基于移动网络与3D 交互技术的装甲车辆交互教学系统设计

李宏才，韩立金，徐丽丽

（北京理工大学，北京 100081）

随着网络带宽及通讯速率的不断提升，“互联网+”时代的到来，大数据、云计算、移动互联网和5G 等先进技术迅速发展，极大地推动了智能终端的迅速普及，催生了移动学习，“3A”（Anytime，Anywhere，Anything）教学理念日益深入人心[1-2]。2020 年初新冠肺炎疫情的爆发，更是无意间加速了这一进程，全国乃至全球性网络教学需求的激增更凸显了互联网与教育教学融合发展的必要性和紧迫性[3]。基于移动网络终端的教学可以实现在任何时间和任何地点，利用碎片化的时间完成知识的学习，现在正逐步颠覆现有的教学模式，并且这种教学模式，也正是解决教学内容的快速丰富和课程学时相对压缩之间的矛盾的有效途径[4]。装甲车辆构造与原理课程目前面临的教学难点，完全可以通过基于移动终端的教学系统来克服。

一、装甲车辆构造与原理课程教学现状

装甲车辆构造与原理是装甲车辆工程专业的核心基础课。课程体系从前至后依次为：专业认知实习—构造与原理—驾驶实习—构造实习，认知实习了解装甲车辆的基本结构、宏观制造过程等，构造与原理讲授车辆的总体构造、部件原理、部件结构及特点等，驾驶实习了解车辆操纵机构及性能等，构造实习通过实践了解车辆底盘构造和典型部件的结构和原理。这套教学体系虽然基本能够完成构造和原理的学习，但是对于知识的掌握并不全面，并且有些滞后。

目前构造与原理课程采取课前、课中和课后模式。课前通过教材、工厂资源收集、筛选和设计优质资源，提前布置给学生预习；课中利用文字、图片、动画和视频等多媒体开展学习；课后定期布置项目制作业，通过检查、交流来完成内容的学习[5]。

由于装甲车辆军工涉密的特点，可供讲授的内容一是陈旧，二是缺乏形象的展示手段，三是教学面向所有学者展示相同内容，但缺乏灵活性和个性展示，另外，由于课时有限，很多知识点无法得到详细的介绍，学生的理解深度不够，授课效果不够理想，教学质量难于有质的提升[6]。

因此，为提高课堂教学效果，应用参与式、研究型和项目制教学模式，结合翻转课堂，来激发学生的学习主动性。采用一种移动互动式教学模式[7]，可让学者在任何时间、任何地点依据移动终端，通过触屏对机械部件进行旋转、缩放和移动，无死角地完成零部件的学习[8-9]。作为开放系统，可共享、开放给更多需要专业知识的群体和个人。

二、基于移动终端的教学模式设计

（一）基于移动终端的研究型教学模式

为改善课堂教学，有很多种教学手段和方法，比如近年来网络上兴起的“慕课”和“微课”。“慕课”是一种大规模的开放式课程，“微课”则侧重于课堂上更小“类度”的知识点网络课程资源共享。“慕课”和“微课”的实质是“接受性学习”而不是“探究性学习”，与实体课堂相比，只是翻转了教师讲课的时间和地点[6]。

研究型教学以教学和研究相结合为基本原则，以提高学生综合素质和自主创新学习能力为宗旨，将科学研究与教学有机结合，形成“研究依托教学—教学支持研究—研究反哺教学”的教学和科研相结合的教学模式。装甲车辆构造与原理课程由具有丰富科研资源的特种车辆研究所来承担，可将前沿的研究项目分解降密后以教学研究项目的形式布置成项目课题，解决传统构造课内容陈旧问题，并且可以激发同学们的学习热情；将最新的机构、部件原理与结构分解降密后制作成3D 可交互式资源，而不是简单的图片、动画和视频资源形式，以移动终端的形式共享给学者，不仅解决课堂时间不足的问题，而且提高了学生自主学习和个性学习的资源和渠道。

移动终端教学系统可以作为课前的预习，也可以作为课后的复习。接受研究项目后，通过移动终端教学系统了解项目相关的工作原理、结构细节，提出问题，作为课上研究交流分享的知识点，推进研究项目更深、更广的方向发展，形成科研—教学—科研的良性互动。

移动终端教学系统作为课堂教学的有益补充，其侧重于装甲车辆构造中的结构和原理难点、最新装备及多栖车辆驱动执行机构等的结构和原理展示，结合科研项目开展研究型教学，因人而异，因材施教，起到抛砖引玉、画龙点睛的作用。

（二）3D 交互的突出作用

文字、图片和视频是通常的教学内容展示形式，一般来说，基本上能够完成教学内容。但是，对于复杂的机构、零部件，图片和视频的表现力就不足了。比如，行星变速箱结构紧密，一张图片仅能展示一个方向的视图，视频仅能按制作展示某些方面，不能想展尽展。而且千人同面，不能因人而异，因材施教。3D 交互就可以实现随心所欲地展示任何细节。借助移动终端，每个人可以自主地随时随地完成自己关注内容的学习。

