基于移動網(wǎng)絡(luò)與3D 交互技術(shù)的裝甲車輛交互教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李宏才，韓立金，徐麗麗

（北京理工大學(xué)，北京 100081）

隨著網(wǎng)絡(luò)帶寬及通訊速率的不斷提升，“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代的到來，大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、移動互聯(lián)網(wǎng)和5G 等先進(jìn)技術(shù)迅速發(fā)展，極大地推動了智能終端的迅速普及，催生了移動學(xué)習(xí)，“3A”（Anytime，Anywhere，Anything）教學(xué)理念日益深入人心[1-2]。2020 年初新冠肺炎疫情的爆發(fā)，更是無意間加速了這一進(jìn)程，全國乃至全球性網(wǎng)絡(luò)教學(xué)需求的激增更凸顯了互聯(lián)網(wǎng)與教育教學(xué)融合發(fā)展的必要性和緊迫性[3]。基于移動網(wǎng)絡(luò)終端的教學(xué)可以實(shí)現(xiàn)在任何時(shí)間和任何地點(diǎn)，利用碎片化的時(shí)間完成知識的學(xué)習(xí)，現(xiàn)在正逐步顛覆現(xiàn)有的教學(xué)模式，并且這種教學(xué)模式，也正是解決教學(xué)內(nèi)容的快速豐富和課程學(xué)時(shí)相對壓縮之間的矛盾的有效途徑[4]。裝甲車輛構(gòu)造與原理課程目前面臨的教學(xué)難點(diǎn)，完全可以通過基于移動終端的教學(xué)系統(tǒng)來克服。

一、裝甲車輛構(gòu)造與原理課程教學(xué)現(xiàn)狀

裝甲車輛構(gòu)造與原理是裝甲車輛工程專業(yè)的核心基礎(chǔ)課。課程體系從前至后依次為：專業(yè)認(rèn)知實(shí)習(xí)—構(gòu)造與原理—駕駛實(shí)習(xí)—構(gòu)造實(shí)習(xí)，認(rèn)知實(shí)習(xí)了解裝甲車輛的基本結(jié)構(gòu)、宏觀制造過程等，構(gòu)造與原理講授車輛的總體構(gòu)造、部件原理、部件結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)等，駕駛實(shí)習(xí)了解車輛操縱機(jī)構(gòu)及性能等，構(gòu)造實(shí)習(xí)通過實(shí)踐了解車輛底盤構(gòu)造和典型部件的結(jié)構(gòu)和原理。這套教學(xué)體系雖然基本能夠完成構(gòu)造和原理的學(xué)習(xí)，但是對于知識的掌握并不全面，并且有些滯后。

目前構(gòu)造與原理課程采取課前、課中和課后模式。課前通過教材、工廠資源收集、篩選和設(shè)計(jì)優(yōu)質(zhì)資源，提前布置給學(xué)生預(yù)習(xí)；課中利用文字、圖片、動畫和視頻等多媒體開展學(xué)習(xí)；課后定期布置項(xiàng)目制作業(yè)，通過檢查、交流來完成內(nèi)容的學(xué)習(xí)[5]。

由于裝甲車輛軍工涉密的特點(diǎn)，可供講授的內(nèi)容一是陳舊，二是缺乏形象的展示手段，三是教學(xué)面向所有學(xué)者展示相同內(nèi)容，但缺乏靈活性和個(gè)性展示，另外，由于課時(shí)有限，很多知識點(diǎn)無法得到詳細(xì)的介紹，學(xué)生的理解深度不夠，授課效果不夠理想，教學(xué)質(zhì)量難于有質(zhì)的提升[6]。

因此，為提高課堂教學(xué)效果，應(yīng)用參與式、研究型和項(xiàng)目制教學(xué)模式，結(jié)合翻轉(zhuǎn)課堂，來激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性。采用一種移動互動式教學(xué)模式[7]，可讓學(xué)者在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)依據(jù)移動終端，通過觸屏對機(jī)械部件進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、縮放和移動，無死角地完成零部件的學(xué)習(xí)[8-9]。作為開放系統(tǒng)，可共享、開放給更多需要專業(yè)知識的群體和個(gè)人。

