虚拟维修技术应用于装备维修教学的探讨

陶 铖 杨 光 马 杰 程继鹏 曹良强

（空军预警学院，湖北 武汉 430019）

0 引言

随着我国经济的快速发展，国防力量不断增强，军事装备也在逐渐升级和换代，装备维修作为保障装备战斗力的重要手段，也迎来了一些新的挑战。传统装备维修教学长期以来通常采用课堂教学加上实践教学的方法，训练内容及方式愈发难以达到高水准、高质量的教学目标，而教学效果的好坏直接关系到装备效能的发挥，所以在新时代教改的背景下亟须转型。

1 虚拟维修技术的发展

虚拟现实技术起源于20世纪60年代，由于受到当时技术发展的限制，在80年代才飞速发展，并开始应用于维修训练领域。

虚拟维修（Virtual Maintenance）首次提出于20世纪90年代，美国军用手册MIL-HDBK-470A中指出：“使用虚拟现实技术，工程师能在虚拟环境，对虚拟产品进行维修。”它是利用计算机仿真技术，将三维模型、动画、文字、图片、音频等有效融合在一起，让使用者通过虚拟的互动操作实现装备工作原理演示、装备虚拟拆装和故障排除等训练项目。

早期最为典型的案例，当属美国哈勃望远镜的虚拟维修训练。1990年4月，哈勃望远镜被发现存在缺陷，因此，美国国家航空航天局（NASA）为执行任务的宇航员建立了虚拟的太空环境，从中可完成各种模拟维修活动。经过训练后，哈勃的维修任务于1993年12月成功完成。

在2011年，美国陆军研发出一种战机虚拟维修系统。它使用包括一个三维空间触摸屏的教学系统，帮助士兵学习Apache直升机故障的诊断和处理。这套系统能让学生在接触真实飞机之前进行各种操作[3]。

圣保罗大学Cabral等构建了一个电网配电系统培训运营和维护模拟系统，以实现工作场所安全和活动保险的风险控制。学生使用VR护目镜可视化虚拟环境，并操纵一个真正的球棒与3D环境进行交互，这两者都由高精度红外摄像系统（OptiTrack）跟踪。

到目前为止，虚拟维修已成为各国装备维修领域的主要发展趋势之一，并开始将其运用到实践教学当中。

在国内，虚拟维修技术的显著优势引起了各大高校以及科研机构的广泛关注，许多高校和科研中心将其作为重点方向进行研究和教学。在2009年，中国航天员科研训练中心成功研制一套单机虚拟操作训练演示系统。浙江大学对分布式虚拟现实、虚拟装备装配及应用于工效学领域的虚拟人体模型进行了研究；北京航空航天大学、北京大学、武汉大学等学校也对维修训练中的具体问题进行了研究。

南京理工大学和军械工程学院联合开发了某型导弹装备沉浸式虚拟维修训练系统。该系统在维修步骤、维修动作及所见现象与实际装备上训练完全一致，可以借助虚拟交互设备，在视觉上获得与在实装上训练一样的感受。并且从2013年开始，教育部在全国范围内开展国家级虚拟仿真实验教学中心和仿真实验项目建设，已先后投入建设300余个国家级虚拟仿真实验教学中心，各省教育厅也建设了一批省级虚拟仿真实验教学中心，有效推动了虚拟维修技术在国内的发展和应用。

2 虚拟维修技术应用于维修教学的必要性

2.1 传统维修教学的现状及不足

传统装备维修教学一般采用课堂教学和实践教学相结合的形式。课堂教学主要是复习和巩固装备的原理以及讲解维修的方法，通常采用幻灯片教学、视频教学和实物讲解等，而实践教学主要是进行分组实习，让学生在装备上进行排故训练。随着教学方法的推陈出新，传统训练存在以下几个问题：

首先，教师对维修理论知识讲解过于抽象。对于基础薄弱、主动性不强的学生来说，很难完全吸收，一旦没有及时解决问题，长此以往会导致这些学生实践时，不敢动手也不愿动手甚至会产生厌学的情绪，影响整个小组学习氛围，从而形成一系列的不良反应。

其次，教学装备造价昂贵，期班配备数量不足。以内燃机维护与修理课程为例，平均每13名学生配备一台柴油机，这导致不是每个学生都能经常动手实践，对于学习兴趣不高的学生难有较大的提高。

最后，实践教学有一定的风险性。实践教学的主要目的是让学生在实操中学习使用、拆卸和维修装备，由于装备体型大、质量重，在实际拆卸和维修的过程中具有一定危险，一旦出现问题就会造成人员伤亡和装备损坏。因此，很多老师对于贴近实战但具有风险的教学内容，就会简化甚至不做重点，这不利于提升学生实战维修能力。

