采用虚拟现实技术的任职教育

　　任职教育建立在学历教育的基础上,使培养对象获得适应特定工作岗位需要的专业理论知识和实际技能,具备胜任某种工作能力而进行的专门教育。目前,我军任职教育的种类主要有首次岗位任职教育、逐级晋升职务所需的教育和轮训性质的任职教育。军械工程学院雷达专业担负的培训种类主要是第一种和第三种,即通常所说的国防生和短训(或轮训) 。随着新军事变革的发展,对新型军事人才需求不断增加,学院雷达专业任职教育的规模不断扩大,原有的教学设施与手段已经不能满足当前的教育需要,这也是目前任职教育院校所面临的普遍问题。以计算机图形学为理论基础,以人工智能技术为支撑的虚拟现实技术能够有效地解决这个难题。

　　虚拟现实技术可以模拟生动形象的教学环境,使学员能够积极参与到教学过程中,从而达到培养和发展学员实际操作能力的目的,大大提高了任职教育的整体教学水平,推动了任职教育院校的发展。

　　近年来国内外对虚拟现实技术在维修培训等领域的应用进行了大量的研究。洛克希德公司在F - 16 的设计过程中利用虚拟维修系统进行维修确认和人素分析; 德国 Fraunhofer 计算机图形研究所实现了装配虚拟仿真,用于装配和维修过程的核查与确认; 美国 Wright Patterson 空军基地与GE 公司、洛克希德马丁公司实现了维修手册的自动生成。目前最成功的虚拟维修案例当属哈勃望远镜(HST) 的维修。事后美国国家航空航天局的调查结果表明: 虚拟维修训练对实际维修任务的完成是非常有效的。此外,美军研制的“未来战术卡车系统”2010 年装备部队,而该车的虚拟维修系统早在 2008 年就已经投入使用,有效保证了新装备在配备部队的同时形成维修保障能力。

　　我国在虚拟维修方面起步较晚,但经过近年来的持续研究取得了丰硕的成果。浙江大学CAD 国家重点实验室研制的沉浸式虚拟装配系统 IVAS,是在 CAVE 环境下开发的完全沉浸式虚拟装配原型系统,为设计人员提供了高度逼真和高度交互的虚拟设计与虚拟装配环境; 北京航空航天大学应用虚拟现实技术建立了基于虚拟样机的虚拟维修训练系统; 华中科技大学建立了基于知识的注塑机虚拟维修训练系统等。此外,虚拟现实技术在军用方法也得到了广泛的重视。虚拟维修训练成为部队维修训练的新手段和新方法,我军许多雷达模拟训练器装备到部队,为我军雷达装备的维修操作人员日常训练、院校教学起到了的积极作用。

　　一、当前军校任职教育的现状

　　以学院雷达专业任职教育为例,学员通常在1 ~ 3 个月的时间内集中学习某型雷达的构造、维修和技术检查。长期以来,教学大多在实际装备上进行,并且多是在装备部署到部队以后才由学院或其他相关院校、有关单位组织进行教学。这种模式势必造成以下问题: (1) 结合实际装备进行任职教育,其数量、教学场地、环境有限,受训人员的数量和操作时间难以保证,效率低。在教学实践中,雷达工作方舱内只能同时进入 4 ~5 名学员,而每期培训的学员都在 20 名左右,需要分成4 个组,平均每个组的上机操作时间很少,导致学员大部分时间都在自习。(2) 新装备功能结构复杂,造价昂贵,结合实际装备进行实战操作、维修训练,代价高,特别是在电子战越来越重要的今天,结合实际装备开展教学很容易暴露该装备的有关电子信息,如雷达发射频率等,所以其安全性得不到保证。(3) 结合实际装备进行故障维修训练,所遇故障和所能体会的维修操作和维修技术有限,大多还只能从书本上进行抽象理解。目前我军最新型雷达装备集成化、模块化程度越来越高,典型故障很难模拟和设置,教学实施难度越来越大,为保护装备只能让学员去想象故障现象和排除思路。

　　新装备造价昂贵、型号多、数量少,在实际装备上开展教学变得越来越困难,采用虚拟现实技术替代实际装备,开展虚拟维修、虚拟操作成为目前雷达及其他专业任职教育的一个重要的发展趋势。

　　二、虚拟现实技术

　　虚拟现实技术是指采用以计算机技术为核心的现代高科技生成逼真的视、听、触觉等一体化的虚拟环境,用户借助必要的设备以自然的方式与虚拟世界中的物体进行交互,相互影响,从而产生如亲临真实环境的感受和体验。它是随着包括计算图形学、多媒体技术、人工智能、人机接口技术、传感器技术、高度并行的实时计算技术以及人的行为学等一系列高新技术的发展而出现的一种新型的人机交互方式。

