国防工程专业课程虚拟情景仿真教学运用问题探究

蔡艳平　　王涛　　冯国彦　　李艾华　　石林锁

（火箭军工程大学 五系，陕西 西安 710025）



国防工程专业课程虚拟情景仿真教学运用问题探究

蔡艳平王涛冯国彦李艾华石林锁

（火箭军工程大学 五系，陕西 西安 710025）

摘要：国防工程管理专业的专业课程，具有课时较少，课程授课内容多，知识覆盖面宽，实践操作性要求高的特点。传统的课堂灌输式教学，学生缺乏兴趣，且理论与实践脱节，教学效果欠佳。传统教学模式已不能满足实际需要，迫切需要一种现代化的教学方法来代替传统纯理论讲授模式。文章围绕虚拟情景仿真教学法在国防工程教学实践中的应用进行研究，以培养学员的综合实践能力为目标，具有非常重要的现实意义。

关键词：国防工程；虚拟情景仿真；教学；模块；设计

引言

国防工程管理专业的专业课程，由于其自身的特点，需要克服以下教学难题：一是课程授课内容多，知识覆盖面宽，前期课程学时较少，教学形式主要以课堂理论授课为主，手段比较单一，需要改革教学手段和教学模式；二是为解决课程无实验的不足，突出理论与实践的结合，提出虚拟情景仿真教学模式和方法，以培养学员的真实感知能力、实际动手能力和工程应用能力；三是由于学员课内学时少，而课程信息量大、无课外自学平台，学员难以很好掌握课程内容，教学效果不好，因此需要拓展教学空间，开发虚拟情景仿真教学系统，以弥补课堂教学不足。因此，在国防工程管理专业的专业课程中运用情景教学，创设与教学内容相适应的具体场景或氛围，引发学生的情感体验，使其快速且正确地理解教学内容，提高教学效率，无疑是一种有益的尝试。

一、虚拟情景教学功能设计

为适应国防工程人才培养需求，对国防工程课程的虚拟情景教学功能设计如下：（1）构建国防工程综合信息管理系统所有设备的三维模型，实现国防工程综合信息管理系统及设备的虚拟管理和交互式训练功能；（2）开发面向学员培养目标的装备虚拟情景教学功能，实现教学、训练、自测、考核等不同训练模式下的教学内容和模式优化，解决不同功能需求和教学目标的国防工程综合信息管理系统教学问题；（3）突破空间、时间的限制，实现逼真的装备虚拟分解与装配、检修流程、维修训练、操作、考核的全过程三维动态模拟仿真，用虚拟训练的方法解决国防工程综合信息管理系统的教学训练难题；（4）按照熟悉、获取、实践、确认的认知模型，将国防工程综合信息管理系统的教学训练过程分为讲解演示、自主学习、引导式训练、自主训练、自测、考核等过程，开拓国防工程综合信息管理系统“以软代实、以虚代实、虚实结合”的新型训练模式。国防工程综合信息管理设备及系统的虚拟情景教学功能如下：

（1）能将综合信息设备及系统的三维立体模型按照实物结构进行展示，实现设备总成所有零部件的全景显示，并能从任意角度和以任意比例进行浏览，实现设备零部件认知。

（2）能实现综合信息设备及系统工作过程仿真功能，能展示综合信息设备及系统外部无法观察的电气关系、控制关系、关联关系以及信息流传递关系。

（3）能实现综合信息设备及系统虚拟接线功能，能实现按照接线工艺流程所规定的顺序设置接线步骤和关卡，引导学员对综合信息设备及系统进行接线操作。

（4）能实现综合信息设备及系统检查测量调整功能，能自动演示各检查调整项目的步骤和操作过程，使学员尽快了解受训内容，指导学员严格按照综合信息设备及系统维护的技术要求，进行强化训练。

图1本项目虚拟情景仿真教学模块组成

二、虚拟情景仿真教学模块开发

“国防工程综合信息管理系统”虚拟情景仿真教学模块在传统的信息管理系统教学基础上通过计算机中的虚拟场景和运动仿真，可实现以逼真自然的方式与虚拟环境中的国防工程综合信息管理系统对象进行交互操作，突破了传统教学中理论知识难以理解，工作流程难以掌握，教学无法深入实装现场的限制。虚拟情景仿真教学模块的教学功能主要分为环境监控子系统、火灾报警子系统、音视频监控子系统、门禁控制子系统、周边警戒子系统、智能广播子系统、综合管理平台和相关资源8大模块。图1为虚拟情景仿真教学模块组成。