二、基于移動終端的教學(xué)模式設(shè)計(jì)

（一）基于移動終端的研究型教學(xué)模式

為改善課堂教學(xué)，有很多種教學(xué)手段和方法，比如近年來網(wǎng)絡(luò)上興起的“慕課”和“微課”。“慕課”是一種大規(guī)模的開放式課程，“微課”則側(cè)重于課堂上更小“類度”的知識點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)課程資源共享。“慕課”和“微課”的實(shí)質(zhì)是“接受性學(xué)習(xí)”而不是“探究性學(xué)習(xí)”，與實(shí)體課堂相比，只是翻轉(zhuǎn)了教師講課的時(shí)間和地點(diǎn)[6]。

研究型教學(xué)以教學(xué)和研究相結(jié)合為基本原則，以提高學(xué)生綜合素質(zhì)和自主創(chuàng)新學(xué)習(xí)能力為宗旨，將科學(xué)研究與教學(xué)有機(jī)結(jié)合，形成“研究依托教學(xué)—教學(xué)支持研究—研究反哺教學(xué)”的教學(xué)和科研相結(jié)合的教學(xué)模式。裝甲車輛構(gòu)造與原理課程由具有豐富科研資源的特種車輛研究所來承擔(dān)，可將前沿的研究項(xiàng)目分解降密后以教學(xué)研究項(xiàng)目的形式布置成項(xiàng)目課題，解決傳統(tǒng)構(gòu)造課內(nèi)容陳舊問題，并且可以激發(fā)同學(xué)們的學(xué)習(xí)熱情；將最新的機(jī)構(gòu)、部件原理與結(jié)構(gòu)分解降密后制作成3D 可交互式資源，而不是簡單的圖片、動畫和視頻資源形式，以移動終端的形式共享給學(xué)者，不僅解決課堂時(shí)間不足的問題，而且提高了學(xué)生自主學(xué)習(xí)和個(gè)性學(xué)習(xí)的資源和渠道。

移動終端教學(xué)系統(tǒng)可以作為課前的預(yù)習(xí)，也可以作為課后的復(fù)習(xí)。接受研究項(xiàng)目后，通過移動終端教學(xué)系統(tǒng)了解項(xiàng)目相關(guān)的工作原理、結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，提出問題，作為課上研究交流分享的知識點(diǎn)，推進(jìn)研究項(xiàng)目更深、更廣的方向發(fā)展，形成科研—教學(xué)—科研的良性互動。

移動終端教學(xué)系統(tǒng)作為課堂教學(xué)的有益補(bǔ)充，其側(cè)重于裝甲車輛構(gòu)造中的結(jié)構(gòu)和原理難點(diǎn)、最新裝備及多棲車輛驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)等的結(jié)構(gòu)和原理展示，結(jié)合科研項(xiàng)目開展研究型教學(xué)，因人而異，因材施教，起到拋磚引玉、畫龍點(diǎn)睛的作用。

（二）3D 交互的突出作用

文字、圖片和視頻是通常的教學(xué)內(nèi)容展示形式，一般來說，基本上能夠完成教學(xué)內(nèi)容。但是，對于復(fù)雜的機(jī)構(gòu)、零部件，圖片和視頻的表現(xiàn)力就不足了。比如，行星變速箱結(jié)構(gòu)緊密，一張圖片僅能展示一個(gè)方向的視圖，視頻僅能按制作展示某些方面，不能想展盡展。而且千人同面，不能因人而異，因材施教。3D 交互就可以實(shí)現(xiàn)隨心所欲地展示任何細(xì)節(jié)。借助移動終端，每個(gè)人可以自主地隨時(shí)隨地完成自己關(guān)注內(nèi)容的學(xué)習(xí)。

