浅析虚拟仿真技术在海军院校教学中的应用

杨自春+张磊+陈国兵

摘 要：海军贴近实战，瞄准打赢的新军事变革正迫使海军院校加快培养现代化、信息化条件下的新型军事人才，现代教育技术手段不断融入军校教学领域，很好地顺应了这一发展趋势。本文首先剖析当前海军院校教学面临的教学模式与部队实战化需求错位、教学设备滞后于实战化装备、实训教学开设困难、教学活动受限于时间和空间等问题。然后，贴合海军院校教学的特点，将虚拟仿真技术融入到院校教学中，探讨了虚拟仿真技术在海军院校理论课教学、实训课教学、学员创新能力培养中的应用，为解决当前教学中存在的不足，适应新形势的军事院校教学改革开辟了一条新思路。

关键词：虚拟仿真；海军院校；教学

中图分类号：G726 文献标识码：A

近年来，海军装备不断推陈出新、海军和平时期使命任务呈多元化发展如海外护航、撤离侨民、联合演习等，对建设海军新型高素质军事人才赋予了新的时代内涵。时代发展的新形势正迫使海军院校加快培养现代化、信息化条件下的新型军事人才。尤其在全军十五次院校会议之后，任职教育在海军院校教育中的占比呈快速增长的态势，培养能打仗、打胜仗的军事人才已成为海军院校的当务之急。

应用现代化技术为基础的教学，能够革新海军院校的教育内容、方法，适应时代发展的需求。虚拟仿真技术作为现代化教学的重要手段，是实现海军院校教育改革的强有力支撑。世界发达国家军事院校作为依托虚拟仿真技术教学的先行者，积累了丰富的经验并取得了很大的成效。以美国军事院校为代表的欧美国家十分重视利用模拟仿真手段开展教学活动，美国海军院校使用计算机模拟装备对实装系统进行复制，使学员可以在高度真实的虚拟仿真环境中对装备进行认知、操作、维修等；对海军飞行员培养过程中采用浸入式模拟驾驶方式，让学习和训练打破时间和空间限制；现代化的模拟器还被用于潜艇和水面舰艇学校，已建成了驾驶训练模拟设备，学员可以模拟在低能见度等复杂海况时舰只安全进出港，美军院校还试图利用现代化手段建立“海上课堂”。俄罗斯库兹涅佐夫海军学院建立“海洋”计算机虚拟仿真演习系统，该系统可以让学员与教员进行对抗演习，既可进行单舰、单艇的战术对抗，也可进行舰队和海上舰艇编队司令部的合练。通过训练和演习，加强学员对世界各海区作战情况的认识，极大提高学员的实战和指挥能力。

虚拟仿真技术的应用为海军院校教学的改革开辟了一条新思路。为此，本文首先剖析海军院校教学的现状及存在的问题。然后，具体探讨虚拟仿真技术在海军院校理论教学、实践教学和学员创新能力培养中的应用。

一、当前海军院校教学中存在的不足

（一）当前教学模式与部队实战化需求错位

随着我国海军发展步伐由近海向远洋的加速推进、海军的新装备不断入役、使命任务不断调整，急需能够适应海军发展的新型军事人才。但现在军校基本还是沿用以前的教学体系，此教学体系已不能适应海军岗位需求的变化。当前的军校教育仍存在重理论，轻实践的现状，教员只能花费大量的时间进行理论讲授，导致讲课的效率比较低，学员的理解也往往是一知半解。虽然全军院校对任职教育的研究逐渐深入，但任职教育的方式仍然笼罩在传统教学模式的阴影下，这些都与部队的现实需求存在明显错位。在海军高速发展的形势下，各部队求贤若渴，都希望刚从军校毕业的学员能够尽快独当一面。这就要求军校学员刚毕业就要承担起针对性极强的装备操作、维护等工作，满足第一任职的需求。但军校教育中，理论教学和实践教学不匹配，装备实践环节的教学仍然不足，学员没有充分的机会经历针对性强的装备实践教学，很难顺利适应毕业后的第一任职需求。任职教育在海军院校中的地位正日益凸显，但任职教育的多层次、宽口径等特点，也给教育方式提出了新的挑战。任职教育涵盖了士兵、士官、军官等不同层次的教学任务，有些学员因基础差、年龄和心理等特点大多排斥概念、原理方面等陈述性知识，尤其理论偏深的知识点，学员难以理解。对于实际动手实践的课程，这些学员往往有浓厚的兴趣。教学方法和教学手段也没有及时跟上时代发展的步伐，对于一个飞速发展的信息时代，一本教案加一份课件已经不能满足当前军校学员的学习需求。显而易见，当前这种定位不清，不能与时俱进的教学模式，已经难以适应军队发展对新型军事人才的要求。

