陶 鋮 楊 光 馬 杰 程繼鵬 曹良強(qiáng)

（空軍預(yù)警學(xué)院，湖北 武漢 430019）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，國防力量不斷增強(qiáng)，軍事裝備也在逐漸升級(jí)和換代，裝備維修作為保障裝備戰(zhàn)斗力的重要手段，也迎來了一些新的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)裝備維修教學(xué)長期以來通常采用課堂教學(xué)加上實(shí)踐教學(xué)的方法，訓(xùn)練內(nèi)容及方式愈發(fā)難以達(dá)到高水準(zhǔn)、高質(zhì)量的教學(xué)目標(biāo)，而教學(xué)效果的好壞直接關(guān)系到裝備效能的發(fā)揮，所以在新時(shí)代教改的背景下亟須轉(zhuǎn)型。

1 虛擬維修技術(shù)的發(fā)展

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)起源于20世紀(jì)60年代，由于受到當(dāng)時(shí)技術(shù)發(fā)展的限制，在80年代才飛速發(fā)展，并開始應(yīng)用于維修訓(xùn)練領(lǐng)域。

虛擬維修（Virtual Maintenance）首次提出于20世紀(jì)90年代，美國軍用手冊(cè)MIL-HDBK-470A中指出：“使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，工程師能在虛擬環(huán)境，對(duì)虛擬產(chǎn)品進(jìn)行維修?！彼抢糜?jì)算機(jī)仿真技術(shù)，將三維模型、動(dòng)畫、文字、圖片、音頻等有效融合在一起，讓使用者通過虛擬的互動(dòng)操作實(shí)現(xiàn)裝備工作原理演示、裝備虛擬拆裝和故障排除等訓(xùn)練項(xiàng)目。

早期最為典型的案例，當(dāng)屬美國哈勃望遠(yuǎn)鏡的虛擬維修訓(xùn)練。1990年4月，哈勃望遠(yuǎn)鏡被發(fā)現(xiàn)存在缺陷，因此，美國國家航空航天局（NASA）為執(zhí)行任務(wù)的宇航員建立了虛擬的太空環(huán)境，從中可完成各種模擬維修活動(dòng)。經(jīng)過訓(xùn)練后，哈勃的維修任務(wù)于1993年12月成功完成。

在2011年，美國陸軍研發(fā)出一種戰(zhàn)機(jī)虛擬維修系統(tǒng)。它使用包括一個(gè)三維空間觸摸屏的教學(xué)系統(tǒng)，幫助士兵學(xué)習(xí)Apache直升機(jī)故障的診斷和處理。這套系統(tǒng)能讓學(xué)生在接觸真實(shí)飛機(jī)之前進(jìn)行各種操作[3]。

圣保羅大學(xué)Cabral等構(gòu)建了一個(gè)電網(wǎng)配電系統(tǒng)培訓(xùn)運(yùn)營和維護(hù)模擬系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)工作場所安全和活動(dòng)保險(xiǎn)的風(fēng)險(xiǎn)控制。學(xué)生使用VR護(hù)目鏡可視化虛擬環(huán)境，并操縱一個(gè)真正的球棒與3D環(huán)境進(jìn)行交互，這兩者都由高精度紅外攝像系統(tǒng)（OptiTrack）跟蹤。

到目前為止，虛擬維修已成為各國裝備維修領(lǐng)域的主要發(fā)展趨勢之一，并開始將其運(yùn)用到實(shí)踐教學(xué)當(dāng)中。

在國內(nèi)，虛擬維修技術(shù)的顯著優(yōu)勢引起了各大高校以及科研機(jī)構(gòu)的廣泛關(guān)注，許多高校和科研中心將其作為重點(diǎn)方向進(jìn)行研究和教學(xué)。在2009年，中國航天員科研訓(xùn)練中心成功研制一套單機(jī)虛擬操作訓(xùn)練演示系統(tǒng)。浙江大學(xué)對(duì)分布式虛擬現(xiàn)實(shí)、虛擬裝備裝配及應(yīng)用于工效學(xué)領(lǐng)域的虛擬人體模型進(jìn)行了研究；北京航空航天大學(xué)、北京大學(xué)、武漢大學(xué)等學(xué)校也對(duì)維修訓(xùn)練中的具體問題進(jìn)行了研究。