（三）基于移动终端的教学系统设计

1.系统功能

该装甲车辆移动交互式教学系统含以下功能：

（1）用户注册、登录、手机动态密码登录。

（2）装甲车辆系统或部件选择，从推进系统、防护系统、武器系统和综合电子信息系统，逐层向下到具体的部件，并可以与时俱进更新新的部件。为了更好地发挥多媒体的优势，系统主要完成教学难点的复杂部件进行设计。系统内容框架如图1 所示。

图1 装甲车辆交互式教学系统部件层次结构

（3）装甲车辆部件的原理展示。

（4）装甲车辆部件的结构展示，通过触屏可进行部件的移动、旋转、缩放及爆炸等操作，进行观看。

针对装甲车辆构造与原理课程，传统的软件主要是通过文字、图片和视频来展示部件的工作原理和结构组成，很少有采用交互动画来实现的。本系统软件基于移动网络，在文字、图片和视频之外，增加3D 交互模型动画来展示部件的工作原理、结构组成、能量流动和液体流动等，可以实现对3D 模型的放大、缩小、旋转、高亮显示及爆炸展开等操作，这是本软件基于移动网络开发的最重要的创新点。

2.系统组成

系统由服务器和APP 客户端两部分组成。服务器端程序，负责用户注册、登录、信息的记录及统计功能。客户端程序，负责用户登录，装甲车辆部件的选择、原理展示、结构展示。结构展示可实现爆炸、移动、旋转和缩放等功能。服务器和系统之间通过HTTP 协议进行通信数据。

三、交互教学系统实现

（一）系统架构

综合考虑系统的数据量及运行方式，可以采用以客户端APP 运算为主，采用C/S 架构（图2）。

图2 软件系统运行模式

C/S 架构模式下，当有新的部件及内容更新的时候，会将更新内容打包后，放到服务器上，客户端APP 进入系统后，会先检查是否有资源更新，如果有更新，将会自动下载新的资源包到客户端（手机或平板电脑），如果没有，将直接进入系统。下载资源包前会有流量和数据量提示。

（二）逻辑功能设计

装甲车辆构造与原理的教学内容丰富，包括武器系统、推进系统、防护系统、电器及通讯系统和综合电子信息系统5 大系统，系统下面又分为各个分系统、子系统和部件等，以推进系统为例，其是车辆的主要部分，包括动力系统、传动系统和行动部分等，传动系统有离合器、变速箱、转向机构和制动装置等，各种部件又有各种类型。

坦克装甲车辆的结构树（图3），其中只针对传动的转向分支进行了展开。从图3 中可以看出，装甲车辆的部件数量是非常庞大的。逻辑功能设计中，包括登录、搜索、部件选择、文字浏览、图片浏览、放大及缩小和视频播放等，内容展示方式多种多样，主要以动画展示系统工作原理和以3D 交互操作方式展示零部件结构（图4）。

图3 装甲车辆结构树

图4 系统的逻辑功能

（三）软件开发

开发软件采用Unity3D 软件。

Unity3D 是由Unity Technologies 开发的一个让玩家轻松创建诸如三维视频游戏、建筑可视化和实时三维动画等类型互动内容的多平台的综合型游戏开发工具，是一个全面整合的专业游戏引擎。

下面以某个部件的3D 交互展示为例，介绍软件的主要使用过程。

（四）系统实施与测试

基于移动网络建立的装甲车辆交互教学系统按照设计搭建了完整的软件框架，以液力变矩器和换挡同步器为典型部件，完成软件的流程。

1.登录注册

功能：进入系统后需先进行登录验证以提高系统安全性能。

已注册账号登录时通过手机号码、密码进行登录；点击发送验证码后可使用验证码替代密码，验证码生效期间，优先级高于密码。

2.装甲车辆部件选择

功能：选择装甲车辆部件。

显示系统所含有的装甲车辆部件装置基本信息。可通过名称搜索装甲车辆部件名称。

3.装甲车辆部件结构

功能：选择装甲车辆部件以进入装甲车辆部件详情页面，可通过点击装甲车辆部件菜单按钮对装置进行相关操作（图5）。

图5 部件结构菜单操作

选择工作原理，可以以动画方式展示部件的工作原理。

选择炸开时，装置会散开为零部件，之后炸开选项变更为还原；选择还原时，装置会从零部件组合，之后还原选项变更为炸开（图6）。在零件结构图中可以选择某个零件进行旋转、放大及缩小展示。图7 和图8 即为变矩器泵轮不同方向的展示。零部件的任何细节，都可以按照操作者的意愿来显示。

图8 零件精细化展示（2）

四、结束语

为了提高装甲车辆构造与原理课堂教学效果，应用研究型和项目制教学模式，结合翻转课堂，来激发学生的学习主动性。采用一种移动互动式教学模式，实现在任何时间和任何地点，利用碎片化的时间完成坦克装甲车辆构造与原理的研究项目的课前与课后学习。基于移动网络和3D 交互技术，开发了移动式装甲车辆交互开放式教学系统。该系统可安装在基于安卓或IOS 系统的手机和平板电脑上，具备登录注册、选择部件、原理动画和结构展示等功能，学者在移动终端上通过触屏对机械部件进行旋转、缩放和移动，无死角地完成零部件的学习；系统可随内容的更新不断扩展。移动式装甲车辆交互教学系统为学者了解和学习装甲车辆构造与原理提供了方便、快捷的学习途径和内容，有力地推进装甲车辆构造与原理的项目制研究型教学改革，提高了教学效果。