（二）教学装备的发展与海军实战化装备发展严重滞后

近年来，高等院校的不断扩招以及海军院校任职教育任务日益加重，军校教学仪器和设备的建设却没有跟上不断增长的教学需求。教学仪器设备无论在数量上还是质量上，都存在着明显的滞后性。教学仪器设备短缺使得很多需要教学实践的地方，仅由教员进行演示教学，很难让学员吃透重点、难点。即使能够开出比较复杂和专业性的实验，因设备数量不足，使得众多学员围绕着一台设备，很难让每名学员独自动手操作，呈现出的学习效果参差不齐。随着现代化步伐加快，海军新型装备正不断列装，院校的很多教学仪器设备、软硬件等教学资源，可能刚配置到院校不久，就因新技术变革和人才培养目标的转变而面临“下岗”。院校通过改造升级，可以在一定程度上延续这些教学设备的生命力，但毕竟治标不治本。然而，如果通过重新配置新的教学设备，又会造成本来有限的教学资源浪费，因此如何让老设备焕发新活力，是非常值得研究的问题。同时，由于经费等一些客观条件的限制，很多购置的教学设备尤其是大型教学设备，一般都会使用到报废期限为止，虽然能够满足一些基本的教学功能，但是和现役装备已经相差甚远。另外，一些教学设备在频繁操作以及误操作过程中，若得不到有效的维护和更换，容易使得设备老化，甚至出现破损，严重影响正常的教学活动开展。因此，要达到教育部提出的“院校教学设备保持同期服役装备水平，并具有一定的超前性”要求仍然有很大的差距，这种差距在海军院校中显得尤为突出。

（三）实训教学开设困难

军队院校对实训教学的要求呈日益增加的态势，且实训教学的要求越来越高，但通常因教学装备、教学场地、经费等条件的限制，很多实训教学无法开展，即使开展也难以保证教学效果。为此，很多院校放弃了相关实训课程的建设，这就会造成学员只会纸上谈兵，严重影响学员专业实践能力。以动力工程专业为例，大型动力设备的操作、维护、检修等工作是该专业学员第一任职基本能力需求。但目前院校中基本没有完整运行的此类大型动力设备，操作运行训练无法实现，学员实习时间又有限，根本达不到学习的目的。动力设备的维护、检修，尤其发生在特定的故障条件下，很多故障在正常设备上是难以重现的。这就导致在实际装备运行中，一旦出现故障只能是随机应变、临场决策，这会给装备运行带来很大的不确定性。军校一些实训教学中，会有一些具有危险性的项目，导致实训教学危险性高的问题，比如许多装备需要供电，学员具有潜在的触电危险；武器装备课中的枪械操作，实弹射击训练、火炮射击、导弹发射均具有较大的危险性；大型机电设备操作，在高温、高压、高噪声环境下，也存在较大的危险。在危险环境下进行教学，因学员较多，教员难以全面掌握学员的整个教学过程，给安全问题埋下隐患；学员理论基础知识不牢、安全意识不强等，会造成操作不当而引起严重的安全事故，学员安全意识过强又会导致不敢操作。可见，传统实训教学模式下，教员难以帮助学员掌握岗位需要的工作技能。

