虚拟现实技术在装备构造类课程的教学应用研究

袁建虎，安立周，王海涛

（陆军工程大学，江苏 南京 210007）

1 虚拟现实技术及其在教学中的应用特点

虚拟现实 （Virtual Reality，VR）技术，也称为虚拟环境 （Virtual Environment，VE）技术，或称为临境技术。它以计算机技术为主，融合计算机图形技术、仿真技术、多媒体技术、传感技术、人机界面技术、人工智能技术、伺服技术等，生成逼真的视听、触觉一体化的特定范围内的虚拟环境，用户借助立体眼镜和传感手套等一系列传感辅助设备以自然的方式与虚拟环境中的对象进行交互作用、相互影响，从而产生亲临真实环境的感受和体验。它是一门新兴的技术性学科，是继多媒体技术之后在计算机应用方面的又一重大突破[1]。

1.1 虚拟现实技术的特点

虚拟现实技术与一般的交互式三维计算机图形学不同，其特点主要包括4个方面。

1）感知性。用户可以从这种虚拟空间的内部向外观察，而不是像通常那样只能作为一个旁观者由外向内观察。即理想的虚拟现实技术应该具有与人一样的感知功能。

2）沉浸感。用户可以沉浸到虚拟空间中去，实时看到随视点而改变的细腻场景，如同在现实世界的感觉一样。即用户可以驾驭其中，有一种身临其境的感觉。

3）交互性。用户可以和外部环境隔离开来，并融合到虚拟现实中，在视觉和听觉的感受上同现实世界一样，更自然、更真实地进行交互。即用户与模拟环境可以进行信息交换，得到信息的反馈。

4）自主性。用户可以根据自己的意识和需求，在虚拟现实环境中遵循各种想象者设计的规律进行自主想象、动作和行为，不仅可再现真实存在的环境，也可以随意构想客观不存在的甚至是不可能发生的环境。

研究表明，人类对基于图像、声音等感官信息的理解能力远远大于对数字和文字等抽象信息的理解能力。将虚拟现实技术应用于工程装备构造类课程教学，能够充分利用文本、图形、动画和声音等多种多媒体表现形式刺激学员的视觉和听觉神经，调动学员的学习积极性和创新思维发展，有效解决课程学习和能力培养过程中出现的经费、硬件、软件和时间条件等诸多问题[2]。

1.2 虚拟现实技术在教学中的应用特点

1）虚拟现实技术可以为学员提供丰富的学习资源以及选择学习材料和学习方式的机会，利用虚拟现实技术，学员可以学习一些实际中具有速度性、抽象性且操作难度大和很难观察的知识点等。

2）虚拟现实技术可以为学员提供获得经验的机会，利用虚拟现实技术可模拟显示出那些现实中存在的，但在课堂教学环境下很难做到的，或要花很多费用才能让学员实践的各种事物。比如让学员操纵装备模拟器，这就是要让学员产生临境感。

3）虚拟现实技术可以为学员提供适应任职需要的实战实保机会，利用虚拟现实技术可以让学员在院校学习的过程中提前适应任职岗位中的实装操作、结构认知、故障排除、指挥训练等技能，符合当前提升 “战斗力标准”的教改要求。

所以，结合虚拟现实技术进行装备构造类课程教学，能提高教学质量，改善教学效果，起到事半功倍的作用。

2 工程装备类课程教学现状分析

装备结构与工作原理知识是装备使用维护和故障排除的基础，装备结构与工作原理知识的学习也是为装备的使用维护和故障排除服务的。因此，工程装备构造类课程教学，必须充分考虑装备构造知识、使用维护、故障排除的实装或实装情景模拟，始终抓住 “结构组成—工作原理—使用维护—常见故障排除”的教学主线，在构造知识的学习中，培养学员装备使用维护和常见故障分析判断与排除的能力。然而，工程装备构造类课程由于需要实装拆装操作，在实际运行过程中限制比较多，主要体现在以下5个方面。

2.1 教学保障需求多

工程装备构造类课程由于需要实装拆装操作，因此对场地、装备和人员保障需求较多。

1）教学场地需求。实装教学场地是工程装备构造类课程教学的重要物质基础之一，其数量、大小、地理环境、地质条件、设备设置配置、管理水平等都会对教学能力形成直接影响。

2）装备消耗需求。实装教学会造成装备零部件磨损、器材油料消耗等。以一台160型推土机为例，一天的油料消耗就有200 L左右；一台履带式多用工程车，其发动机寿命仅为500 h，教学成本非常之高。

3）教保人员需求。装备构造类课程教学活动，除教员授课外，还需要装备教学保障分队提供人员保障。根据每年的实践教授学员额平均值计算，每名教练班长每年承训学员数在200名左右。然而，在课程教学过程中辅导学员只是教练班长工作量的一部分，教学装备的教学准备工作和教学结束后的保养工作任务量也非常大。因此，教学装备的保障任务非常重，装备教学保障力量严重不足。

