，對重要部組件進行拆裝訓練，并能夠通過透視、隱藏等方式觀察內部零部件的詳細結構與聯接關系。

（四）故障診斷

系統需要能夠對火炮的火力系統常見故障現象進行模擬，并能夠進行交互式故障排除操作訓練。

（五）遠程調用與自主學習

系統支持客戶端/服務器網絡模式，具有用戶授權管理、登錄認證功能，授權用戶可通過網絡遠程登陸服務器，在身份認證并審核通過后，可調用相關火炮虛擬仿真教學信息資源庫，實現遠程化自主學習、探索。

（六）系統管理

需要能夠支持構建智慧教學系統模塊化管理功能。

二、系統總體設計

（一）仿真教學系統體系結構

傳統的支架式教學法一般局限于室內課堂。隨著網絡技術的發展，特別是智慧校園與智慧教室建設的推進[4-7]，支架式教學法也與時俱進，突破了時間和空間限制，使學生的學習實現了課上與課下相連貫，室（教室）內和室外相銜接。為此，火炮構造原理虛擬仿真教學系統采用C/S（客戶端/服務器端）網絡結構（圖2），以滿足基于智慧教室的支架式教學法的需求。614304DE-6094-4355-AE27-CC9F428BDFB9

依托智慧校園系統，基于C/S網絡體系結構的火炮構造原理虛擬仿真教學系統可以實現教室、學員宿舍和教員辦公室的全覆蓋。因此，學員可以隨時隨地進入情境，進行獨立探索、協作學習與效果反饋。

（二）仿真教學軟件框架結構

在基于C/S網絡體系結構的火炮構造原理虛擬仿真教學系統中，客戶端是開發的重點，其框架結構如圖3所示。

客戶端的核心是交互式火炮虛擬仿真系統的搭建，數據頭盔展現火炮場景，數據頭盔、數據手套等用于檢測用戶的具體動作，交互控制系統負責將用戶動作轉為交互指令提交給場景調度系統，場景調度將具體的動作要求提交給火炮場景，并將火炮模型進行計算機再現，再根據場景調度的要求模擬互動過程[8]。

（三）仿真教學軟件模塊設計

在學生知識進階學習過程中，火炮構造原理虛擬仿真教學系統成為其重要的“支架”。為了實現依托火炮構造原理虛擬仿真教學系統這一“支架”，實現基于智慧校園的支架式教學，火炮構造原理虛擬仿真教學系統需要涵蓋范例支架、問題支架、建議支架等支架式教學法的主要模塊[9]。具體如圖4所示。

1. 范例支架模塊

范例支架主要為初學者提供演示示例，實現對火炮結構原理的初步認知。在虛擬仿真教學系統中，范例支架包括各類預設的演示動畫和教員的操作演示。其中各類預設的演示動畫包括結構演示、原理演示、拆裝過程演示、故障排除演示等。以原理演示為例，對于機械機構聯動原理（如炮閂擊發裝置保險原理與擊發原理、擊發裝置復撥原理、高低機、方向機傳動原理等）采用交互式仿真進行演示;對于涉及電、液、氣的部組件工作原理（如制退機、復進機、平衡機等機構的工作原理），則采用動畫的方式進行演示。

2. 問題支架模塊

問題支架是支架式教學法實現啟發誘導的首要部分，通過各種問題引導學生進行下一步的探究。在仿真系統中結構原理交互仿真、拆裝仿真、故障排除仿真等教學內容部分，須在交互仿真過程中設計問題界面。

上述預設的問題界面是固定的，不具備隨機性和開發性。因此在軟件中還需要預留教員的提問界面。這樣教員就可以根據教學的進度和學生的課堂表現隨機應變地調整自己的問題支架，或是根據學生提出的問題，進行因材施教。

3. 建議支架模塊

建議支架主要用于學員交互仿真操作過程中易犯錯的環節，起到類似警示的作用。與問題支架類似，這樣的建議也是預設好的，不具備隨機性和開發性。

在教學過程中，學員的思路、操作等難免會出現“偏航”。這時就需要教員提出“建議”及時修正。為此，仿真教學軟件中還需要設計教員能夠實時交流的建議界面。由于提問界面和建議界面具有相似性，因此，可以合并到交流界面。在交流方式上，可以是文字，也可以是語音。

4. 工具支架模塊

在實際的教學中工具支架范圍較廣，如各類教具、信息系統、仿真系統等。在教學仿真系統中，工具支架主要是能夠進行交互操作的仿真文件，仿真文件中不僅包括虛擬三維模型、拆裝工具、故障診斷儀器等，還包括火炮部件文字信息、操作步驟文字說明與解說等。

