张新喜　张嘉曦　石海滨

摘  要：为强化学员实战化本领，培养新型军事人才，在信息技术高速发展的推动下，该文开展虚拟训练系统辅助军队院校装备类专业课程教学改革应用研究。该文分析传统装备类课程的现状，结合装备类专业课程特点和实装训练需求，以某装备电气系统为对象，系统化设计虚拟训练系统的结构和功能，体系化研究虚拟训练系统辅助专业课教学的“提前知-辅助学-实战练”的融合沉浸式虚实结合教学模式，总结虚拟训练系统辅助教学的优势，研究成果可为其他专业课程教学提供参考。

关键词：虚拟现实技术；课程改革；教学应用；虚拟训练系统；装备类课程

中图分类号：G642      文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2024）16-0025-05

Abstract： In order to strengthen the cadets' practical skills and train new military talents， driven by the rapid development of information technology， this paper carried out a research on the application of virtual training system to assist the teaching reform of equipment specialty courses in military academies. This paper analyzed the current situation of traditional equipment courses， combined with the characteristics of equipment specialty courses and practical training needs， systematically designed the structure and function of a virtual training system with a certain type of tank electrical system as the object， systemically studies the "advance-know， auxiliary-study， actual combat-train" teaching mode of virtual training system， and summarized the advantages of virtual training system assisting teaching. The research results can provide reference for the teaching of other professional courses.

Keywords： virtual reality technology; curriculum reform; teaching application; virtual training system; equipment courses

装备类专业课程教学内容涉及装备各个系统的功能、结构原理、使用操作和维护保养等，与实际装备贴合紧密，是陆军装甲兵学院大三、大四阶段重要的专业课程，该装备类专业课程更加强调理论知识与装备实践结合，以实践来增加理论知识的理解和掌握，其教学过程既有理论教学又有实践训练。

同时，为了把握“立德树人、为战育人”的核心指向，遵循“以战领教”“为战教战”“育人打仗”的实战化教学理念，积极推动本科专业课程的实战化教学改革极为重要，传统的教学训练方式已不能完全满足实战化教学要求，在新技术发展背景下，就要以信息化技术为依托，探索新型教学模式，提升教学质量。

虚拟训练系统能够采用先进的仿真技术、虚拟现实技术和人工智能技术，建立装备的立体真实模型，搭建逼真的三维互动场景，使学员与实装沉浸式结合，快速理解和掌握装备不同系统的原理构造、操作使用、故障检排等，充分发挥学员主观能动性。基于虚拟训练系统辅助装备类课程教学，能够打破传统教学在时间和空间上所受的限制，将虚拟训练系统贯穿整个理论与实装实践教学中，形成理论课前“以虚促知”装备知识基础认知；理论课中“以虚强学”的专业课虚拟辅助应用，强调理论到装备的实时转化；实装实践课中“以虚补实”的沉浸式故障检排实操，形成实战化应用的虚实结合教学模式。

一  传统装备类专业课程教学现状分析

（一）  教学模式单一，理论联系实际不足

专业课程的教学往往理论知识专业性强且抽象，与地方大学不同，军队院校装备类专业课程教学需紧贴装备，从实装实战出发，要求理论密切联系装备实际，由于其涉密性和特殊性，难以使用翻转课堂、线上线下混合式教学等新型信息化教学模式和手段。现装备类理论课程教学，主要以教员输出型为主，虽充分利用多媒体手段展示，但对于装备中复杂系统和抽象理论的呈现模式尚有不足，学员仍难以将理论知识与装备实践结合，如对某型装备某系统的功用、位置、操作使用等理解不清，学习到的知识很难向实装迁移；而且专业课程的实装实践课程安排学时较少，一般以装备认知和观摩为主，学员对实装的理解和使用操作能力很难提升。

