VR技术在实战化教学中的应用研究

    张佳+黎敏谦+李振杰+李伟

    

    摘要：实战化教学是军队院校提出的新理念。通过实战化教学训练，目的是为了造就“能打仗，打胜仗”的新型士官人才。笔者以舰艇防化专业为例，结合相关教学案例，简单介绍了VR的基本概念和所需条件，在此基础上，重点阐述了在实战化教学中运用VR技术的几种应用方式。

    关键词：VR技术；实战化教学；舰艇防化

    中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）12-0172-03

    Abstract： The real-combat teaching is a new idea of military colleges. It aims to cultivate a new type of sergeant talent who can fight and can win battles. Take ships chemical defense profession for example， combined with related cases，the article firstly introduces the basic concepts of VR technology and its features. On this basics， Emphasis on several applications of VR technology in the practical teaching.

    Key words： VR technology； real-combat teaching； ships chemical defense

    实战化教学是军队院校提升人才培养质量，造就大批“能打仗、打胜仗”军事人才的基本途径[1]。而在实际实施过程中，由于院校人才培养与作战行动、部队训练之间的差异性，比如场地、人员、装备等方面的限制，这就导致院校实战化教学与真正的实战存在着差异。以舰艇防化专业为例，舰艇防化专业的教学对象为海军战斗舰艇防化部门的士官，是执行反核生化作战保障任务的重要力量，在教学过程中必须坚持“教为战、训为战、练为战”，按照部队实战装备训练标准，从难从严进行专业装备使用、管理与维修等各项实战性操作训练，然而，由于院校场地、人员、装备等方面的限制，不能保证在教学的过程中进行实装、实毒的训练。而VR（虚拟现实）技术能较好地解决这一问题。

    1 VR的基本概念及所需的条件

    VR技术是近年来随着计算机技术、电子技术与仿真理论发展起来的一门新型学科，是由计算机和电子技术创造一个看似真实的模拟环境。其采用计算机生成逼真的三维视、听、嗅等感觉，使人作为参与者通过多种传感设备，沉浸在模拟环境中，从而对虚拟世界进行体验和交互作用。VR的沉浸感、交互性和构想性，使其在教育领域内有巨大的应用前景。

    根据构造虚拟现实系统沉浸感的程度不同，VR系统可分成以下几类，桌面VR系统、沉浸式VR系统、分布式VR系统和遥感式VR系统。桌面VR系统使用个人计算机和低级工作站实现仿真，计算机的屏幕作为参与者观察虚拟环境的一个窗口，各种外部设备一般用来驾驭该虚拟环境，并用于操纵虚拟场景中的各种物体。沉浸式VR系统利用头盔显示器和数据手套等交互设备把用户的视觉、听觉和其他感觉封闭起来，使参与者暂时与真实环境隔离，真正成为VR系统内部的一个参与者。而遥感式VR系统是将来自遥远地区真实物理实体的三维图像与计算机生成的虚拟物体结合起来，用户虽与某个真实现场相隔遥远，但可以通过计算机和电子装置获得足够的现实感觉和交互，似身临其境，并可以介入对现场的遥控操作。分布式VR系统则是在沉浸式VR系统的基础上将不同的用户连接在一起，共享同一个虚拟空间，使用户协同工作达到一个更高的境界。

    实现VR技术所需的硬件主要有计算机、数据手套、特殊的头盔、三维立体传感、投影仪等配套设备。其常用软件主要有：目前大多计算机使用的是Windows操作系统，且微软公司已经提供了OpenGL等图形API。在计算机上建立三维虚拟现实系统一般使用此图形API。另外， 还有DELMIA（Digital Enterprise Lean Manufacturing Interactive Application）、CDVI、Cool3D 、VRCO VisTool等，它们均可在PC机或工作站上运行，使用十分方便。

