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摘 要： 单兵综合作战系统维修，作为一门新兴课程，涵盖大量设备信息和相关知识，单靠传统的教学手段是远远不够的。本文针对该课程的特点探讨了仿真专修室的建设，主要运用信息化手段和现代媒体技术实现了人机交流、自助自主学习、装备仿真模拟维修训练，以及在线考核等项目，为单兵综合作战系统教学的实践训练奠定了坚实的基础。
关键词： 仿真专修室 单兵综合作战系统 维修教学
现今时代越来越离不开信息化交流，各类信息技术、多媒体技术、网络技术等的高速发展，为学校的教育手段、方法提供了多元化途径。随着知识的更新速度如爆炸般地加快，促使每个学科在有限的时间里更高效地完成教学任务。要学生在短时间里接受大量知识，又有效地用以实践，传统黑板式教学显然远远不够[1]。而我们学科主要培养的是步兵装备维修人才，尤其是针对单兵综合作战系统这种全新复合型维修人才的培养，除了必要的理论学习外，更要有大量的实践训练，这就要求专业需配置大面积的训练场地、大量训练用器材和装备及足够的师资力量，然而目前的资源仍然无法让每位学生得到充分锻炼。所以，用新科技、新技术改变现行专修室格局迫在眉睫。经过长时间的探索和研究，我们进行了适合单兵综合作战系统教学的仿真专修室建设[2][3]。
单兵综合作战系统仿真专修室采用全程3D动画立体化教学。由多块大屏幕并行展示教学内容，达到多学科技术协同式教学的目的。采用最新体感交互技术，替代传统的接触式人机交互模式，实现虚拟维修的操作体验；采用先进的光谱立体显示技术，展示实装的结构，替代传统的教学模型，形象逼真，节约空间。采用立体教材，将系统的基础知识讲解、装备的原理结构、维护保养、维修、考核等学习内容，用生动活泼的3D动画、严肃游戏的形式表现出来，改变传统的教学模式，为教员提供丰富的教学资源，为学生提供寓教于乐的自主学习模式。以电子挂图、电子示教板替代传统呆板的挂图、示教板，并配以动画、声音、翻页，使其具有交互功能。
一、虚拟仿真专修室硬件建设
本专修室由下列硬件构成：
大屏幕触摸屏教学系统：3面触摸屏一体机，用于立体教材的教学、机电液原理的协同教学、远程示教。在协同教学中，3面一体机通过局域网进行同步通信。可用于翻页展示立体教材。
电子示教触摸屏：8面触摸屏一体机。电子示教触摸屏既可用于电子挂图的翻页展示，内置电子挂图软件，又具备定点放大、缩小、移动等功能。
学生机：20台。学生机上装备各类符合本实验室四阶段教学相关的软件，学生利用鼠标进行操作，满足学生预习、训练、考核的需求。
体感设备：1台，无线交互体验在虚拟维修中的应用。
立体投影机：1套，立体投影主机和投影墙。
大屏幕LED显示系统：用于各类宣传等字幕的滚动输出。
集成控制系统：对各种软硬件系统的集成管控，包括开关机、内联信号的发送转移、网络数据库的备份等。
二、虚拟仿真专修室软件系统
软件系统是为全程辅助实验室四阶段教学过程搭建的，包含的软件系统有：
立体教材：实现学生自主学习的交互式电子教材。
电子挂图：内置电子挂图软件，实现电子挂图图片的自动导入功能，能支持翻页、缩放、移动等功能。
虚拟操作培训软件：提供三维交互式虚拟操作软件系统，将实装设备放置在虚拟世界中，模拟和训练装备的操作过程。
维护保养考核实训平台：提供三维交互式软件系统，能达到维护保养技能培训和考核的目的。
技术检查考核实训平台：提供三维交互式软件系统，能达到技术检查技能培训和考核的目的。
故障排除实训平台：三维交互式软件系统，能达到故障排除技能培训和考核的目的。
游戏天地：将严肃游戏应用于实验室教学当中，辅助学员从预习、训练到考核多个阶段的学习过程。
师生互动教学教改论坛：采用E—Learning的教学模式[4]，将学生和老师在教学教改方面的相关信息以互动的方式录入进系统，并对学生的专业、训练成绩等数据进行统计分析，为教学教改提供有力依据。
（一）立体教材
立体教材采用交互式多媒体电子书方式，引入二三维交互展示[5]、游戏元素辅助于教学培训，大大提高学习的效率和趣味性。
针对单兵综合作战系统每个子系统软硬及使用特点，采用不同的主体教材表现方式，立体教材包含的内容形式有：主体教材、虚拟操作系统、虚拟维修训练、维护保养训练、虚拟拆装训练系统、课程训练游戏、重难点、课后习题、记笔记、学生学习记录，等等。