（二）  教学资源缺乏，实战化训练受限

在装备类专业课教学的实装实践课程中，需要统筹规划装备动用、助教安排等内容，学员要严格遵守训练场秩序与要求，按照实践内容逐一进行，缺乏一定的主观能动性，而且实装训练动用装备存在安全隐患、维护费用高，学员参与度低等问题；实装实训无法真实设置故障，不能对紧急工况进行处理，支撑不了学员故障排查、特情处置等实战化教学训练。以上问题在毕业联考、毕业演习等实装演练活动中表现明显，当突遇装备不能正常启动、电气模块故障等情况时，学员由于缺少相应训练，不能迅速判断与处置，使得装备趴窝、冒烟，影响演练活动正常进行。

（三）  装备更新不及时，人才培养与部队需求脱节

军队院校教育是军事人才培养的主渠道，在完备的学科专业体系教学过程中，为了紧跟装备发展和部队组训，要求根据新式装备、新技术的发展及时更新调整授课内容，以适应部队装备训练需求及人才培养需求，但军队院校新装备数量较少，导致学员无法在校内实现对新装备构造、使用及保障的熟练掌握，实装实训内容不能紧跟部队发展，与部队实际需求存在脱节。

二  虚拟训练系统的设计

（一）  虚拟训练系统的设计理念

本文以某装备电气系统课程教学为例，该课程依托教学科研项目开发了某型坦克电气电子系统虚拟维修训练系统，其包含了该型装备电气系统各个部分，包括启动系统、发电系统、综合电子系统和全车电路等。虚拟维修训练系统设计理念如图1所示。从基础理论知识开始引导辅助学员记忆、理解，加深基础认知；通过手柄、行为动作等与虚拟环境的交互，学员可以进行虚拟操作，实现理论学习到装备实践的贯通训练；在故障诊断模块中，学员能够综合运用理论知识，自主判断、动手进行故障排除，学员的实战化技能得以训练与提高。此外，考核和管理贯穿所有模块，教员能够根据教学日志和操作过程中反映的问题及时进行总结分析，调整优化虚拟训练系统的内容，更好地达到辅助专业课程教学训练的目的。

（二）  虚拟训练系统的功能

某型坦克电气电子系统虚拟维修训练系统具体包括认知学习、拆卸及装配训练、故障检测与排除训练、教学管理四类功能，如图2所示。训练科目类型包括：装备构造、工作原理、部件拆装、故障排除。

1）认知学习功能，采用图片、文档、三维动画和音视频等表现形式，融入部队和院校教学训练实践中形成的先进教学方法和经验技巧，使学员学习掌握电气电子系统结构、组成、功能及工作原理，并开展理论测试。主要科目类型为装备构造和工作原理。

2）拆卸及装配训练功能，针对某型坦克电气电子系统拆装训练知识要点，设置训练科目，构造系统拆装虚拟场景，利用先进的VR技术，按照角色分工和协同训练要求，引导学员按照拆装技术要求开展个人或多人协同的操作技术和规程训练，熟悉电气电子系统拆卸的流程和方法，并进行虚拟实操考核测试。支持引导式训练和操作考核，支持多人协同训练。主要科目类型为部件拆装。

3）故障检测与排除训练功能，在拆装训练功能的基础上，提供虚拟电气电子系统故障的近实战化故障判断和维修功能，支持引导式训练，支持多人协同训练，并可进行虚拟实操考核。主要科目类型为故障排除。

4）教学管理功能，可实现对各分系统的管理控制，实时检测系统软硬件的工作状况。教员可根据教学计划下达科目训练内容，指定单人或多人协同训练模式，可组织学员进行理论测试及虚拟实操测试。教员可对用户、数据和日志消息统一管理，并根据以上数据分析学员学习和掌握的情况，进而对专业课教学及时进行内容调整和优化。

三  虚拟训练系统辅助装备类专业课程教学应用

以装备类专业课程某装备电气系统教学为例，将某型坦克电气电子系统虚拟维修训练系统中电气系统以及部件的概念、组成、功能、原理、装配操作、故障现象和训练考核等虚拟训练内容辅助应用于某装备电气系统专业课程教学。虚拟训练系统辅助装备类专业课程教学总体思路如图3所示。

