VR虚拟教学在航空充电设备课程中的应用研究

李勋章 高伟 杨秀芹

[摘           要]  为了适应新的教学模式发展，航空充电设备课程以VR技术应用为背景开展信息化课程教学改革。提出了一种将VR虚拟技术与课程教学有效结合的新思路，在原课程理实一体化的基础上，深入推进课程信息化建设，实现了课程教学的理虚实一体化，有效提高了课程的教学训练效果。

[关    键   词]  VR技术;虚拟教学;航空充电设备;信息化课程教学

[中图分类号]  G642               [文献标志码]  A         [文章编号]  2096-0603（2020）45-0124-02

航空充电设备是士官职业技术教育层次的一门必修的任职岗位课程，课程的目标是培养合格的航空兵场站充电员。课程讲授的内容主要是航空充放电装备的结构组成、基本原理、基本操作和维护保养等，课程讲授的方式主要是理实一体化教学，即理论讲授和实装操作相结合的方式。随着信息化教学技术的不断发展，该课程也急需进行相关信息化教学资源的建设，课程组人员进行充分的研究和深入的探索，提出将VR虚拟技术与课程教学有效结合的改革思路，形成了一套行之有效的实施策略。

一、VR虚拟教学

虚拟教学是一种创新型的教学模式，通过科学技术营造一个虚拟学习空间，将知识点通过虚拟感受和虚拟视觉等转换为真实感受，在一种看似虚幻实则逼真的多媒体教学环境中，激发学生创新思维能力和想象力，提高教学质量[1]。VR技术其实就是虚拟现实技术，通过计算机构建一个逼真的环境，使人们能够在视觉、听觉和触觉方面得到不一样的体验。把VR技术运用在教育领域中，不仅可以提高课堂教学的有效性，还可以降低在现实教学训练操作中的困难和成本，推动教育改革的步伐。

虚拟现实教学系统通常情况下可以分为三类[2]。

（一）桌面虚拟现实教学系统

桌面虚拟现实教学系统主要包括VR显示、效果显示、人机交互等几部分，教学系统基于普通PC平台，利用图形工作站和立体显示器，产生虚拟教学环境，学员可以使用力反馈器、三维鼠标、数据手套或者其他手控的输入设备，实现虚拟现实学习。桌面虚拟现实教学系统技术较为成熟，应用得比较普遍。

（二）沉浸式虚拟现实教学系统

沉浸式虚拟现实教学系统使学员有完全沉浸的体验，学员有置身于虚拟环境中的感觉。其特点是：利用头盔显示器把学员的听觉、视觉封闭起来，产生虚拟感觉，与此同时，利用数据手套把学员的手感触觉封闭起来，产生虚拟的触觉。学员的头、手、眼均有相应跟踪器的追踪，能够使教学系统达到尽可能的实时性。

（三）分布式虚拟现实教学系统

分布式虚拟现实教学系统基于网络，多个学员同时参加进入虚拟现实教学环境，通过PC电脑和网络对虚拟环境进行操作和观察，从而实现学员与教员、学员与学员之间的交互和信息共享。

二、课程内容特点

（一）实操内容占教学内容比重较大

课程教学内容中除了讲授设备的结构组成、原理外，相当多的一部分内容为各型充电设备的操作、维护、保养以及故障的分析排除，这部分内容的讲授以往都是依靠教员在实装上演示以及学员对实装的操作练习来完成的。

（二）部分实操内容具有危险性以及复杂性

一方面由于课程实操内容中面对的操作对象为强电航空充放电设备，并且大多时候需要学员开机操作，因此内容的教学训练中存在一定的危险性;另一方面航空充放电设备内部结构复杂，线路和电气部件众多，有很多地方手很难到达，因此内容的教学训练中又存在一定的复杂性。

（三）缺乏部分实装设备

由于前期面对的对象都是陆基场站的学员，因此课程内容的设置都是以陆基设备为主。为了适应当前舰载转型的要求，在内容上必须进行舰载充放电装备相关知识的充实，但是由于该类设备比较紧缺，目前课程教学中无实际装备，给实操内容的教学训练造成了一定的困难。

（四）课程教学训练过程中需要具有一定的“战味”

由于学员为部队工作人员，在进行教学训练时，需要调动学员紧张、高效的工作状态，设备的实操训练环境需要与部队的日常工作环境尽量靠近，以提高学员在学习和实操训练时的部队体验感，具有一定的“战味”。

