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虚实结合层递式装备测试教学训练模式研究

顾钧元等

陈育良?肖支才?盛沛

［摘要］针对现有装备技术保障教学训练模式存在的不足，根据其技术保障全要素、全流程的要求和实战，按照技术准备流程一致、操作内容一致、操作要求一致的标准，充分利用虚拟仿真训练VR（VirtualReality）等新兴技术，基于虚拟训练系统、操作训练模拟器和实装“三位一体”，进行层递式一体化的装备测试教学训练模式构建研究，完成“三位一体”、层递式的装备测试教学训练过程，构建层递式、虚实一体的装备测试教学训练模式。

［关键词］虚实结合；装备测试；教学训练模式

［基金项目］2020年度海军航空大学青年教研创新人才工程项目（2020433）

［中图分类号］G642.4［文献标识码］A［文章编号］1674-9324（2023）36-0131-05［收稿日期］2022-08-01

习近平主席指出：“深入推进军事训练转型，构建新型军事训练体系，全面提高训练实战化水平和打赢能力。”［1］测试是装备技术保障的核心内容。近年来，随着多型装备的入役，现有的院校教学训练装备逐渐不能满足教学训练需求；另外，装备使用寿命受通电时间、通电次数等限制，使用实装训练对装备寿命消耗大，且容易造成装备损伤；同时，现有实装实训方式无法形成教学训练全覆盖，无法满足大量、足量的装备实操训练要求。针对现有装备测试教学训练模式存在的不足，充分利用VR（VirtualReality）等新兴技术，进行虚实结合的层递式装备测试教学训练模式研究与实践，构建面向实战化的切实有效可行的装备测试教学训练模式，为全面提升院校装备教学训练实战化水平提供坚实的支撑。

一、虚实结合教学模式研究背景

近年来，随着信息化技术的迅速发展，新的教学方法正在不断涌现，其中VR技术作为当前最具活力和前景的技术之一，已在教学实践中得到一定程度的普及与应用［2-3］。在国外，基于VR的教育项目正成为一种越来越普及的教育媒体设计方案。美国华盛顿大学开发名为MagicBook的增强现实系统，使传统出版读物的图文描述转变为三维立体成像，开创了增强现实技术在教育教学中应用的初倪［4-5］。在VR应用研究方面，国外成熟的系统遍地开花，并结合相关的教学理论和学习理论进行了多方面的论述，成果斐然。在国内，许多高校已开展虚拟现实和增强现实方面的研究工作［6-8］。其中最有代表性的是北京师范大学现代教育研究所研发的“未来之书”，该团队制作了一本虚实融合的立体交互书，利用增强现实的图像识别、三维成像等技术克服传统图书的不足，带来了新的教学模式和方法。

在国内外军事训练领域，基于虚拟技术的装备训练蓬勃发展，有力地推动了装备教学训练体系建设，美军充分利用VR、AR等技术，完成了装备保障和维修，甚至进行体系对抗、飞行员操作训练等；国内的VR、AR等技术在各军事院校教学中得到了大量运用，空军工程大学导弹学院将VR、AR、MR等技术运用于装备保障和教学中，海军航空大学将VR应用到飞行训练中，基于VR技术开发了舰载机某型导弹攻击训练装备等。

二、装备技术保障虚拟训练系统设计

（一）系统硬件架构

根据技术准备要求，训练系统可以单机操作也可多人协同操作，考虑多人交互训练使用需求，配置训练号手席位，并根据号手数量配置训练台位以及进行预留。同时考虑教学需求，还配置了导调控制席位，系统硬件架构如图1所示。

虚拟训练系统主要用于技术准备的操作训练，根据内场技术准备和外场挂机训练配置不同的号手，根据操作号手数量配置不同数量的号手实训台，每个台位包括1套工作站，主要用于完成3D视景渲染等工作，还包括1套用于虚拟训练的VR外设，包括VR头显、数据手套和追踪器等。

导调操控台主要用于训练数据管理、训练任务管理、统计分析和操作实时监控等。交互显示系统完成整个虚拟训练进程的显示和投影。导调操控台、号手实训台和显示系统之间的控制数据、场景数据、监控数据等传输由网络链路完成。

（二）系统软件架构

依据功能需求和硬件配置进行软件设计，虚拟训练系统软件架构如图2所示，由技术层和应用层两部分组成。依据功能要求，应用层面有操作训练和导调控制两部分内容，由8大主要功能、24个功能模块组成；技术层涉及人机自然交互、相关底层算法和建模技术，包括1个人机自然交互技术、9个仿真运算底层算法和10个建模技术。

为了保证主框架和各模块之间有较好的兼容性，软件在VS开发上统一使用三维引擎驱动开发包实现二次开发。为实现系统的模块化和通用性，尽量减少耦合性，系统在接口和数据定义明确的情况下分为若干模块同时开发，最后依次集成。

（三）装备三维模型、行为模型和交互模型的构建

1.三维模型构建。（1）资料收集和实地测绘。收集仿真对象的文本、图像、视频等相关资料，对拟构建的仿真对象根据实际情况综合采用