三、虚拟情景教学模式设计

按照熟悉、获取、实践、确认的认知模型，可以将国防工程综合信息管理系统教学过程分为熟悉和掌握知识和技能、实践练习和操作能力确认，即可以用学习——练习——考核来简单描述课程学习过程，进一步可分解为讲解演示——自主学习——引导式训练——自主训练——自测——考核。图2给出了学员对国防工程综合信息管理系统的认知流程。

图2学员对国防工程综合信息管理系统的认知流程

（一）讲解演示模式设计

国防工程综合信息管理系统教学过程中的讲解演示过程不仅是装备操作、使用、维护过程在虚拟环境中的表现过程，同时也是体现教员教学意愿、学员训练意愿，表达训练内容中知识信息形成、稳定、巩固的教学过程。讲解演示训练模式下学员学习活动示意图如图3所示，讲解演示模式下的教学界面如图4所示。

图3讲解演示训练模式下学员学习活动示意图

图4讲解演示模式下的教学界面

讲解演示内容一般不会严格按照拆装过程组织，而是抽取拆装过程中的知识点进行说明和强调。以虚拟分解结合为例，讲解的重点在于分解结合的程序、重要的操作步骤、重要的操作流程、特殊的拆装操作等。

（二）引导教学模式设计

引导式教学训练是指学员在教员或系统的提示和引导下完成实践活动的训练方式，其过程与实际装备操作过程基本一致，不同点在于存在引导和提示信息。该模式下装备虚拟操作训练过程的关系示意如图5所示，引导训练模式下的教学界面如图6所示。

图5引导式训练模式下装备虚拟操作训练过程示意图

图6引导训练模式下的教学界面

（三）自主教学模式设计

自主教学训练模式下，不对学员的操作过程进行控制，完全根据虚拟装备的约束状态和交互特性自主地做出响应。该模式下，学员的交互任务与装备实际操作中的交互基本一致，不同的是此时学员可以寻求帮助，获取操作提示或演示。该模式下的教学训练过程示意如图7所示，自主训练模式下的教学界面如图8所示。

图7自主训练模式下教学训练过程示意图

在本项目中，国防工程综合信息管理系统虚拟情景仿真模块对装备操作过程的虚拟仿真，辅助以位置、音频、视频、三维模型等素材，设计并开发具体训练模式。训练实施时，学员利用系统提供的具体装备不同拆装训练模式开展训练，获取拆装知识，达到训练目的。

四、虚拟情景仿真教学中应把握的问题

虚拟情景仿真教学在实施过程中，要把握重点，要根据学员的任职要求、认知水平、自身特点等相关因素，综合考虑教学内容的难易、详细程度，不断地在实践中了解情况，认真总结分析，明确情景式教学实施时的教学环节，切忌虚拟情景泛滥化。同时，要注重教学督导反馈，并及时征求学员的意见建议，不断改进方法，这就要求教员必须全身心地投入到教学工作中，认真拟定教学计划、编写教案、设计课程、开发情景仿真教学模块，通过这些工作，一方面把教员主导作用充分地发挥出来，促进教员不断更新教学内容，改进教学方法，提高教学水平。另一方面发挥学员主体作用，学员利用情景仿真教学模块集体学习、讨论、操作比赛，提高学习的兴趣，增强了求知欲望。主导和主体作用在教学活动中互相作用，教学相长，既推进了教，又深化了学，最终实现了传授知识的目的。图9为国防工程综合信息管理系统虚拟情景仿真教学应用。

图8自主训练模式下的教学界面

图9国防工程综合信息管理系统虚拟情景仿真教学应用

参考文献

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中图分类号：G642

文献标志码：A`

文章编号：2096-000X（2016）14-0105-03

作者简介：蔡艳平（1982-），男，湖北孝感人，博士生，从事机电设备状态检测及故障诊断、智能控制及自动化仪器仪表方面的研究工作。

Abstract:Defense engineering management major professional courses，have less class hour，more curriculum teaching content，wide breadth of knowledge.，higher practical operational requirements.Traditional classroom force-feeding teaching methods lead students lack of interest，and the theory and practice out of touch，teaching effect is poor.The traditional teaching mode can not meet the actual needs，it is urgent to need a modern teaching method to replace the traditional pure theory teaching mode.In this paper，the application of virtual scene simulation teaching method in the teaching practice of national defense engineering is studied，in order to cultivate students'comprehensive practical ability as the goal，which has a very important practical significance.

Keywords:defense engineering；virtual scene simulation；teaching；module；design