三、VR虚拟技术与课程教学有效结合

（一）VR虚拟现实教学系统的选择

经过课程组人员对三种虚拟现实教学系统的比对以及对本门课程教学特点的分析，决定采用桌面虚拟现实教学系统。采用这种教学系统主要有以下原因。

1.课程教学的特点

一方面由于课程教学中涉及的实操训练内容主要是对单个的充放电设备进行操作训练，每个学员可以单独完成，不需要彼此之间进行协同训练。另一方面对学员操作训练的要求，更多是体现在训练科目的熟练程度上，不需要学员有过多的沉浸感。因此，基于以上分析，决定采用桌面虚拟现实教学系统，学员配套相应的三维鼠标、数据手套或者其他手控的输入设备进行桌面式的虚拟训练。

2.教学便利性的需求

采用桌面虚拟现实教学系统可实现一台教员机与多台学员机进行教学的成熟教学模式的有效传承。学员可以在学员机上观看教员的演示操作并进行操作练习，教员可以方便地切换到任何一台学员机，进行学员操作情况的查看。这种模式既有效地运用了VR虛拟的教学训练手段，又保留了传统的教学模式，比较适合本课程的教学实施。

（二）VR虚拟现实教学内容的确定

经过对课程教学内容的详细分析后，在首期进行了以下VR虚拟现实教学内容的建设：

1.危险性操作科目

在课程内容中，有一部分内容涉及强电电气部件的带电操作，例如三相380V整流电路的工作参数测量、三相380V滤波电路的性能检测等，学员如果直接上设备操作训练，会有一定的触电安全隐患，对于这部分内容，要进行虚拟教学开发。通过数据图形建模，首先构建虚拟的操作环境，然后学员通过输入设备进行虚拟训练，操作训练熟练以后再到实际设备上进行操作。由于构建的虚拟环境逼真度较高，因此学员的操作真实感较强，教学的效果非常好。

2.复杂性操作科目

在课程内容中，还有一部分内容的复杂性和敏感性比较高，例如充电设备控制板的信号检测，该内容在实操过程中需要学员进行弱电信号的仔细测量，这些弱电信号主要来自电路板上的各种芯片和集成电路的引脚以及大量的电容、电阻、电感、晶体管的引脚等，操作步骤和操作内容相对比较复杂，并且如果由于学员操作不当，还会对控制电路板造成一定的损伤。又如充放电内部电气部件的检修，该内容需要学员将手深入到设备内部进行操作，但是由于电气部件安装位置不易到达，操作起来存在相当大的困难。对于上述这部分内容，要进行虚拟教学开发，首先构建虚拟的操作环境，学员首先通过输入设备进行虚拟训练，反复训练达到一定的熟练程度后，再到实际设备上进行操作，这样既提高了课堂授课的效率，同时也大大降低了科目训练的复杂程度。

3.综合操作流程演练科目

课程教学后期的综合操作流程演练科目，需要与部队的日常工作环境尽量靠近，对于这部分内容，通过虚拟教学开发，构建虚拟的部队实际工作环境，学员通过输入设备在此虚拟环境中进行虚拟训练，由于具备相当程度“战味”，学员在学习和实操训练时的部队体验感增强，训练效果有效提高。

4.缺少實装的训练科目

为了适应当前舰载转型的要求，在内容上必须进行舰载充放电装备相关知识的充实，目前该类型设备无法配备给课程组，因此在实际教学过程中对这一部分内容的实操教学存在困难。为了解决该问题，通过虚拟教学开发，构建虚拟的装备，学员通过输入设备在虚拟装备中进行虚拟训练学习，实践证明，基本可以达到实装教学等同的教学训练效果。

四、结束语

航空充电设备课程作为重点课程试点的改革课程，通过VR虚拟教学信息化手段的融入，在原有的理实一体化教学的基础上实现了理论教学、虚拟训练、实装操作训练的理虚实一体化，实践证明可有效地提高课程的教学训练效果，对其他部队装备课程的信息化课程改革具有一定的借鉴意义。

参考文献：

[1]刘勉，张际平.虚拟现实视域下的未来课堂教学模式研究[J].中国电化教育，2018（5）：30-37.

[2]H3C.迈向“智慧校园”高校IT“新”变革[J].中国教育网络，2017（7）：58-59.

◎编辑 原琳娜