（一）  辅助教学应用设计

结合军队院校教学实际情况，合理应用虚拟训练系统辅助教学，以“能实不虚、虚实结合”为原则，重构教学内容，重新设计教学时间与教学模式，逐步形成学员为主体，教员为引领和推动，设计形成“提前知-辅助学-实战练”的融合沉浸式的虚实结合教学模式，采用情景式、沉浸式、参与式和探究式的教学方法，强调学员自主学、兴趣学、实践学，学员在整个虚实结合的教学过程中，能被激发主动掌握知识、亲自动手实践、发现并解决问题的能力，教员通过考核模拟评估实时掌握学员的理解、应用程度，从侧面加强了与学员的沟通交流，便于调整教学策略和教学内容，有效提升教学质量。

紧紧围绕人才培养方案明确的培养目标，按照专业课程教学计划，包括教学目标、教学内容、教学设计等，展开虚拟训练系统辅助课程的课程建设工作。深研教学计划，确定虚拟训练与课次内容契合的知识点，将对应部分进行含虚拟训练系统辅助的课次教学设计，形成理论课虚拟“提前知”与“辅助学”教学模式，规划好学时安排，突出虚拟系统的辅助作用；形成实装实践课的虚拟“实战练”，重新安排和组织实践课程，实装训练与虚拟系统训练优化组合，提高训练效率，特别是可以增加故障设置排查等实装难以实现的训练科目，培养学员的实战化素养。

依据往届学员对此类专业课程的学习情况，对理解不透彻、理论与实际联系不紧密、实战化教学训练缺失的环节进行重点调整，增加虚拟训练系统辅助专业课程教学，通过虚拟训练系统增强认知，让学员在高逼真、沉浸式的虚拟训练环境中全方位开展装备感知、装备操作、故障排查等操作，增强学员学习兴趣，在有限时间内获取传统课堂无法获得的知识和体验。

（二）  辅助教学应用内容

虚拟训练系统辅助专业课程教学的内容主要分三个部分：一是“提前知”，在课前作为先行认知、预习的教学资源，采用情景式教学；二是“辅助学”，在课中作为系统结构展示、原理演示的辅助教学内容，采用沉浸式教学；三是“实战练”，在实装实训中作为实装实训前的辅助训练手段，下达部件安装与拆卸、故障检测与排除任务，作为虚实轮训的教学手段，采用实践式和探究式教学。

1  课前“提前知”

由于军队院校学员日常训练量大、课程量多，各门课应接不暇，往往安排的预习不能按时按量完成，影响上课的听课效率。根据课程教学计划安排基于虚拟训练系统的认知学习，可充分提高学员的学习兴趣和预习效率。学员进入虚拟仿真训练系统后可选择理论学习模块进行学习，如图4所示，理论学习中涵盖装备构造、系统结构、工作原理等内容，做到对所学内容的整体、形象化、直观化的把握，并进行理论测试促进“先能力、后知识”的逆向教学，增加课前预习的有效性，同时解决了无法随时接触装备、线上装备资源少等实际教学难题，形成情景式的教与学。

2  课中“辅助学”

专业课理论知识的学习是为了更好地了解和掌握装备中实际装备电气系统的工作原理，这是一个高素质指挥员必备的知识素养和能力要求。教员在充分讲解、分析、引导的基础上，可应用虚拟训练系统中形成的三维立体模型进行演示，通过旋转、放大、透视等操作，让学员对讲述的装备电气系统器部件在装备上的位置、功用等知识得到强化和掌握。通过虚拟画面感的视觉冲击，在逼真的装备虚拟场景中身临其境，可快速提升学员对所学专业课理论知识的运用能力。与此同时，利用虚拟仿真演示问题的解决过程和效果，有效调动学员积极性，促进积极思考、激发学习潜能，形成沉浸式的教与学。