（四）时间和空间受限、成本高昂

受到时间和空间的限制，很多教学活动难以有效地开展。一方面，一些教学活动很难在短时间内完成，比如舰艇动力设备的热力监控，装备振动、噪声监控教学过程经过数小时才能观察到结果；舰艇蒸汽动力推进系统运行管理的教学，需要综合考虑设计工况、特殊工况等，整个学习过程需经过几天时间才能认识动力系统的内在规律；舰艇典型设备的操作、舰艇操纵训练等往往要几个月的时间；还有一些核潜艇的核反应堆相关教学需要几十年甚至上百年才能观察的变化过程。另一方面，教学过程可能难以深入到事物或对象的内部，观察内部结构，不利于学员对所学内容的理解，如核反应堆内部结构组成、各组件的连接情况以及运行过程中各部件的功能实现、相互之间作用形式。受空域和场地限制、成本等限制，一些教学训练真实场景不易还原，如舰艇在不同海区，不同季节、海况下航行特点的教学。现代的课堂教学涵盖了小到原子，大到宇宙天体，许多知识点都是抽象的，传统的课堂教学很难让学员深入理解。

二、虚拟仿真技术在海军院校教学中的应用

当前海军院校教学中存在的不足限制了新形势下诸多教学活动的有效开展，不能很好地适应军校人才培养的新目标，教员和学员都在呼唤新型教学模式的出现。依托虚拟仿真技术的教学模式的发展，为军校教学的改革带来了新的契机。虚拟仿真技术是用计算机和专用设备等工具，模拟现实世界的物体、系统运行规律、环境的技术，具有多感知、临境感，交互性、自主性等特点。因此，虚拟仿真技术在教学中的应用可以为教员和学员塑造一个全新的教与学的环境，可贯穿基础理论课、专业基础课、实践教学课等整个教学课程体系，并覆盖本科学员、任职教育学员、研究生等所有的学习群体。

（一）虚拟仿真技术在海军院校理论课教学中的应用

军校理论基础课的知识内容涵盖面广，知识重点、难点和抽象的概念较多，学员不易理解。以虚拟仿真技术配合理论课教学，能提供图文并茂、形声兼备和丰富多彩的多种感官综合刺激，将抽象问题形象化、复杂问题简单化，让学员从思维、情感和行为三个方面参与教学活动，既可以让学员深刻地理解理论知识的要点，又能够吸引学员主动探索知识。比如，基础课学习阶段，数学、物理、化学等课程都可以加入虚拟仿真内容，加深学员的理解。数学课上公式比较多，很多公式有其对应的物理意义，此时可通过仿真以曲线、波形等可视化的方式直观表现出来；物理课上，能和功的转换，振动理论中的节点、频率、振幅等概念，化学课上的布朗运动等知识点都可以用生动形象的仿真动画来模拟。

随着军校人才培养目标向培养新型综合素质军事人才的转变以及海军装备加速列装，迫使学员要在更短的时间内掌握扎实的专业基础知识。军校专业基础课特别是舰船装备相关课程，一般都是针对具体装备需要，这就要求学员对具体装备或系统有一定整体、深入的认知。因此，教员通常安排学员对实装进行结构认知，因时间有限、没有理论作为支撑，学员往往是走马观花，对学习对象看不透、看不全。许多理论知识需要结合实装进行讲解，又不可能将大型设备、整个系统搬到课堂上，这很容易导致学员学习不深入。虚拟仿真技术可以模拟小到原子，大到天体几乎所有学习对象，能够逼真的呈现出装备仿真实体模型和分处于不同空间的系统，真正实现将大型设备或系统搬上课堂。学员可以360°全方位对学习对象进行仔细观察，还可从整体到局部，从外部到内部进行更加深入的认知，做到了对学习对象看透、看全。并且能够让学员一目了然的看清设备各个组件以及尺寸、质量等参数。更重要的是，仿真实体模型让理论讲授和实装无缝对接，这样的教学环境可以大大的激发学员的学习兴趣。

