任職教育建立在學歷教育的基礎上,使培養對象獲得適應特定工作崗位需要的專業理論知識和實際技能,具備勝任某種工作能力而進行的專門教育。目前,我軍任職教育的種類主要有首次崗位任職教育、逐級晉升職務所需的教育和輪訓性質的任職教育。軍械工程學院雷達專業擔負的培訓種類主要是第一種和第三種,即通常所說的國防生和短訓\\(或輪訓\\) 。隨著新軍事變革的發展,對新型軍事人才需求不斷增加,學院雷達專業任職教育的規模不斷擴大,原有的教學設施與手段已經不能滿足當前的教育需要,這也是目前任職教育院校所面臨的普遍問題。以計算機圖形學為理論基礎,以人工智能技術為支撐的虛擬現實技術能夠有效地解決這個難題。
虛擬現實技術可以模擬生動形象的教學環境,使學員能夠積極參與到教學過程中,從而達到培養和發展學員實際操作能力的目的,大大提高了任職教育的整體教學水平,推動了任職教育院校的發展。
近年來國內外對虛擬現實技術在維修培訓等領域的應用進行了大量的研究。洛克希德公司在F - 16 的設計過程中利用虛擬維修系統進行維修確認和人素分析; 德國 Fraunhofer 計算機圖形研究所實現了裝配虛擬仿真,用于裝配和維修過程的核查與確認; 美國 Wright Patterson 空軍基地與GE 公司、洛克希德馬丁公司實現了維修手冊的自動生成。目前最成功的虛擬維修案例當屬哈勃望遠鏡\\(HST\\) 的維修。事后美國國家航空航天局的調查結果表明: 虛擬維修訓練對實際維修任務的完成是非常有效的。此外,美軍研制的“未來戰術卡車系統”2010 年裝備部隊,而該車的虛擬維修系統早在 2008 年就已經投入使用,有效保證了新裝備在配備部隊的同時形成維修保障能力。
我國在虛擬維修方面起步較晚,但經過近年來的持續研究取得了豐碩的成果。浙江大學CAD 國家重點實驗室研制的沉浸式虛擬裝配系統 IVAS,是在 CAVE 環境下開發的完全沉浸式虛擬裝配原型系統,為設計人員提供了高度逼真和高度交互的虛擬設計與虛擬裝配環境; 北京航空航天大學應用虛擬現實技術建立了基于虛擬樣機的虛擬維修訓練系統; 華中科技大學建立了基于知識的注塑機虛擬維修訓練系統等。此外,虛擬現實技術在軍用方法也得到了廣泛的重視。虛擬維修訓練成為部隊維修訓練的新手段和新方法,我軍許多雷達模擬訓練器裝備到部隊,為我軍雷達裝備的維修操作人員日常訓練、院校教學起到了的積極作用。
一、當前軍校任職教育的現狀
以學院雷達專業任職教育為例,學員通常在1 ~ 3 個月的時間內集中學習某型雷達的構造、維修和技術檢查。長期以來,教學大多在實際裝備上進行,并且多是在裝備部署到部隊以后才由學院或其他相關院校、有關單位組織進行教學。這種模式勢必造成以下問題: \\(1\\) 結合實際裝備進行任職教育,其數量、教學場地、環境有限,受訓人員的數量和操作時間難以保證,效率低。在教學實踐中,雷達工作方艙內只能同時進入 4 ~5 名學員,而每期培訓的學員都在 20 名左右,需要分成4 個組,平均每個組的上機操作時間很少,導致學員大部分時間都在自習。\\(2\\) 新裝備功能結構復雜,造價昂貴,結合實際裝備進行實戰操作、維修訓練,代價高,特別是在電子戰越來越重要的今天,結合實際裝備開展教學很容易暴露該裝備的有關電子信息,如雷達發射頻率等,所以其安全性得不到保證。\\(3\\) 結合實際裝備進行故障維修訓練,所遇故障和所能體會的維修操作和維修技術有限,大多還只能從書本上進行抽象理解。目前我軍最新型雷達裝備集成化、模塊化程度越來越高,典型故障很難模擬和設置,教學實施難度越來越大,為保護裝備只能讓學員去想象故障現象和排除思路。
新裝備造價昂貴、型號多、數量少,在實際裝備上開展教學變得越來越困難,采用虛擬現實技術替代實際裝備,開展虛擬維修、虛擬操作成為目前雷達及其他專業任職教育的一個重要的發展趨勢。
二、虛擬現實技術
虛擬現實技術是指采用以計算機技術為核心的現代高科技生成逼真的視、聽、觸覺等一體化的虛擬環境,用戶借助必要的設備以自然的方式與虛擬世界中的物體進行交互,相互影響,從而產生如親臨真實環境的感受和體驗。它是隨著包括計算圖形學、多媒體技術、人工智能、人機接口技術、傳感器技術、高度并行的實時計算技術以及人的行為學等一系列高新技術的發展而出現的一種新型的人機交互方式。