（三）基于移動終端的教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.系統(tǒng)功能

該裝甲車輛移動交互式教學(xué)系統(tǒng)含以下功能：

（1）用戶注冊、登錄、手機(jī)動態(tài)密碼登錄。

（2）裝甲車輛系統(tǒng)或部件選擇，從推進(jìn)系統(tǒng)、防護(hù)系統(tǒng)、武器系統(tǒng)和綜合電子信息系統(tǒng)，逐層向下到具體的部件，并可以與時(shí)俱進(jìn)更新新的部件。為了更好地發(fā)揮多媒體的優(yōu)勢，系統(tǒng)主要完成教學(xué)難點(diǎn)的復(fù)雜部件進(jìn)行設(shè)計(jì)。系統(tǒng)內(nèi)容框架如圖1 所示。

圖1 裝甲車輛交互式教學(xué)系統(tǒng)部件層次結(jié)構(gòu)

（3）裝甲車輛部件的原理展示。

（4）裝甲車輛部件的結(jié)構(gòu)展示，通過觸屏可進(jìn)行部件的移動、旋轉(zhuǎn)、縮放及爆炸等操作，進(jìn)行觀看。

針對裝甲車輛構(gòu)造與原理課程，傳統(tǒng)的軟件主要是通過文字、圖片和視頻來展示部件的工作原理和結(jié)構(gòu)組成，很少有采用交互動畫來實(shí)現(xiàn)的。本系統(tǒng)軟件基于移動網(wǎng)絡(luò)，在文字、圖片和視頻之外，增加3D 交互模型動畫來展示部件的工作原理、結(jié)構(gòu)組成、能量流動和液體流動等，可以實(shí)現(xiàn)對3D 模型的放大、縮小、旋轉(zhuǎn)、高亮顯示及爆炸展開等操作，這是本軟件基于移動網(wǎng)絡(luò)開發(fā)的最重要的創(chuàng)新點(diǎn)。

2.系統(tǒng)組成

系統(tǒng)由服務(wù)器和APP 客戶端兩部分組成。服務(wù)器端程序，負(fù)責(zé)用戶注冊、登錄、信息的記錄及統(tǒng)計(jì)功能。客戶端程序，負(fù)責(zé)用戶登錄，裝甲車輛部件的選擇、原理展示、結(jié)構(gòu)展示。結(jié)構(gòu)展示可實(shí)現(xiàn)爆炸、移動、旋轉(zhuǎn)和縮放等功能。服務(wù)器和系統(tǒng)之間通過HTTP 協(xié)議進(jìn)行通信數(shù)據(jù)。

三、交互教學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

（一）系統(tǒng)架構(gòu)

綜合考慮系統(tǒng)的數(shù)據(jù)量及運(yùn)行方式，可以采用以客戶端APP 運(yùn)算為主，采用C/S 架構(gòu)（圖2）。

圖2 軟件系統(tǒng)運(yùn)行模式

C/S 架構(gòu)模式下，當(dāng)有新的部件及內(nèi)容更新的時(shí)候，會將更新內(nèi)容打包后，放到服務(wù)器上，客戶端APP 進(jìn)入系統(tǒng)后，會先檢查是否有資源更新，如果有更新，將會自動下載新的資源包到客戶端（手機(jī)或平板電腦），如果沒有，將直接進(jìn)入系統(tǒng)。下載資源包前會有流量和數(shù)據(jù)量提示。

（二）邏輯功能設(shè)計(jì)

裝甲車輛構(gòu)造與原理的教學(xué)內(nèi)容豐富，包括武器系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)、防護(hù)系統(tǒng)、電器及通訊系統(tǒng)和綜合電子信息系統(tǒng)5 大系統(tǒng)，系統(tǒng)下面又分為各個(gè)分系統(tǒng)、子系統(tǒng)和部件等，以推進(jìn)系統(tǒng)為例，其是車輛的主要部分，包括動力系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)和行動部分等，傳動系統(tǒng)有離合器、變速箱、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和制動裝置等，各種部件又有各種類型。

坦克裝甲車輛的結(jié)構(gòu)樹（圖3），其中只針對傳動的轉(zhuǎn)向分支進(jìn)行了展開。從圖3 中可以看出，裝甲車輛的部件數(shù)量是非常龐大的。邏輯功能設(shè)計(jì)中，包括登錄、搜索、部件選擇、文字瀏覽、圖片瀏覽、放大及縮小和視頻播放等，內(nèi)容展示方式多種多樣，主要以動畫展示系統(tǒng)工作原理和以3D 交互操作方式展示零部件結(jié)構(gòu)（圖4）。