5. 圖表支架模塊

圖表支架主要包括火炮及其各分系統（或零部件）用途、結構組成、功能原理等方面涉及到的組成框圖、剖面圖、曲線圖、表格等。其表現形式可以是三維場景里的黑板、掛圖等，也可以是彈出型二維界面。

6. 向導支架模塊

向導支架模塊模塊主要給學員提供整個學習內容的知識架構和前進方向。在本仿真軟件中，需要設計交互界面中的各種類型的導航（向導支架），包括章節目錄、結構目錄、目前位置等，有助于學員了解整個仿真系統的內容架構，快速便捷地選擇學習內容。

（四）系統軟件流程設計

1. 智慧教室環境下支架式教學過程

根據智慧教室的軟硬件特點和支架式教學方法的教學過程，梳理了在智慧教室環境下開展火炮構造原理支架式教學的一般過程，如圖5所示[10]。

搭腳手架即根據學生現有水平和教學目標，制定學生的學習任務，并進行任務分解，確定學習順序、學習條件，選擇合適的支架類型（如智慧教室的設備、資源等）。進入情境即將學生引入一定的問題情境（即產生矛盾），激發學生的探索欲望。獨立探索與協作學習是學習的主要階段，兩者相輔相成，互為融合，不可分割，獨立探索即在教師的啟發誘導下，學生進行問題分析與探究，最終解決問題（即解決矛盾）;協作學習即學生與同學、老師的探討、交流，如教學過程中的分組討論、師生互動等。效果評價即對學習效果的實時評估與反饋，效果評價貫穿于整個教學過程，而不僅僅在教學完成之后。

2. 基于支架式教學法的軟件流程設計

根據智慧教室環境下支架式教學的一般過程，設計基于支架式教學法的軟件流程，以故障診斷模塊為例，其程序流程如圖6所示。

在上述軟件流程中，獨立探索與協作學習過程是關鍵環節。其中“故障原因分析”主要采用問題支架模塊，通過系統自動提問和教員提問兩種方式，循循善誘，剖析故障原因;通過故障原因分析，確定故障位置，實現“故障定位”，采用工具支架中的三維模型高亮顯示故障點;確定故障點后，在虛擬環境下進行故障排除，并通過建議支架模塊提出操作警示信息，通過工具支架模塊顯示操作方法。故障排除完成后進行復查，如果故障現象消失，則完成作業并進行評估打分，否則繼續進行故障分析與診斷維修，直至排除故障。在整個故障診斷過程中，教員都可以通過問題支架模塊采用語音或文字的方式進行引導。

基于支架式教學法設計的軟件流程，不僅能夠滿足支架式教學法需求，也適用于其他一般的教學方法。

三、仿真教學系統設計效果

仿真系統選用MAYA創建三維模型，并導出為*.FBX文件格式文件;采用unity3D軟件進行仿真;采用C#Script進行UI設計、控制設計及后端數據分析處理設計[11]。具體實現流程如圖7所示。614304DE-6094-4355-AE27-CC9F428BDFB9

基于支架式教學法設計的火炮構造原理虛擬仿真教學系統，其開發實現的初步效果如圖8所示。圖8顯示的是進行系統認知學習的效果。主界面左邊顯示火炮結構樹，中間為三維仿真區，右邊為文字介紹區。用戶可以用手柄設備對三維火炮模型進行旋轉、縮放、透明度等操控。

虛擬仿真教學系統界面簡潔，功能豐富，在本科生教學中進行了初步應用。問卷咨詢顯示[12]，虛擬仿真教學系統受到學員的歡迎和好評。

四、結論

基于支架式教學理念分析了火炮構造原理虛擬仿真教學系統的功能需求，進行了系統的總體設計，并構建了系統樣機。運行效果表明，基于支架式教學理念設計的火炮構造原理虛擬仿真教學系統能夠滿足火炮構造原理教學需求，其設計方法也可以為其他教學系統的設計提供參考。

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基金項目：學院教育教學研究課題“基于VR的沉浸式火炮構造原理智慧教學系統研究”（無編號）

作者簡介：寧全利（1978-），男，漢族，山西稷山人，工學博士，教授，研究方向為武器系統與工程。

*通信作者：房施東（1980-），男，漢族，山東安丘人，工學博士，講師，研究方向為武器系統仿真與效能分析。614304DE-6094-4355-AE27-CC9F428BDFB9