（二）虚拟仿真技术在海军院校实训课教学中的应用

1.虚拟仿真技术在设备虚拟拆装、运行和检修实践教学中的应用

实际装备的拆装教学是认识学习对象的结构特点、工作原理和功能的重要途径之一，但因装备数量有限、学时有限，并且受成本、安全因素等客观条件的限制，实装拆装教学往往不易开展或不能达到学习效果。若建立装备的虚拟仿真模型，以软件的形式呈现，安装在个人计算机上，实现一名学员对应一台设备。这种装备的拆装教学模式，不会损坏实际装备和危害学员的人身安全，甚至能完成一些实装无法完成的教学内容。如，核能工程专业的学员可以对核能设备进行虚拟拆装，船舶工程专业学员可以对整个舰艇或任何部位进行虚拟拆装，动力工程专业学员可以对庞大的柴油机进行精细的虚拟拆装，而这些的教学内容在实装教学中是难以实施的。

装备的运行操作、维护、故障诊断和检修是任职教育学员和本科毕业学员必须具有的且非常重要的任职能力。海军装备的技术含量越来越高、结构越来越复杂，海军训练任务日益加重，这些都使得装备运行操作更加频繁、装备检修的频次越来越高、难度越来越大。当前，院校以书本知识和实装训练的教学方式已难以满足舰艇实际装备的可靠运行和有效维修。而基于虚拟仿真技术的教学训练能够适应部队装备可靠运行、准确检修的新要求，具有显著的经济效益和军事效益，地位日趋重要。虚拟实训教学可满足学员的充分训练，而不用考虑时间、场地、成本等因素的限制。比如，对于舰艇动力设备维修训练，可将收集的舰艇巡航、应急机动等工况下的典型故障数据，输入到虚拟仿真维修模型中，对类似的故障进行反复的演练。虚拟维修可以再现一些舰艇曾经出现而又难以再现的故障维修，以及模拟舰艇尚未出现但存在出现可能的一些故障维修。虚拟维修实训教学可以实现一些高温、高压甚至高危环境下的装备检修的教学，比如机舱、炉舱设备维修、核动力装置故障维修等。虚拟仿真的维修实训教学不仅能够适应部队维修体制由定期维修、预防维修向状态维修的转变，而且不消耗任何实物资源和不污染环境，真正做到绿色维修实训。

2.虚拟仿真技术在模拟训练实践教学中的应用

海军院校部分专业课程需要装备的实操训练，或者在真实的环境中才能达到教学效果，比如舰船航行操作教学、飞机驾驶训练教学、火炮射击教学、战术课教学、声呐专业任职教育等。当前的教学方式还是以理论授课居多，部分院校建设了实物训练模拟器。因数量很少、更新换代成本较高，学员不能得到充分训练，难以达到教学目标。相比而言，虚拟仿真技术在模拟训练实践教学中具有明显优势。例如，用虚拟仿真训练系统来进行舰船航行操作教学，就是一种安全、经济的代替实船训练的方案。首先是安全性，舰船的航行是牵一发而动全身，需要各部门有效配合，毫无经验的学员实操会存在一定的设备安全隐患、人身安全隐患。其次，是经济性，虚拟仿真训练可以模拟现役的不同船型，这是实际操纵和模拟器训练无法比拟的，而且有利于减少实船训练带来的损耗，延长舰船的使用寿命。最后，能够完成一些现实教学无法完成的教学任务，模拟训练中可以模拟舰船的各种航行工况，尤其是一些平时无法训练的极端工况，还可进行不同海洋环境下的操作训练，以及靠码头、进坞等特殊操作。战术课教学配合虚拟仿真技术可以摆脱纸上谈兵的传统教学模式，构建出数字化的战场进行教学，不仅可以将以往的经典演习用虚拟仿真的形式重现，还可以根据教学目标构建不同的战场形式，尤其适合进行多兵种协同作战、恶劣环境下的作战模拟。这种教学方式可以让学员真正的参与到战场中，可以扮演不同的角色，进而从多个角度学习战术应用。作为士兵，能够亲自感受战场的硝烟弥漫，提高学员武器的运用技能；作为指挥官，能够体会运筹帷幄，决胜千里，提升学员的军事指挥素养。任职教育中岗位指向性较强的专业如声呐专业，更加依赖实践教学，而声呐专业采用虚拟仿真实践教学可以模拟真实海洋地貌环境、复杂混响的声场空间、不同种类的声源信号，能够使该专业学员受到更多、更具体、更全面的专业技能训练。