（二）虚拟维修训练与考核平台
本平台采用虚拟维修训练共性技术[6]，包括虚拟维修训练体系框架、支持维修训练的虚拟样机模型、虚拟维修训练的过程与控制模型、虚拟维修训练数据标准、虚拟维修训练技术、虚拟维修训练数据与S1000D的映射技术、装备虚拟维修训练通用平台功能拓展。
1.虚拟维修训练体系框架
该拟维修训练体系框架的主要研究内容包括虚拟维修训练体系框架通用性研究、虚拟维修训练体系框架扩展性研究、虚拟维修训练体系框架标准化研究，等等。
2.支持维修训练的虚拟样机模型
支持维修训练的虚拟样机模型的研究内容主要包括几何虚拟样机模型、装备部件运动约束仿真模型、维修训练故障虚拟模型、维修工具虚拟仿真模型及研究可视化组态维修工艺编辑平台的设计与开发问题。
3.虚拟维修训练的过程与控制模型
虚拟维修训练模型包含过程模型和控制模型。维修过程信息包括：维修序列、维修路径、维修动作和维修资源规划信息；维修控制信息包括维修过程控制信息及误操作和操作延时判断信息，允许正确的维修操作进行下去，对误操作和操作延时进行记录和辨别。 我们重点将维修过程标准化定义，采用按工艺流程大类分别定义各流程节点产生的数据规范。在维修控制信息方面，定义控制策略信息及实现上层组态流控工具的开发，重点研究多工位维修控制问题。维修训练过程模型研究包括建立维修活动模型、维修任务分解、过程建模三部分内容。
（1）研究和建立维修活动模型
研究一般故障的维修活动共性过程。
（2）对维修任务进行分解
维修任务可分解为维修任务→维修工序→维修工步→动作单元→基本姿势这五个层次。虚拟维修训练系统把一次完整的维修操作过程作为仿真对象，并建立相应的过程仿真模型实现其功能。
（3）过程建模技术
目前有多种技术可用于过程建模，如IDEF3、UML、PERT、Perti网等。在此重点对Perti网[7]进行研究建立维修训练的过程模型。
整个体系框架中包括有支持维修训练的虚拟样机创建模块、故障维修仿真模块、维修训练评估模块、维修训练系统运行管理模块、维修人员模块、三维视景仿真系统模块。
其中支持维修训练的虚拟样机模块提供创建支持维修的虚拟样机的开发工具和虚拟环境模型，同时提供可视化的维修工艺编辑平台，以直观的方式编辑维修各工艺流程及各步骤的具体信息。
故障维修仿真模块由故障仿真模型、装备原型系统模型、故障诊断和维修操作知识库及专家系统、故障诊断和维修操作过程仿真模型组成。通过接受维修训练系统运行管理模块交互控制及维修人员模块的状态更新和数据请求，通过模块底层的各类仿真模型驱动相应的数值计算、过程分析及逻辑计算，并将数据信息发送至协同维修人员模块和三维视景仿真系统模块，实现装备虚拟维修训练不同任务模式下的故障设置、故障检测、故障定位和故障排除过程的动态仿真。
维修训练评估模块包括有学员信息模块、维修信息、维修过程监控和评估打分系统。在根据不同学员的信息进行各自维修训练任务过程中，通过维修过程监控模块对其过程行为进行监控，获取维修活动信息，由评估系统进行综合评判。
维修训练系统运行管理模块负责整个虚拟维修训练通用平台的管理、维修训练环境生成和维修活动及维修行为过程监控管理。
维修人员操作模块通过捕捉VR外设的数字信号输入，获取各操作人员的操作指令、身体姿态手部空间动作等数据信息；数据信息处理模块通过对获取的操作输入数据进行分析和处理，驱动虚拟维修环境中各虚拟维修人员的人体运动仿真及其维修操作过程中与装备零部件和维修资源的交互操作。
三维视景仿真系统模块由三维视景模块和通用化接口模块组成[8]。通过显示维修人员模块的数据信息和交互控制信息，故障维修仿真模块各类仿真驱动模型数据的计算和更新，以及外部体感设备、立体显示系统的输入数据，对虚拟维修环境中的各类三维实体模型进行底层驱动、实时渲染、状态更新、特效处理及信息显示，并将更新后的数据信息和状态参数实时更新到可视化操作界面。
仿真专修室的规划设计和建设必须依赖于科学的分析和系统化的规划设计。建好仿真专修室既解决了硬件设备不足的局限，又极大地提高了学生的学习兴趣，促使他们将被动学习化为主动学习。但如何使仿真教学与实践教学完美结合，如何提高仿真系统的可操作性，如何让仿真内容更贴合实际等都是仿真专修室今后改善的方向。
参考文献：
[1]王王，阳振辉.浅谈仿真教学在士官教育中的应用[J].军事体育进修学院学报，2009，28：36.