2.2 教学开展不够深

结合实装的装备教学，大多仅限于简单的拆装、故障预设等，其教学内容、使用的教学技术非常有限，许多教学内容难以涉及。例如新装备的液压系统教学，由于不能拆解、又无法全面观察工作过程，教学时就只能基于原理图进行讲解，通过多媒体、挂图等方式引导学员进行空间想象，进而了解、掌握其结构、原理及故障排除方法等。

2.3 新装备教学力量形成慢

随着新装备推进速度加快，由于其技术先进、造价高等原因，部署后需要投入大量的技术力量进行训练，对院校学员寄予重望。一方面希望毕业学员能迅速挑起新装备训练的重担，另一方面希望派遣技术骨干到院校进行相关培训。为此，院校的装备教学应突出新装备教学，以提高学员的第一岗位任职能力。然而，新装备部署到院校相对滞后，而高度依赖实装的教学模式容易造成新装备教学开展滞后，没有技术能力组织实装教学和不敢进行实装训练等问题，使得新装备的教学能力难以及时形成，影响到毕业学员对新装备的认知，毕业后开展工作比较被动[3]。

2.4 安全思想制约广

实装教学过程中，可能存在因组织不当或操作失误而造成装备损坏和人员伤亡的现象。例如某挖掘机由于存在设计缺陷，在教学中就出现过驾驶室损坏的情况。受 “安全第一”思想影响和教学保障技术实力的制约，许多教学装备，特别是新装备在教学中不敢动、不敢拆、不敢修。一是怕因场地和技术人员不足出现安全隐患，二是担心一旦损坏或出现故障无法修复。在这种情况下，一些装备成为展览品，涉及相关装备教学时，就只能采取参观讲解、录像讲解等方式进行，导致难以达到理想的教学效果。

2.5 考核体系待完善

工程装备构造类课程的考核除了需制订完备、细致的考核实施方案与评价标准外，还需保障相应的考核场地、装备、设施、器材和人员。受前述因素制约，在组织考核时，由于不具备设置标准考核场地的条件，考核往往经过简化、降低标准或仅通过现场问答的方式进行，许多考核成绩由教员估算而来。即使部分课程或考核环境能按照标准要求进行，但由于人为因素较多，最终成绩也难免存在不客观、不全面的情况[4]。

由此可见，如果工程装备构造类课程通过缩小教学场地、减少教学时间、减少教学装备和降低教学标准的方式进行，教学质量难以保证。

3 虚拟现实技术在工程装备类课程的优势分析

运用虚拟现实技术建立相应的教学模型、装备模型、设施模型和环境模型，生成 “实装” “实地” “实战”且逼真的三维交互教学环境，使学员通过视觉、听觉、触感、运动感知等方式，以自主的感觉感受直接操作其中的装备部件，从而 “沉浸”于虚拟环境之中，完成教学过程[5]。

将虚拟现实技术应用于工程装备构造类课程，与传统教学方式相比具有以下明显优势。

3.1降低保障需求

1）不受场地限制。将虚拟现实技术应用于工程装备构造类教学，可构建多种教学和培训环境，如维修车间、山地、道路等，能满足装备教学所需的各种场地、环境，教学可全时域、全地域展开。

2）节约物资投入。采用虚拟现实技术进行实践教学，不需要更换零部件，不需要消耗油料器材，可以对同一学习过程进行反复练习，大量节约教学成本。

3）减少人员保障。使用虚拟现实技术进行工程装备构造类教学，既减少了装备使用时间，又减少了实装的后期保养维护，极大降低了装备教学保障分队人员的工作量。

3.2 教学功能齐全

运用虚拟现实技术开发虚拟教学系统应用于课程教学，可以根据要求进行教学课目设置，甚至可以实现实装教学无法实现的教学效果，如装备全景漫游就可以使学员进入发动机内部观察其工作过程，教学内容全面，方式灵活。

3.3 有效开展新装备教学

利用虚拟现实技术，研发与新装备配套的教学系统，可以与新装备同步研制、同步生产、同步装备，甚至先于新装备到达院校，可以有效缩短从新装备配备到教学能力形成之间的时间，快速形成新装备的教学能力。

3.4 教学安全性高

学员 “沉浸”于虚拟环境里进行装备构造、拆装、修理和运用等教学活动，当出现操作不当，会以文字、动画或声音等形式进行相应的提示，不会出现人员受伤、装备受损等问题，教学过程安全、可控。

3.5 便于考核评价

在学员完成课堂学习的同时，通过全程记录学员在虚拟环境中的学习过程，对学员的学习过程和其对装备结构原理、拆装与运用能力学习情况等进行综合评定和考核，即时给出教学评价，方便组织训练和考核，教学质量评价过程简便，成绩客观。