虛擬現實系統通過為用戶提供視覺、聽覺、觸覺等多種直觀而自然的交互方式,方便了用戶的操作,提高了工作效率。美國科學家 Burdea G 和Philippe Coiffet 在 1993 年世界電子年會上發表了一篇題為“Virtual Reality System and Applica-tions”的文章,在該文中提出一個“虛擬現實技術的三角形”,指出虛擬現實技術具有的3 個突出特征: 沉浸性\\(Immersion\\) 、交互性\\(Interactivity\\) 、想象性\\(Imagination\\) 。沉浸性指由計算機所創造的虛擬環境,讓用戶有身臨其境的感覺,讓用戶感覺自己就是虛擬環境的一部分,而不僅僅是旁觀者;交互性是指人與計算機的以自然方式\\(如行走、抓握等\\) 進行交互,不同于以往通過鼠標鍵盤等工具的交互; 想象性是指虛擬環境是由設計者想象設計出來的,可以以夸大的形式反映設計者的思想,解決工程、醫學、軍事等方面的問題。虛擬現實技術所設計的虛擬場景與 3D 電影中所構建的 3D 立體景象有著本質的不同,3D 立體景象只是以旁觀者的身份觀看已制作好的三維立體景象,而虛擬場景是可以與用戶實時交互的場景。
在虛擬現實技術所構建的虛擬場景中,用戶可以體驗場景中物體的重量、溫度等。同時,用戶的行為能夠改變場景,可以在虛擬場景中改變虛擬物體的大小、形狀、位置等。虛擬現實技術為用戶提供了可以實現互動操作的虛擬環境,并以高度的沉浸感使用戶產生身臨其境的感覺,這使虛擬現實技術廣泛應用在各行業中的產品設計與展示環節。
三、采用虛擬現實技術的任職教育
相比于傳統任職教育的教學手段,虛擬操作、虛擬維修存在以下諸多優點: \\(1\\) 操作和維修訓練不受時間、地點限制。虛擬操作、維修不需要大量的特殊器材,在通用計算機加裝軟件后,進行簡單連接即可使用。受訓人員不受時間和地點的限制,可隨時進行操作訓練和維修訓練,通過增加操作、維修訓練機會,提高操作技能和維修保障能力。\\(2\\) 培訓功能齊全,承訓量大。虛擬模型中可以嵌入裝備的各種故障維修過程,受訓學員在虛擬環境下通過維修培訓,可以加深對各種故障機理和維修過程相關知識的學習。此外,全方位維修仿真訓練可有效避免實際維修工作中出現的常見故障會修、少見故障束手無策的現象。裝備維修模型一旦建立,可在多個仿真硬件平臺上使用,為多個受訓者同時提供維修訓練培訓。\\(3\\)虛擬操作和維修可以有效降低教學成本。虛擬操作和維修的成本主要在虛擬模型的研發和計算機相關硬件的購置。與傳統方式不同的是虛擬操作和維修的成本是一次性投入,可以重復使用,以此來顯著降低教學成本。\\(4\\) 受訓人員和裝備安全性好。裝備操作、維修訓練過程中,受訓人員安全和裝備安全是操作、維修訓練的前提。傳統裝備操作和維修過程中需要教員來負責過程的安全問題,并且在實際教學過程中,還不可避免地出現各種安全事故,給教學工作帶來了極大難處。由于虛擬操作、維修的整個過程都是在虛擬環境下完成的,因此不存在裝備損壞和危害受訓人員安全的問題。對于受到時空限制不能演示的周期長、危險性大的教學內容,用虛擬現實技術可以很好地展現在學生面前,達到良好的教學效果。
從以上虛擬操作、維修的特點可以看出,虛擬現實技術可以有效解決傳統裝備教學過程中出現的訓練實踐機會缺乏、維修保障能力滯后的問題,提升裝備的維修保障能力。隨著裝備維修技術的發展,虛擬現實技術在提高教學效果、減少教學成本、提高人才培養質量等方面得到了普遍認可。
改進任職教育的教學方法、教學手段,關系到我軍任職教育人才培養質量的提高和任職教育的健康發展。傳統的任職教育教學手段已經不能完全適應當今軍事變革對于塑造新型軍事人才的需要。虛擬現實技術作為一門各種高新技術的交叉學科,以其沉浸性、交互性和想象性三大特征,使虛擬現實技術在軍事領域有著極其廣闊的應用空間。
將虛擬現實技術引入到軍校任職教育,必將對任職教育人才培養質量的提高起到強大的推動作用。
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