[2]郭兵兵，吴莹.装备保障仿真实验室体系结构研究[J].实验室研究与探索，2007，26（4）：29.
[3]吴忠秀.浅谈仿真实验室在实验实训教学中的作用[J].科技信息，2009，10：158.
[4]赵海燕，詹永照，王传安.基于情境感知和本体的E-Learning系统研究[J].计算机工程与应用，2012，16：51.
[5]王茜.三维交互式教学法[J].师道·教研，2010，8：97.
[6]苏群星，刘鹏远.大型复杂装备虚拟维修训练系统设计[J].兵工学报，2006，27（1）：79.
[7]曹宜英，秦现生，张晓云.基于多色Petri网的产品开发过程建模[J].系统工程理论与实践，2010，30（5）：989.
[8]胡晓锋，贾秋玲，闫建国，孙成.无人机三维视景仿真系统实现[J].测控技术，2010，29（6）：70.
关键词： 仿真专修室 单兵综合作战系统 维修教学
现今时代越来越离不开信息化交流，各类信息技术、多媒体技术、网络技术等的高速发展，为学校的教育手段、方法提供了多元化途径。随着知识的更新速度如爆炸般地加快，促使每个学科在有限的时间里更高效地完成教学任务。要学生在短时间里接受大量知识，又有效地用以实践，传统黑板式教学显然远远不够[1]。而我们学科主要培养的是步兵装备维修人才，尤其是针对单兵综合作战系统这种全新复合型维修人才的培养，除了必要的理论学习外，更要有大量的实践训练，这就要求专业需配置大面积的训练场地、大量训练用器材和装备及足够的师资力量，然而目前的资源仍然无法让每位学生得到充分锻炼。所以，用新科技、新技术改变现行专修室格局迫在眉睫。经过长时间的探索和研究，我们进行了适合单兵综合作战系统教学的仿真专修室建设[2][3]。
单兵综合作战系统仿真专修室采用全程3D动画立体化教学。由多块大屏幕并行展示教学内容，达到多学科技术协同式教学的目的。采用最新体感交互技术，替代传统的接触式人机交互模式，实现虚拟维修的操作体验；采用先进的光谱立体显示技术，展示实装的结构，替代传统的教学模型，形象逼真，节约空间。采用立体教材，将系统的基础知识讲解、装备的原理结构、维护保养、维修、考核等学习内容，用生动活泼的3D动画、严肃游戏的形式表现出来，改变传统的教学模式，为教员提供丰富的教学资源，为学生提供寓教于乐的自主学习模式。以电子挂图、电子示教板替代传统呆板的挂图、示教板，并配以动画、声音、翻页，使其具有交互功能。
一、虚拟仿真专修室硬件建设
本专修室由下列硬件构成：
大屏幕触摸屏教学系统：3面触摸屏一体机，用于立体教材的教学、机电液原理的协同教学、远程示教。在协同教学中，3面一体机通过局域网进行同步通信。可用于翻页展示立体教材。
电子示教触摸屏：8面触摸屏一体机。电子示教触摸屏既可用于电子挂图的翻页展示，内置电子挂图软件，又具备定点放大、缩小、移动等功能。
学生机：20台。学生机上装备各类符合本实验室四阶段教学相关的软件，学生利用鼠标进行操作，满足学生预习、训练、考核的需求。
体感设备：1台，无线交互体验在虚拟维修中的应用。
立体投影机：1套，立体投影主机和投影墙。
大屏幕LED显示系统：用于各类宣传等字幕的滚动输出。
集成控制系统：对各种软硬件系统的集成管控，包括开关机、内联信号的发送转移、网络数据库的备份等。
二、虚拟仿真专修室软件系统
软件系统是为全程辅助实验室四阶段教学过程搭建的，包含的软件系统有：
立体教材：实现学生自主学习的交互式电子教材。
电子挂图：内置电子挂图软件，实现电子挂图图片的自动导入功能，能支持翻页、缩放、移动等功能。
虚拟操作培训软件：提供三维交互式虚拟操作软件系统，将实装设备放置在虚拟世界中，模拟和训练装备的操作过程。