2.2 虚拟维修在维修教学中的优势

2.2.1 有效减少实践教学的风险

传统的实践教学通常是由教师先讲解维护步骤，同时强调注意事项并做示范，再让学生分组动手实践。如果遇到比较复杂的操作，学生有可能记混操作步骤，一旦错误实施，就会对装备造成损坏。例如，柴油机汽缸盖的拆装，对于每个螺母拧松的顺序和扭力都有严格要求，如果操作不当，没有按照正确步骤实施，就会使汽缸盖发生翘起，导致柴油机漏水、漏气。而虚拟维修技术的出现，能有效减少这些情况的发生，因为能用计算机模拟这些实践内容，并且它所有的数据都来源于真实的数据库，所以其模拟过程与实践过程相似，学生在实操之前，通过虚拟维修训练对即将实践的内容进行反复练习，加深了学生对正确操作的理解，从而避免出现重大失误，这样能有效降低装备损坏的概率。

2.2.2 符合士官院校学生的心理特点

士官院校的学生大多基础较弱，只有初中、高中学历，对于理论知识的理解能力较弱，因此在课堂上对于抽象理论知识兴趣不足，更乐于参与实践教学。虚拟维修技术的引入能让学生抛开心理负担，勇于尝试，不用担心操作失误造成装备的损坏，能够反复进行操作学习，同时可以与教师所讲的理论相互印证，加深对于所学知识的理解。并且虚拟维修训练中还设计有评价系统，对于学生的操作过程进行打分，这极大地激发了学生主动学习的积极性，提高了学习的兴趣。

2.2.3 能够保障教学训练的正常进行

一般进行实践教学时，需要考虑多种因素，如场地情况、训练时间甚至环境天气等，必须满足所有的条件才能开始进行教学训练。如果其中一项出现问题，就需要改动教学计划，甚至会影响到正常上课。采用虚拟维修技术后，以上受限制的条件可以用虚拟训练来替代，例如，场地出现状况，就可以在教室里模拟训练，只需要简单调整课程内容即可，充分保障了教学进度。

2.2.4 有较好的经济性

虽然虚拟训练系统的研发成本较高，开发周期较长，后期维护也需要持续性投入，但是它能够节约大量教学装备产生的费用，同时虚拟训练又可以减少实践操作对装备的损耗，以及减少训练耗材的消耗等问题，从而节约了教学成本。

3 虚拟维修在实践教学中的具体运用举例

为了增强训练效果，必须保持虚拟训练与真实维修的一致性。因此对虚拟维修训练系统有一定的要求，首先要求模型真实度高，每个零件都要真实还原。其次虚拟训练过程要精心设计，具备较强的逻辑性。最后系统操作简便，容易上手，并且能够对每次训练进行评价。

依据上列要求，某士官学校研发出电站柴油机虚拟维护训练系统，旨在帮助学员快速生成装备保障能力。通常柴油机维护类的课程，都是人数多装备少，而且整个课程只会进行一次拆装、清洗、检测、维护、安装等流程，很难满足学生和教师的需求，虚拟维护技术的出现，很大程度上起到了一定的补充和辅助作用。

该系统分为四个训练模块，分别是整机训练、分系统训练、工作原理和维护训练，学生可以在大屏一体机上登录虚拟维修训练系统。整机训练和分系统训练能够三维实时展示电站柴油机整体以及各个分系统的结构，同时学生能利用鼠标选取相应工具，拆卸对应零部件，并且很多零部件处于半透明状态，便于学生观察其结构。这两个模块能够让学生了解如何选用适当的工具，熟悉相关零部件，以及掌握整机拆装的步骤。

工作原理模块是通过三维模型动态演示柴油机不同系统的工作过程，分别设置有整机运动、冷却系统、润滑系统和燃料系统等。学生之前学习原理时，只能通过教师的理论讲解来认识其工作过程，难以理论联系实际。但通过该模块，能使得理论教学变得形象化，更加直观，容易理解，例如，对燃料油路进行讲解时，零部件较多，油路复杂，学生只有抽象概念难以记忆，利用该模块训练，则所有零部件均可以模拟呈现，无须抽象，并且通过还原燃料油路走向，能较快地与实际相结合，缩短理论转换为实际能力的时间。

维护训练模块是虚拟维修训练的核心部分，设置有气门间隙调整、供油正时调整、燃油滤清器更换等训练项目。由于装备实践教学就是为了让学生能熟悉掌握装备的典型故障及其排除方法，所以仅对典型故障进行理论讲解，学生很难理解透彻，而全部实践操作也没有那么多时间和装备。引入该系统后，有效降低了维修教学成本。学生不仅能够通过实践操作来学习维修内容，而且能通过虚拟维修训练反复练习加以巩固，有效提高教学效果。并且学生在完成每个环节训练时，系统都会根据完成情况来评估学习效果，同时给出标准答案，让学生能弥补自己的薄弱环节。从学生使用情况来看，电站柴油机虚拟维护训练系统帮助学生对柴油机从整体的拆装到局部零部件的维护都有了直观的认识，极大地提高学生的学习兴趣和主动性，同时也减少了装备的损耗，保障了训练安全。

4 结语

在实践教学中，虚拟维修技术能够很好地起到补充和辅助实践训练的作用，显著提升了实践训练的效率。但是目前虚拟维修技术仍存在一定的局限性和不足，不能完全代替真实的实践训练，因此教师不能舍本逐末，过度依赖虚拟维修技术，在充分发掘虚拟维修教学性的同时，也应根据实际情况合理分配虚实教学的时间，最终达到更好的教学效果。