南京理工大學(xué)和軍械工程學(xué)院聯(lián)合開發(fā)了某型導(dǎo)彈裝備沉浸式虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)。該系統(tǒng)在維修步驟、維修動(dòng)作及所見現(xiàn)象與實(shí)際裝備上訓(xùn)練完全一致，可以借助虛擬交互設(shè)備，在視覺上獲得與在實(shí)裝上訓(xùn)練一樣的感受。并且從2013年開始，教育部在全國范圍內(nèi)開展國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心和仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)，已先后投入建設(shè)300余個(gè)國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，各省教育廳也建設(shè)了一批省級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，有效推動(dòng)了虛擬維修技術(shù)在國內(nèi)的發(fā)展和應(yīng)用。

2 虛擬維修技術(shù)應(yīng)用于維修教學(xué)的必要性

2.1 傳統(tǒng)維修教學(xué)的現(xiàn)狀及不足

傳統(tǒng)裝備維修教學(xué)一般采用課堂教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合的形式。課堂教學(xué)主要是復(fù)習(xí)和鞏固裝備的原理以及講解維修的方法，通常采用幻燈片教學(xué)、視頻教學(xué)和實(shí)物講解等，而實(shí)踐教學(xué)主要是進(jìn)行分組實(shí)習(xí)，讓學(xué)生在裝備上進(jìn)行排故訓(xùn)練。隨著教學(xué)方法的推陳出新，傳統(tǒng)訓(xùn)練存在以下幾個(gè)問題：

首先，教師對(duì)維修理論知識(shí)講解過于抽象。對(duì)于基礎(chǔ)薄弱、主動(dòng)性不強(qiáng)的學(xué)生來說，很難完全吸收，一旦沒有及時(shí)解決問題，長此以往會(huì)導(dǎo)致這些學(xué)生實(shí)踐時(shí)，不敢動(dòng)手也不愿動(dòng)手甚至?xí)a(chǎn)生厭學(xué)的情緒，影響整個(gè)小組學(xué)習(xí)氛圍，從而形成一系列的不良反應(yīng)。

其次，教學(xué)裝備造價(jià)昂貴，期班配備數(shù)量不足。以內(nèi)燃機(jī)維護(hù)與修理課程為例，平均每13名學(xué)生配備一臺(tái)柴油機(jī)，這導(dǎo)致不是每個(gè)學(xué)生都能經(jīng)常動(dòng)手實(shí)踐，對(duì)于學(xué)習(xí)興趣不高的學(xué)生難有較大的提高。

最后，實(shí)踐教學(xué)有一定的風(fēng)險(xiǎn)性。實(shí)踐教學(xué)的主要目的是讓學(xué)生在實(shí)操中學(xué)習(xí)使用、拆卸和維修裝備，由于裝備體型大、質(zhì)量重，在實(shí)際拆卸和維修的過程中具有一定危險(xiǎn)，一旦出現(xiàn)問題就會(huì)造成人員傷亡和裝備損壞。因此，很多老師對(duì)于貼近實(shí)戰(zhàn)但具有風(fēng)險(xiǎn)的教學(xué)內(nèi)容，就會(huì)簡化甚至不做重點(diǎn)，這不利于提升學(xué)生實(shí)戰(zhàn)維修能力。

2.2 虛擬維修在維修教學(xué)中的優(yōu)勢

2.2.1 有效減少實(shí)踐教學(xué)的風(fēng)險(xiǎn)

傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)通常是由教師先講解維護(hù)步驟，同時(shí)強(qiáng)調(diào)注意事項(xiàng)并做示范，再讓學(xué)生分組動(dòng)手實(shí)踐。如果遇到比較復(fù)雜的操作，學(xué)生有可能記混操作步驟，一旦錯(cuò)誤實(shí)施，就會(huì)對(duì)裝備造成損壞。例如，柴油機(jī)汽缸蓋的拆裝，對(duì)于每個(gè)螺母擰松的順序和扭力都有嚴(yán)格要求，如果操作不當(dāng)，沒有按照正確步驟實(shí)施，就會(huì)使汽缸蓋發(fā)生翹起，導(dǎo)致柴油機(jī)漏水、漏氣。而虛擬維修技術(shù)的出現(xiàn)，能有效減少這些情況的發(fā)生，因?yàn)槟苡糜?jì)算機(jī)模擬這些實(shí)踐內(nèi)容，并且它所有的數(shù)據(jù)都來源于真實(shí)的數(shù)據(jù)庫，所以其模擬過程與實(shí)踐過程相似，學(xué)生在實(shí)操之前，通過虛擬維修訓(xùn)練對(duì)即將實(shí)踐的內(nèi)容進(jìn)行反復(fù)練習(xí)，加深了學(xué)生對(duì)正確操作的理解，從而避免出現(xiàn)重大失誤，這樣能有效降低裝備損壞的概率。

