弹药保障虚拟仿真实验教学平台构建与应用

蔡军锋 宣兆龙 武洪文

军械工程学院弹药保障与安全性评估实验室 河北石家庄 050003

弹药保障虚拟仿真实验教学平台构建与应用

蔡军锋 宣兆龙 武洪文

军械工程学院弹药保障与安全性评估实验室 河北石家庄 050003

针对弹药燃烧爆炸等特性，为解决弹药保障实验教学中高危操作不可及、作用过程不可逆、实装教学风险大等问题，依托虚拟现实与多媒体技术，融合多种互动硬件设备，构建了弹药保障虚拟仿真实验教学平台；以虚拟仿真实验教学平台为基础，整合教学资源，开设了知识强化、技能培训、综合应用、研究创新四类虚拟仿真实验，在提升弹药保障试验教学能力，提高应用型、复合型、创新型人才培养质量等方面，发挥着极其重要的作用。

弹药保障；实验教学；虚拟仿真

实验教学是军队院校培养高素质军事人才的重要实践性环节，它对学员巩固和加深对理论知识的理解，锻炼在实践中发现问题、分析问题以及解决问题的能力具有重要作用。［1，2］但是由于受实验环境、实验条件以及实验成本等因素的影响，一些实验过程不可及或不可逆的操作以及高成本、高消耗的实验教学不能有效开展，制约了学员实践能力的提高。［3］随着虚拟仿真技术的发展，虚拟仿真在实验教学中应用越来越广泛，它在培养学生的实践能力、研究能力、创新能力、综合素质等方面有着其他教学环节所不能替代的独特作用。［4］

我院弹药保障与安全性评估实验室是专门从事弹药保障人才培养，弹药保障与安全科学研究于一体的综合性实验室。［5］实验室2012年被评为国家级实验教学示范中心，2014年被评为国家级虚拟仿真实验教学中心，成为目前国内唯一从事弹药保障人才培养的专业类综合性实验教学中心。在虚拟仿真实验教学中心建设过程中，针对弹药燃烧爆炸等特性，为解决弹药保障实验教学中高危操作不可及、作用过程不可逆、实装教学风险大等问题，中心依托虚拟现实与多媒体技术，融合多种互动硬件设备，构建了弹药保障虚拟仿真实验教学平台，在提升弹药保障试验教学能力，提高应用型、复合型、创新型人才培养质量等方面，发挥着极其重要的作用。

1 弹药保障虚拟仿真实验教学平台建设需求

虚拟仿真技术是现代计算机技术与专业理论知识多方面结合的产物，通过计算机强大的数据计算与处理能力，对相关专业实验对象进行可控可视化的虚拟仿真，以完成研究相关结构、功能、行为以及用户的思维过程和行为动态性的模拟，并实现一个可视化的操作环境，通过操作这些虚拟仿真的实验被控对象，即可进行各种实验，达到与操作真实的实验被控对象相同的目的。［6］

现代战争是基于信息系统的体系作战，体系对抗和武器系统的高度融合，对弹药保障的系统性要求越来越高，对弹药保障人才素质提出了更高的要求。就弹药保障实验教学来说，随着时代进步和科技发展，以下三方面的特点越来越突出：一是随着高新技术特别是复合增程技术、简易修正技术、制导与控制技术等在弹药装备的广泛应用，新型智能弹药不断研制并装备部队，由于这些装备结构复杂、性能先进、价格昂贵，在开展实装实验教学方面存在很大难度。［6］二是在弹药储供保障训练方面，在训练场地、训练设备设施、训练人员组织方面提出更高的要求，实装实训组织难度较大。三是由于弹药具有的燃烧爆炸特性，使其易受环境作用力影响而发生意外燃烧爆炸事故，一旦发生弹药爆炸事故，将会造成不可预估的严重危害，弹药安全检测以及安全性性评估实装教学存在较大的安全风险。因此，弹药装备的复杂构造组成、弹药装药的快速燃爆特性，弹药保障训练条件要求高等特性对开展弹药保障虚拟仿真实验教学提出了现实要求。

2 弹药保障虚拟仿真实验教学平台的构成与功能

虚拟仿真实验教学平台是开展虚拟仿真教学训练的基础和重要支撑，在先前实验教学中心建设过程中，针对不同实验科目先后购置了相关仪器设备，开展了一些虚拟仿真实验教学，但由于没有按照体系建设规划，涉及的服务器、半实物仿真装备、仪器等分散在不同实验室，相互不能互联互通，影响了整个虚拟实验教学平台的作用发挥。鉴于此，实验教学中心系统梳理了虚拟仿真实验教学平台需求，依照“调整、完善、提高”的建设方针，对实验室整个虚拟仿真试验设备、仪器及系统进行了规划，构建了弹药保障虚拟仿真实验教学平台。