圖3 裝甲車輛結(jié)構(gòu)樹

圖4 系統(tǒng)的邏輯功能

（三）軟件開發(fā)

開發(fā)軟件采用Unity3D 軟件。

Unity3D 是由Unity Technologies 開發(fā)的一個(gè)讓玩家輕松創(chuàng)建諸如三維視頻游戲、建筑可視化和實(shí)時(shí)三維動畫等類型互動內(nèi)容的多平臺的綜合型游戲開發(fā)工具，是一個(gè)全面整合的專業(yè)游戲引擎。

下面以某個(gè)部件的3D 交互展示為例，介紹軟件的主要使用過程。

（四）系統(tǒng)實(shí)施與測試

基于移動網(wǎng)絡(luò)建立的裝甲車輛交互教學(xué)系統(tǒng)按照設(shè)計(jì)搭建了完整的軟件框架，以液力變矩器和換擋同步器為典型部件，完成軟件的流程。

1.登錄注冊

功能：進(jìn)入系統(tǒng)后需先進(jìn)行登錄驗(yàn)證以提高系統(tǒng)安全性能。

已注冊賬號登錄時(shí)通過手機(jī)號碼、密碼進(jìn)行登錄；點(diǎn)擊發(fā)送驗(yàn)證碼后可使用驗(yàn)證碼替代密碼，驗(yàn)證碼生效期間，優(yōu)先級高于密碼。

2.裝甲車輛部件選擇

功能：選擇裝甲車輛部件。

顯示系統(tǒng)所含有的裝甲車輛部件裝置基本信息。可通過名稱搜索裝甲車輛部件名稱。

3.裝甲車輛部件結(jié)構(gòu)

功能：選擇裝甲車輛部件以進(jìn)入裝甲車輛部件詳情頁面，可通過點(diǎn)擊裝甲車輛部件菜單按鈕對裝置進(jìn)行相關(guān)操作（圖5）。

圖5 部件結(jié)構(gòu)菜單操作

選擇工作原理，可以以動畫方式展示部件的工作原理。

選擇炸開時(shí)，裝置會散開為零部件，之后炸開選項(xiàng)變更為還原；選擇還原時(shí)，裝置會從零部件組合，之后還原選項(xiàng)變更為炸開（圖6）。在零件結(jié)構(gòu)圖中可以選擇某個(gè)零件進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、放大及縮小展示。圖7 和圖8 即為變矩器泵輪不同方向的展示。零部件的任何細(xì)節(jié)，都可以按照操作者的意愿來顯示。

圖8 零件精細(xì)化展示（2）

四、結(jié)束語

為了提高裝甲車輛構(gòu)造與原理課堂教學(xué)效果，應(yīng)用研究型和項(xiàng)目制教學(xué)模式，結(jié)合翻轉(zhuǎn)課堂，來激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性。采用一種移動互動式教學(xué)模式，實(shí)現(xiàn)在任何時(shí)間和任何地點(diǎn)，利用碎片化的時(shí)間完成坦克裝甲車輛構(gòu)造與原理的研究項(xiàng)目的課前與課后學(xué)習(xí)。基于移動網(wǎng)絡(luò)和3D 交互技術(shù)，開發(fā)了移動式裝甲車輛交互開放式教學(xué)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可安裝在基于安卓或IOS 系統(tǒng)的手機(jī)和平板電腦上，具備登錄注冊、選擇部件、原理動畫和結(jié)構(gòu)展示等功能，學(xué)者在移動終端上通過觸屏對機(jī)械部件進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、縮放和移動，無死角地完成零部件的學(xué)習(xí)；系統(tǒng)可隨內(nèi)容的更新不斷擴(kuò)展。移動式裝甲車輛交互教學(xué)系統(tǒng)為學(xué)者了解和學(xué)習(xí)裝甲車輛構(gòu)造與原理提供了方便、快捷的學(xué)習(xí)途徑和內(nèi)容，有力地推進(jìn)裝甲車輛構(gòu)造與原理的項(xiàng)目制研究型教學(xué)改革，提高了教學(xué)效果。