2.2.2 符合士官院校學(xué)生的心理特點(diǎn)

士官院校的學(xué)生大多基礎(chǔ)較弱，只有初中、高中學(xué)歷，對(duì)于理論知識(shí)的理解能力較弱，因此在課堂上對(duì)于抽象理論知識(shí)興趣不足，更樂于參與實(shí)踐教學(xué)。虛擬維修技術(shù)的引入能讓學(xué)生拋開心理負(fù)擔(dān)，勇于嘗試，不用擔(dān)心操作失誤造成裝備的損壞，能夠反復(fù)進(jìn)行操作學(xué)習(xí)，同時(shí)可以與教師所講的理論相互印證，加深對(duì)于所學(xué)知識(shí)的理解。并且虛擬維修訓(xùn)練中還設(shè)計(jì)有評(píng)價(jià)系統(tǒng)，對(duì)于學(xué)生的操作過程進(jìn)行打分，這極大地激發(fā)了學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性，提高了學(xué)習(xí)的興趣。

2.2.3 能夠保障教學(xué)訓(xùn)練的正常進(jìn)行

一般進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)時(shí)，需要考慮多種因素，如場地情況、訓(xùn)練時(shí)間甚至環(huán)境天氣等，必須滿足所有的條件才能開始進(jìn)行教學(xué)訓(xùn)練。如果其中一項(xiàng)出現(xiàn)問題，就需要改動(dòng)教學(xué)計(jì)劃，甚至?xí)绊懙秸Ｉ险n。采用虛擬維修技術(shù)后，以上受限制的條件可以用虛擬訓(xùn)練來替代，例如，場地出現(xiàn)狀況，就可以在教室里模擬訓(xùn)練，只需要簡單調(diào)整課程內(nèi)容即可，充分保障了教學(xué)進(jìn)度。

2.2.4 有較好的經(jīng)濟(jì)性

雖然虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)的研發(fā)成本較高，開發(fā)周期較長，后期維護(hù)也需要持續(xù)性投入，但是它能夠節(jié)約大量教學(xué)裝備產(chǎn)生的費(fèi)用，同時(shí)虛擬訓(xùn)練又可以減少實(shí)踐操作對(duì)裝備的損耗，以及減少訓(xùn)練耗材的消耗等問題，從而節(jié)約了教學(xué)成本。

3 虛擬維修在實(shí)踐教學(xué)中的具體運(yùn)用舉例

為了增強(qiáng)訓(xùn)練效果，必須保持虛擬訓(xùn)練與真實(shí)維修的一致性。因此對(duì)虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)有一定的要求，首先要求模型真實(shí)度高，每個(gè)零件都要真實(shí)還原。其次虛擬訓(xùn)練過程要精心設(shè)計(jì)，具備較強(qiáng)的邏輯性。最后系統(tǒng)操作簡便，容易上手，并且能夠?qū)γ看斡?xùn)練進(jìn)行評(píng)價(jià)。

依據(jù)上列要求，某士官學(xué)校研發(fā)出電站柴油機(jī)虛擬維護(hù)訓(xùn)練系統(tǒng)，旨在幫助學(xué)員快速生成裝備保障能力。通常柴油機(jī)維護(hù)類的課程，都是人數(shù)多裝備少，而且整個(gè)課程只會(huì)進(jìn)行一次拆裝、清洗、檢測、維護(hù)、安裝等流程，很難滿足學(xué)生和教師的需求，虛擬維護(hù)技術(shù)的出現(xiàn)，很大程度上起到了一定的補(bǔ)充和輔助作用。