（三）虚拟仿真技术在学员创新能力培养中应用

虚拟仿真技术的趣味性、真实性、沉浸性等特点，使学员能够自主的投入到虚拟仿真环境中进行学习，可以自主控制学习的进度、方式，也可与系统进行交互学习或者同学之间协作学习。教员更易实施启发式教学、案例式教学，也就更容易吸引学员注意力，达到既定的学习效果。虚拟仿真技术具有很强的可塑性，学员可以依据自己的想法调整、替换或者重新设计一些新的系统组件，在这个开放灵活且有新意的学习环境中，学员有兴趣也有机会去探索系统新功能和开发新系统，有利于学员创新能力的培养。

虚拟仿真技术还可以和3D打印技术相结合来支持学员大作业或毕业设计。学员设计出的作品可以无缝的导入到快速成型的3D打印机打印成三维实物，而不仅仅是抽象的设计图纸，让一些难以理解的空间概念和结构映射入现实世界中。通过这种亲身参与，直观形象表现形式，学员的思维能力、自主设计能力和实践能力都能得到全面的提升。

近年来，MOOC的发展如火如荼，但是它的一个软肋就是实践教学非常缺乏，一定程度上来说，这个特点可能会限制它的进一步发展，而虚拟仿真技术和MOOC结合必将摩擦出新的火花，让学员有超越真实课堂的学习效果，有助于扩宽学员的知识面以及获取知识的途径。

由此可见，虚拟仿真技术在海军院校教学中的应用具有显著优势，但它不能完全替代真实的实践教学，两者应互为补充，缺一不可。虚拟仿真技术是对真实教学设备和环境的一种模拟，因此真实教学设备和环境是虚拟仿真技术的基础。依托虚拟仿真技术的教学可以完成实践教学的前导训练，使实践教学更有针对性、学员学习效率更高，还可以作为真实实践教学的有力补充，以及完成一些真实实践无法完成的教学内容。因此，实际教学过程应做到虚实结合、相互补充的基本原则。无论如何，虚拟仿真技术应用是现代化教学改革的重要趋势之一，特别是和当前一些新型开放的教育手段（如MOOC、翻转课堂等）相结合，必将助力军校教学改革更上一层楼，使之适应新时期海军新型人才的培养需求。

三、结语

将现代化技术引入军校教学已成为教学改革一个非常重要的动向。依托虚拟仿真技术的教学就是一种较佳的途径。它使得教学活动具有多感知、临境感、交互性、自主性等特点，能够有效地解决当前教育中面临的诸多问题，如教学模式与部队实际需求错位，教学仪器设备短缺且更新不足，实训教学开设困难，教学活动受限于时间和空间等。依托虚拟仿真技术的教学可促进教学观念的改变，提高教学质量和培养学员创新能力，加快新时期部队所需军事人才的培养。随着国家关于虚拟仿真实验室建设的开展，各军事院校都跃跃欲试，虚拟仿真技术必将为军校院校教学改革带来新的机遇，发展前景广阔。

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