3  实装实训“实战练”

以学员为主体、任务为主线进行先虚后实的教学，教员下达任务后学员主动参与、交互、思考、实操。虚拟训练系统能够比较真实地还原模拟实装内部设备和结构，教学开始后，学员通过佩戴VR头盔进入虚拟实车装备，通过手柄和一些特定的动作来操作，可以选择单人任务或者小组多人任务进行组训，系统中有实时的日志记录，方便后期了解学员对知识的掌握程度，跟踪教学效果，学员也可以针对薄弱环节反复练习，能够在虚拟实践中巩固知识、强化动手实践能力，形成虚拟实践式教与学。

此外，虚拟训练系统可以模拟各种事故及极限运行状态，学员通过自主分析研究或以小组合作的方式排除故障，解决实装实训中无法模拟的故障状态，实现真实情况下无法实现的危险性操作或临界条件，如图5所示。利用虚拟训练系统来辅助实训教学，解决了实装数量不足、故障设置不方便、实战化条件不满足等实际教学问题，通过引导式训练和操作技能考核，增强学员的分析、评价、创造能力，达到“以虚补实”的目的，形成探究式教与学。

四  虚拟训练系统辅助专业课教学的实施效果

（一）  优化教学体验，提升教学效果

虚拟训练系统通过VR技术将实装映射到虚拟世界，能充分增强学员的感官体验，通过调动学习者的感知实现知识的高效学习，进而又由感知向交互感、沉浸感和临场感不断进阶，交互程度不断提高，学习深度不断加强，实现装备类专业课程教学临场感的高阶体验，可以较好地解决理论与实际联系不紧密、理论向实装迁移难的问题，改善了专业课较为枯燥的“灌输型”教学模式，极大地增加了学员兴趣，丰富了预习、学习、复习的教学资源，提升了教学效果。

（二）  创新实训过程，提高实战化技能

虚拟训练系统较好地解决了实装由于时间空间等限制动用难、维护大、安全性低的问题，而且虚拟训练系统辅助专业课程教学始终坚持两个导向：一是问题导向，由于所涉及实训内容的特殊性，例如新装备不足、车内空间小无法向全部学员演示指导、装备无法设置或呈现故障、无法模拟特殊战场环境等，所以在实训课程中，虚拟训练系统重点解决了正式实训科目条件不具备的难题，根据演习、以往经验设置故障检排案例库，真实模拟实装使用过程中出现的各种问题；二是需求导向，在“能打仗、打胜仗”实战化人才培养要求，以及培养德才兼备的高素质、专业化新型军事人才军事教育方针指引下，使实训课程更加贴近实战化需求。

（三）  丰富教学内容，改进教学手段

虚拟训练系统是先进教学内容的载体，在专业课程教学中引入虚拟训练系统是实现教学内容创新和教学模式转型的有效手段。虚拟训练系统能够在一定程度上解决教与学的问题，丰富了教学内容，改变了传统的教学模式，让学员更具主动性，增强参与感和获得感。在专业课程难点问题、重点问题、强化问题中，优先考虑将虚拟训练系统作为辅助手段，让学员及时将理论学习与实践训练相结合，在虚拟场景中锻炼分析与解决问题能力，最终大幅提升实装训练的质效。此外，虚拟训练系统采用高度开放式系统架构，可不断更新融合新一代在研装备、概念装备等内容，达到“人等装备”的超前实践培养，使学员紧跟新装备和新技术发展，可实现教学内容的迭代更新、学员专业素质的稳步提升。

基金项目：中央军委装备发展部陆军装备军内科研项目“某型坦克电气电子系统虚拟维修训练系统”（2020BZ03）；陆军装甲兵学院教育研究课题“虚拟训练系统辅助专业课程教学应用研究”（2022CG20）

第一作者简介：张新喜（1980-），男，汉族，湖北当阳人，博士，副教授，硕士研究生导师。研究方向为装甲车辆电气系统。