2.1 弹药保障虚拟仿真实验教学平台的构成

弹药保障虚拟仿真实验教学平台的逻辑结构如图1所示。以校园网和军事综合训练信息网为基础，整个系统分为服务器群、本地实验室、远程实验室三大部分。服务器群由实验室服务器、实验教学支撑系统、教员管理终端组成，具有实验教学资源管理、实验室虚拟仿真实验和实验教学演示等功能，是实验教学平台的核心组成部分。本地实验室由实验室终端及相关仪器设备组成，主要提供本地虚拟仿真实验和基于仪器设备的半实物虚拟仿真实验功能。远程实验室通过网络与实验室服务器群相联结，远程用户通过浏览器登录实验室服务器，可以进行相关虚拟仿真实验。平台采用B/S与C/S结构相融合的构架，提供由实验目的、实验原理、实验步骤、实验操作、实验报告等构成的在线虚拟实验教学，并通过学号/密码方式实现学员的访问控制及实验管理，有效减轻教员管理工作量。同时，实验教学支持系统集成教学课件、实验工具箱、实验考核等功能，实现资源访问的个性化定制。教学平台集成融合软硬件系统，根据实验教学规律和弹药保障全寿命工作特点，构建了涵盖弹药结构原理、质量监控、储供保障、维修销毁、安全防护等五个教学内容模块，满足了弹药保障实验教学的需要。虚拟仿真实验教学平台功能结构如图2所示。

图1 虚拟仿真实验教学平台结构示意图

图2 虚拟仿真实验教学平台结构示意图

2.2 弹药保障虚拟仿真实验教学平台的功能

实验教学平台拥有强大的实验教学管理功能，包括虚拟实验、实验资源、实验管理、实验交流、学员中心、系统管理六大部分，提供网上虚拟实验、实验资源共享、实验组织管理、实时实验指导、学员信息维护等功能，实现实验资源的集中管理和开放共享。虚拟仿真实验教学平台管理系统功能框图如图3所示。

图3 虚拟仿真实验教学平台管理系统功能框图

虚拟实验模块提供虚拟实验的入口，按知识强化、技能培训、综合应用、研究创新四类实验类型提供虚拟实验项目，同时提供课程与实验项目关联表。实验资源模块按多媒体课件、应用软件、仿真案例等分类提供信息资源的浏览、下载功能，并提供信息资源的上传功能。上传的信息资源经系统管理员审核后列入相关栏目。实验管理模块主要包括实验计划安排、实验成绩评定等内容。由教员实现在线化的实验计划安排、系统化的自动批阅、集中化的成绩管理等功能。实验交流模块主要包括发表话题、经验交流、个人作品以及实验问题4个栏目，为用户进行实验互动提供平台。登录后的用户可以选择发表话题，其他人员参与讨论交流，也可查阅其他人员发起的经验交流、实验问题等话题，并发表个人的意见。学员中心主要包括个人信息、必修实验、选修实验以及实验交流情况，学员在登录后可修改个人密码等信息，可在必修实验规定的报告完成时限前进行修改提交，也可将完成的选修实验报告提交教员检查。系统管理模块主要包括学员管理、教员管理、信息发布、资源管理、实验统计等内容。系统用户区分系统管理员、教员以及学员3个角色，分别拥有不同的权限。实验课程教学班次的学员由系统管理员根据名册进行注册，教员和其他学员实名提交注册申请，由系统管理员核准。信息发布的主要内容包括实验计划、实验成绩、实验中心相关新闻等。资源管理主要是对虚拟实验设备、虚拟实验项目以及相关实验资源进行维护。

3 弹药保障虚拟仿真实验教学平台在任职教育中的应用

根据弹药保障与安全性评估实验教学示范中心实验实践教学需求，针对弹药燃爆特性，为解决实验教学中高危操作不可及、作用过程不可逆、实装教学风险大等问题，中心设计研制开发了知识强化、技能培训、综合应用、研究创新四类虚拟仿真实验，可支撑实验教学示范中心20门课程的实验教学，起到夯实基础理论、强化技能培训、激发创新能力的作用。