    2 VR技术在实战化教学中的应用

    2.1利用VR技术教学可采用的方式

    由于VR技术可以对真实世界的行为活动进行仿真，并对用户的位置、动作、语言等做出实时响应，借助传感器等设备可以使参与者以接近自然的方式与虚拟环境中的对象进行交互，从而使参与者和虚拟环境之间建立起实时的交互关系，产生与真实环境中相似的感觉体验。因此，利用VR技术教学可采用以下几种方式。

    2.1.1 探究型教学

    探究学习是指运用探究的方式进行的学习活动和过程，亦即学员在教员的指导下，主动发现问题，以一种类似科学研究的方法对问题进行分析和研究，从而达到问题解决和知识获得的过程与活动。探究型教学能启发引导学员独立的探索知识，让学员通过积极的思维活动，概括得出有关的结论，系统训练其科学探究能力。在核武器教学中，核爆炸毁伤效应的综合作用与防护一课中，学员无法在感受核爆炸的作用效果，对于防护也只能纸上谈兵。利用VR技术模拟核爆炸实战环境，通过学员模拟感知，探究并总结核爆炸的特征，闪光——火球—烟云团，让学员不仅能切身体会核爆炸场景还能训练其实战中的防护能力，通过VR技术既能解决无法施展的问题，又能激发学员的学习兴趣，掌握基本技能。

    2.1.2 虚拟仿真教学

    能否熟练的操作装备是学员战斗力的重要体现。但在实际的教学过程中，院校的装备往往跟不上部队，也适应不了教学的要求。采用VR技术对装备等所有教学内容进行整体仿真，能有效地解决这一问题。通过构建虚拟的环境，让学员通过键盘和鼠标在虚拟的时空中任意与教学内容交互漫游，使学员在交互的同时进行技能训练、考核等工作。以防化专业某新型核辐射仪虚拟维修训练系统为例。通过软件构建某新型辐射仪的模型，学员不仅可以通过鼠标、键盘等其他人机交互设备操作，在虚拟的设备上查看每个开关按钮的安装位置及每个仪表的显示内容，并在相应的位置配有语音动画等内容，比较全面的介绍其功能和使用方法从而实现原理教学，而且可通过传感器等对其进行相应的虚拟操作，以实现对设备的操作训练。采用这种方式既可以解决教学中没有或者缺少实际新型装备，无法进行实装教学的难题，还可以激发学员的学习兴趣，为学员提供虚拟操作机会。

    2.1.3 虚拟维修教学

    维修是学员的一项重要技能。通过VR技术构建包含装备的虚拟维修场景，为学员提供一个虚拟的维修时空，使学员能修到“装备”。在这个时空中既包含装备的结构，故障的现象，又能真实的展现装备维修的过程，同时能对学员的维修动作进行反馈。同样以舰艇防化专业某型侦毒器为例，通过到装备的使用部队去收集故障案例，并将其加入到整个维修训练系统中，使其重现故障现象，学员通过所学分析故障的原因并提交相对应的故障维修方案，方案正确后学员通过传感器或其他人机交互设备对虚拟设备进行“维修”。在维修的过程中，系统自动记录整个过程，操作错误时进行正确的指导，并对其进行评估，得出本次维修的效果。采用这种方式可以排除人为实操造成装备故障而影响装备寿命，同时又能使学员形成装备维修的能力。

    2.1.4 任务驱动式教学

    将任务驱动式教学融入虚拟环境中，通过VR技术模拟真实的战场环境，学员利用传感器等设备在模拟的战场环境中完成教员下达的作战任务。这种教学方式是学员在熟练掌握装备操作和维修技能的基础上进行的，是虚拟仿真和维修教学的延伸。在这种方式中，教员就是整个战场的指挥员，而学员就是战场上的一名士兵，学员通过对虚拟设备的操作在虚拟的战场上进行配合，完成作战任务。在这种教学方式下，教学的环境接近真实的战场，作战的任务是教员在作战部队中搜集来的，因此，学员能通过此训练练就与实战要求相适应的作战能力。