　　虚拟现实系统通过为用户提供视觉、听觉、触觉等多种直观而自然的交互方式,方便了用户的操作,提高了工作效率。美国科学家 Burdea G 和Philippe Coiffet 在 1993 年世界电子年会上发表了一篇题为“Virtual Reality System and Applica-tions”的文章,在该文中提出一个“虚拟现实技术的三角形”,指出虚拟现实技术具有的3 个突出特征: 沉浸性(Immersion) 、交互性(Interactivity) 、想象性(Imagination) 。沉浸性指由计算机所创造的虚拟环境,让用户有身临其境的感觉,让用户感觉自己就是虚拟环境的一部分,而不仅仅是旁观者;交互性是指人与计算机的以自然方式(如行走、抓握等) 进行交互,不同于以往通过鼠标键盘等工具的交互; 想象性是指虚拟环境是由设计者想象设计出来的,可以以夸大的形式反映设计者的思想,解决工程、医学、军事等方面的问题。虚拟现实技术所设计的虚拟场景与 3D 电影中所构建的 3D 立体景象有着本质的不同,3D 立体景象只是以旁观者的身份观看已制作好的三维立体景象,而虚拟场景是可以与用户实时交互的场景。

　　在虚拟现实技术所构建的虚拟场景中,用户可以体验场景中物体的重量、温度等。同时,用户的行为能够改变场景,可以在虚拟场景中改变虚拟物体的大小、形状、位置等。虚拟现实技术为用户提供了可以实现互动操作的虚拟环境,并以高度的沉浸感使用户产生身临其境的感觉,这使虚拟现实技术广泛应用在各行业中的产品设计与展示环节。

　　三、采用虚拟现实技术的任职教育

　　相比于传统任职教育的教学手段,虚拟操作、虚拟维修存在以下诸多优点: (1) 操作和维修训练不受时间、地点限制。虚拟操作、维修不需要大量的特殊器材,在通用计算机加装软件后,进行简单连接即可使用。受训人员不受时间和地点的限制,可随时进行操作训练和维修训练,通过增加操作、维修训练机会,提高操作技能和维修保障能力。(2) 培训功能齐全,承训量大。虚拟模型中可以嵌入装备的各种故障维修过程,受训学员在虚拟环境下通过维修培训,可以加深对各种故障机理和维修过程相关知识的学习。此外,全方位维修仿真训练可有效避免实际维修工作中出现的常见故障会修、少见故障束手无策的现象。装备维修模型一旦建立,可在多个仿真硬件平台上使用,为多个受训者同时提供维修训练培训。(3)虚拟操作和维修可以有效降低教学成本。虚拟操作和维修的成本主要在虚拟模型的研发和计算机相关硬件的购置。与传统方式不同的是虚拟操作和维修的成本是一次性投入,可以重复使用,以此来显著降低教学成本。(4) 受训人员和装备安全性好。装备操作、维修训练过程中,受训人员安全和装备安全是操作、维修训练的前提。传统装备操作和维修过程中需要教员来负责过程的安全问题,并且在实际教学过程中,还不可避免地出现各种安全事故,给教学工作带来了极大难处。由于虚拟操作、维修的整个过程都是在虚拟环境下完成的,因此不存在装备损坏和危害受训人员安全的问题。对于受到时空限制不能演示的周期长、危险性大的教学内容,用虚拟现实技术可以很好地展现在学生面前,达到良好的教学效果。

　　从以上虚拟操作、维修的特点可以看出,虚拟现实技术可以有效解决传统装备教学过程中出现的训练实践机会缺乏、维修保障能力滞后的问题,提升装备的维修保障能力。随着装备维修技术的发展,虚拟现实技术在提高教学效果、减少教学成本、提高人才培养质量等方面得到了普遍认可。

　　改进任职教育的教学方法、教学手段,关系到我军任职教育人才培养质量的提高和任职教育的健康发展。传统的任职教育教学手段已经不能完全适应当今军事变革对于塑造新型军事人才的需要。虚拟现实技术作为一门各种高新技术的交叉学科,以其沉浸性、交互性和想象性三大特征,使虚拟现实技术在军事领域有着极其广阔的应用空间。

　　将虚拟现实技术引入到军校任职教育,必将对任职教育人才培养质量的提高起到强大的推动作用。

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