3.6 提升学习热情

充分运用信息化技术教学，基于现实但超越现实。其多变的视角、多样的操作方式、不同的视听感受，可以使学员自主获得一种全新的操作感知，大幅激励学员的学习热情，提高学习效果，符合“学为主体，教为主导”的教学理念。

4 融合虚拟现实技术的工程装备类课程教学研究

根据新时期 “网络化、模拟化、基地化”的要求，结合装备保障模拟训练教学的发展趋势，针对前述问题，将虚拟现实技术充分与工程装备构造类课程教学相融合，构建网络化、沉浸式的工程装备构造、保养、修理训练与考核的教学环境，为相关专业课程提供教学平台，开展工程装备构造感知、操作运用、拆装工艺、维修保养、故障诊断等多种类、不同层次的实验项目，通过提高受训人员基于虚拟环境的装备感知水平和维修技能，增强学员装备保障信息化素养和实装能力。

根据工程装备构造类课程的课程标准、装备实践教学规律和虚拟现实技术特点，运用虚拟现实技术开展工程装备构造类课程教学可应用在以下5个方面。

4.1 装备结构与工作原理教学

装备结构与工作原理知识是学员专业知识的重要组成部分，也是装备教学的重要内容之一，是学员进行装备操作、维护、修理训练的基础。利用虚拟现实技术进行教学，可通过漫游、多视角观测等多种方式向学员直观展示装备的外观、组成与零部件结构，也可在不解体的情况下给学员演示部件、总成的工作原理与工作过程。例如，将发动机外壳透明化，即可让学员直接观察发动机内部工作情形，完全突破传统教学方式的束缚，实现依靠挂图、动画、录像、实装拆解等教学模式无法实现的教学效果。图1为利用虚拟现实技术开发的内燃机和装备结构与工作原理教学训练系统。

图1 装备结构与工作原理教学训练系统

4.2 装备操作运用教学

装备操作运用是学员需要掌握的基本专业技能之一，也是学员毕业的必考课目，其重要性不言而喻。利用三维建模技术建立装备实装模型，运用虚拟现实技术模拟装备操作方法和训练场景，结合图像现实设备和音响设备，即可使学员基于计算机和操作手柄进行装备操作教学。教学过程中还可根据需要变更虚拟教学场地、教学装备、教学课目，记录和复现学员学习过程等。图2为某型履带式多用途工程车的装备操作运用教学。

图2 装备操作运用教学

4.3 装备虚拟拆装教学

使学员迅速熟悉和掌握装备零部件结构的一种有效方法就是进行装备拆解和装配。通过拆装过程使学员掌握零部件的外形、相互关系和拆装工艺。同时，零部件的拆装也是装备维护、维修的一个重要环节。拆装的速度、水平都影响到维护、维修的质量与效率。因此，装备构造类课程的实践教学环节都会安排部件拆装实习。利用虚拟现实技术，构建装备部件拆装虚拟训练模块，可使学员在理论提示、系统自动评价的情况下，反复进行零部件拆装，即使操作错误也不会给零部件带来任何损坏，拆装过程快速、安全、低耗，可迅速提高学员的零部件拆装技能。图3为挖掘机变速箱拆卸和液压油缸装配的装备虚拟拆装教学。

4.4 装备虚拟维修保养教学

装备维修保养是装备保障的重要内容，也是装备保障教学的重点与难点。装备虚拟维修保养训练系统可以根据装备保障教学要求设置教学课目，基于虚拟现实技术进行教学规划，包括装备零件拆装序列、修理作业流程、保养方法等，建立装备、保障设备、虚拟人物的三维模型，构建贴近实战的虚拟教学环境，使学员借助传感设备进行装备虚拟维修保养，或驱动虚拟人物完成装备虚拟维修保养作业。图4为M11发动机和工程车的装备虚拟维修保养教学。

图3 装备虚拟拆装教学

图4 装备虚拟维修保养教学

4.5 虚拟故障诊断教学

对装备故障进行准确诊断是保障装备安全稳定的难点之一。虚拟训练系统基于故障诊断专家知识库技术建立装备故障诊断信息数据库，可以随机生成装备故障，并在虚拟训练环境内通过声音、图像、振动等形式表现出来，使学员身临其境地进行状态分析与故障诊断。系统可根据需要进行理论提示和诊断结果评判。第86页图5为在虚拟故障诊断教学训练环境下，对工程车电气系统进行虚拟故障诊断教学。

总之，虚拟现实技术起源于教育应用，在其不断发展中又进一步为现代教育注入了新的活力。虚拟现实技术的应用能够结束传统的以教员为中心，以课堂为中心，以书本为中心的教育方式，代之以学员为中心，以实践为中心的教学方式，可提高学员学习热情和创新能力培养。

图5 虚拟故障诊断教学训练环境