3.1 知识强化型虚拟仿真实验应用

知识强化型虚拟仿真实验主要根据学员专业基础理论的认知规律，为了深化对所学知识的理解与掌握，打牢专业技术基础，针对弹药装备结构复杂、原理抽象、尺寸配合精度高、连接形式多样、动作过程瞬态、运动过程相互关联等特点而开发的。实验项目采用三维仿真软件开发弹药五大元件的三维结构原理模型，开展了以三维结构展示、原理作用过程演示、虚拟分解结合为主要内容的虚拟仿真实验教学。学员通过立体、实时、动态地演示复杂的弹药结构原理，观察瞬态的弹药作用过程和苛刻的作用环境条件等，加深学员对弹药结构、装配关系、工作原理、作用过程的认知和理解。

3.2 技能培训型虚拟仿真实验应用

技能培训型虚拟仿真实验主要针对弹药燃爆特性和弹药保障“严慎细实”的工作特点，为培养岗位实践操作技能，强化弹药工作的规范意识和安全意识而开发的。实验项目主要包括弹药储存安全性检测虚拟仿真实验、作用可靠性检测虚拟仿真实验，采用Flash动画设计软件、Match CAD、3Dmax/Maya三维建模软件以及Unity 3D编程软件，实现了交互示教和实验操作即时训练，在确保人员和实验室安全的前提下，让学员加深理解和全面掌握教学内容，提高了学员的操作动手能力。

3.3 综合应用型虚拟仿真实验应用

综合应用型虚拟仿真实验针对弹药保障训练需要空间场地大、设备设施多、协同作业人员广和操作环节复杂等特点，利用3Dmax/Maya软件，建立虚拟的沉浸作业环境和三维、动态、实时的人机交互作业过程，解决在实装保障教学训练难点问题，培养学员综合运用所学基础理论和专业知识分析解决实际问题的能力。

3.4 研究创新型虚拟仿真实验应用

研究创新型虚拟仿真实验主要围绕提高学员综合运用所学知识探索弹药新概念新原理、创新解决部队实际问题的能力而灵活设置。按照坚持学员主体与教员指导相结合、探究学习与创新运用相结合、课内与课外相结合的实验教学理念，鼓励广大学员利用虚拟仿真平台参加国家级科技创新大赛和学院“创新杯”科技竞赛、“五小”科技制作、毕业设计、中心自设专项课题研究等综合性实践活动，让学员自主选择题目、自主设计方案、自主开展实验、自主探索规律，启迪学员科学思维，激发学员创新意识。

4 结束语

弹药保障虚拟仿真实验教学中心将虚拟仿真技术引入实验室教学平台建设，构建了以校园网络为基础、以实验软件为支撑、以开放共享为牵引、以学员自主实验为目标的教学平台，以平台为基础，开设了知识强化、技能培训、综合应用、研究创新四类虚拟仿真实验，培养了学员的掌握知识能力、应用动手能力、独立思考能力、综合设计能力、创新思维能力，有力促进了信息化教学改革。

［1］ 刘志辉.军队院校教育改革和发展问题研究［M］.北京:国防大学出版社，2004.

［2］ 王海洋.军队院校实验室建设的对策性思考［J］.实验室研究与探索，2004，23（9）:104-107.

［3］ 王卫国.虚拟仿真实验教学中心建设思考与建议［J］.实验室研究与探索，2013，32（12）:5-8.

［4］ 陈萍，周会超，周虚.构建虚拟仿真实验平台，探索创新人才培养模式［J］.实验技术与管理，2011，28（3）:277-279.

［5］ 雷彬，蔡军锋.军队院校实验室建设的探索与思考［J］.实验技术与管理，2012，29（10）:191-192.

［6］ 李平，毛昌杰，徐进.开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设，提高高校实验教学信息化水平［J］.实验室研究与探索，2013，32（11）:5-8.

［7］ 蔡军锋，宣兆龙，武洪文.构建装备环境实验教学平台的探索与实践［J］.实验技术与管理，2014，31（11）:198-200.

Construction and Application of Ammunition Support Virtual Simulation Experimental Teaching Platform

Cai Junfeng， Xuan Zhaolong， Wu Hongwen
Ammunition Support and Security Evaluation Laboratory， Ordnance Engineering College， Shijiazhuang， 050003， China

According to the characteristics of ammunition cmbustion and explosion， the ammunition support virtual simulation experimental teaching platform is constructed to solve the problems of high risk and irreversible process of ammunition experiment teaching by relying on the virtual reality and multimedia technology， and the integration of a variety of interactive hardware equipment. The virtual simulation experiment of the cognitive type， operation type， exercise type and research type are opened with the platform. The platform play an extremely important role in enhancing the ammunition support and safety assessment experimental teaching ability and improving innovative talent training quality.

ammunition support； experimental teaching； virtual simulation

2015-04-27

蔡军锋，博士，讲师。