該系統(tǒng)分為四個(gè)訓(xùn)練模塊，分別是整機(jī)訓(xùn)練、分系統(tǒng)訓(xùn)練、工作原理和維護(hù)訓(xùn)練，學(xué)生可以在大屏一體機(jī)上登錄虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)。整機(jī)訓(xùn)練和分系統(tǒng)訓(xùn)練能夠三維實(shí)時(shí)展示電站柴油機(jī)整體以及各個(gè)分系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，同時(shí)學(xué)生能利用鼠標(biāo)選取相應(yīng)工具，拆卸對(duì)應(yīng)零部件，并且很多零部件處于半透明狀態(tài)，便于學(xué)生觀察其結(jié)構(gòu)。這兩個(gè)模塊能夠讓學(xué)生了解如何選用適當(dāng)?shù)墓ぞ撸煜は嚓P(guān)零部件，以及掌握整機(jī)拆裝的步驟。

工作原理模塊是通過三維模型動(dòng)態(tài)演示柴油機(jī)不同系統(tǒng)的工作過程，分別設(shè)置有整機(jī)運(yùn)動(dòng)、冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)和燃料系統(tǒng)等。學(xué)生之前學(xué)習(xí)原理時(shí)，只能通過教師的理論講解來認(rèn)識(shí)其工作過程，難以理論聯(lián)系實(shí)際。但通過該模塊，能使得理論教學(xué)變得形象化，更加直觀，容易理解，例如，對(duì)燃料油路進(jìn)行講解時(shí)，零部件較多，油路復(fù)雜，學(xué)生只有抽象概念難以記憶，利用該模塊訓(xùn)練，則所有零部件均可以模擬呈現(xiàn)，無須抽象，并且通過還原燃料油路走向，能較快地與實(shí)際相結(jié)合，縮短理論轉(zhuǎn)換為實(shí)際能力的時(shí)間。

維護(hù)訓(xùn)練模塊是虛擬維修訓(xùn)練的核心部分，設(shè)置有氣門間隙調(diào)整、供油正時(shí)調(diào)整、燃油濾清器更換等訓(xùn)練項(xiàng)目。由于裝備實(shí)踐教學(xué)就是為了讓學(xué)生能熟悉掌握裝備的典型故障及其排除方法，所以僅對(duì)典型故障進(jìn)行理論講解，學(xué)生很難理解透徹，而全部實(shí)踐操作也沒有那么多時(shí)間和裝備。引入該系統(tǒng)后，有效降低了維修教學(xué)成本。學(xué)生不僅能夠通過實(shí)踐操作來學(xué)習(xí)維修內(nèi)容，而且能通過虛擬維修訓(xùn)練反復(fù)練習(xí)加以鞏固，有效提高教學(xué)效果。并且學(xué)生在完成每個(gè)環(huán)節(jié)訓(xùn)練時(shí)，系統(tǒng)都會(huì)根據(jù)完成情況來評(píng)估學(xué)習(xí)效果，同時(shí)給出標(biāo)準(zhǔn)答案，讓學(xué)生能彌補(bǔ)自己的薄弱環(huán)節(jié)。從學(xué)生使用情況來看，電站柴油機(jī)虛擬維護(hù)訓(xùn)練系統(tǒng)幫助學(xué)生對(duì)柴油機(jī)從整體的拆裝到局部零部件的維護(hù)都有了直觀的認(rèn)識(shí)，極大地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)性，同時(shí)也減少了裝備的損耗，保障了訓(xùn)練安全。

4 結(jié)語

在實(shí)踐教學(xué)中，虛擬維修技術(shù)能夠很好地起到補(bǔ)充和輔助實(shí)踐訓(xùn)練的作用，顯著提升了實(shí)踐訓(xùn)練的效率。但是目前虛擬維修技術(shù)仍存在一定的局限性和不足，不能完全代替真實(shí)的實(shí)踐訓(xùn)練，因此教師不能舍本逐末，過度依賴虛擬維修技術(shù)，在充分發(fā)掘虛擬維修教學(xué)性的同時(shí)，也應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況合理分配虛實(shí)教學(xué)的時(shí)間，最終達(dá)到更好的教學(xué)效果。