    2.2利用VR技术教学的应用案例

    以某型辐射仪虚拟维修训练系统为例，如图1，该系统以辐射仪为研究对象，包括原理教学、实操训练、维修训练、作战任务四个模块。整个系统包括硬件系统和软件系统两个部分，硬件系统主要由服务器（主要实现数据交换）、控制台（主要实现数据处理）、VR设备（主要实现交互）、环境显示设备（主要实现虚拟战场环境）等构成，软件系统以Windows XP操作系统为搭载平台，利用VS .NET平台进行开发，采用Muhigen Creator构建模型数据库，利用Solidworks构建装备零部件的模型，依托先进的图形学理论开发的仿真集成开发平台PostEngineer完成环境建模，实现仿真软件。

    该系统能完成以下功能：

    1）与实装的一致性

    能通过VR设备对虚拟的装备进行操作，其操作动作、信息显示、信号流程等与实装一致。

    2）能进行原理、实操、维修、任务式教学和训练

    通过原理教学模块可完成原理教学、资料查询等功能，通过实操训练模块可对虚拟装备与实装一致的操作训练和拆装训练，通过维修模块可进行模拟维修操作，通过作战任务模块可完成与作战部队相适应的作战任务。

    3）能进行操作管理

    能进行训练管理，记录教学、自学和训练的时间、内容、人员等信息。

    4）能进行考核评估

    能对受训者进行装备知识、装备训练操作和装备维修操作的考核。

    系统运行过程为：运行程序，进入主界面后，可进行功能选择，假设选择作战任务模块，进入模拟训练后，可选择相应的任务进行训练，学员在投影设备产生的虚拟环境中通过VR设备进行相应操作。系统将记录学员的每一个动作及动作的时机，训练完毕，系统将根据学员的操作情况，对其进行评估和打分。

    3 思考

    在利用VR技术实现舰艇防化专业实战化时，收获颇多，但仍存在一些疑惑与问题：

    1）目前虚拟教学还存在很多缺陷，技术也不太成熟，对于防化专业课有些比较合适比如核武器，毒剂化验等，而部分课程不太适合，而且对教员的能力素质，例如计算机能力水平要求比较高。

    2）信息技术和防化军事技术是不断向前发展的，因此舰艇防化专业士官的技能和水平也要随之不断向前发展。因此该系统中就要不断地增加实战部队的新战法和新任务，以使其贴近实战、贴近部队，使其培养的学员能成为上岗顶用的专业人才。

    4 结束语

    “能打仗，打胜仗”是军事教育的目的，实战化教学是军队院校教育向部队实战岗位靠拢、提高军事训练实战化水平的一项具体举措，是培养适应实战需求士官人才的有效途径。而开展实战化训练，必须瞄准信息化条件下战争对装备执掌人员的新要求，不断创新教学训练方法手段。在VR技术的支持下，虚拟维修训练系统能够对现实的战场进行模拟并在学员训练过程中提供视觉、听觉、触觉等感受，使学员能在“酷似”实战的环境中得到与实装训练同样的效果。从实际教学效果分析，学员学习的积极主动性增强，对装备知识原理理解更加透彻，课堂气氛活跃，通过任务驱动式教学，极大地激发了学员的自信心和学习热情，达到了实战化教学的目的。

    参考文献：

    [1] 张景攀.对军队院校实战化教学的理性思考，基层政治工作研究，2014（11）：62-63.

    [2] 金政芝.虚拟现实技术在装备教学中的应用，考试周刊2015（2）：167-168.

    [3] 陈 科，彭五四，张红旗等.基于VR技术的虚拟维修仿真系统设计与应用，工程图学学报2010（6）：125-132.

    [4] 黄鑫.基于VR技术的虚拟教学应用研究， 江西教育学院学报2008（6）：50-52.