维护保养考核实训平台：提供三维交互式软件系统，能达到维护保养技能培训和考核的目的。
技术检查考核实训平台：提供三维交互式软件系统，能达到技术检查技能培训和考核的目的。
故障排除实训平台：三维交互式软件系统，能达到故障排除技能培训和考核的目的。
游戏天地：将严肃游戏应用于实验室教学当中，辅助学员从预习、训练到考核多个阶段的学习过程。
师生互动教学教改论坛：采用E—Learning的教学模式[4]，将学生和老师在教学教改方面的相关信息以互动的方式录入进系统，并对学生的专业、训练成绩等数据进行统计分析，为教学教改提供有力依据。
（一）立体教材
立体教材采用交互式多媒体电子书方式，引入二三维交互展示[5]、游戏元素辅助于教学培训，大大提高学习的效率和趣味性。
针对单兵综合作战系统每个子系统软硬及使用特点，采用不同的主体教材表现方式，立体教材包含的内容形式有：主体教材、虚拟操作系统、虚拟维修训练、维护保养训练、虚拟拆装训练系统、课程训练游戏、重难点、课后习题、记笔记、学生学习记录，等等。
（二）虚拟维修训练与考核平台
本平台采用虚拟维修训练共性技术[6]，包括虚拟维修训练体系框架、支持维修训练的虚拟样机模型、虚拟维修训练的过程与控制模型、虚拟维修训练数据标准、虚拟维修训练技术、虚拟维修训练数据与S1000D的映射技术、装备虚拟维修训练通用平台功能拓展。
1.虚拟维修训练体系框架
该拟维修训练体系框架的主要研究内容包括虚拟维修训练体系框架通用性研究、虚拟维修训练体系框架扩展性研究、虚拟维修训练体系框架标准化研究，等等。
2.支持维修训练的虚拟样机模型
支持维修训练的虚拟样机模型的研究内容主要包括几何虚拟样机模型、装备部件运动约束仿真模型、维修训练故障虚拟模型、维修工具虚拟仿真模型及研究可视化组态维修工艺编辑平台的设计与开发问题。
3.虚拟维修训练的过程与控制模型
虚拟维修训练模型包含过程模型和控制模型。维修过程信息包括：维修序列、维修路径、维修动作和维修资源规划信息；维修控制信息包括维修过程控制信息及误操作和操作延时判断信息，允许正确的维修操作进行下去，对误操作和操作延时进行记录和辨别。 我们重点将维修过程标准化定义，采用按工艺流程大类分别定义各流程节点产生的数据规范。在维修控制信息方面，定义控制策略信息及实现上层组态流控工具的开发，重点研究多工位维修控制问题。维修训练过程模型研究包括建立维修活动模型、维修任务分解、过程建模三部分内容。
（1）研究和建立维修活动模型
研究一般故障的维修活动共性过程。
（2）对维修任务进行分解
维修任务可分解为维修任务→维修工序→维修工步→动作单元→基本姿势这五个层次。虚拟维修训练系统把一次完整的维修操作过程作为仿真对象，并建立相应的过程仿真模型实现其功能。
（3）过程建模技术
目前有多种技术可用于过程建模，如IDEF3、UML、PERT、Perti网等。在此重点对Perti网[7]进行研究建立维修训练的过程模型。
整个体系框架中包括有支持维修训练的虚拟样机创建模块、故障维修仿真模块、维修训练评估模块、维修训练系统运行管理模块、维修人员模块、三维视景仿真系统模块。
其中支持维修训练的虚拟样机模块提供创建支持维修的虚拟样机的开发工具和虚拟环境模型，同时提供可视化的维修工艺编辑平台，以直观的方式编辑维修各工艺流程及各步骤的具体信息。
故障维修仿真模块由故障仿真模型、装备原型系统模型、故障诊断和维修操作知识库及专家系统、故障诊断和维修操作过程仿真模型组成。通过接受维修训练系统运行管理模块交互控制及维修人员模块的状态更新和数据请求，通过模块底层的各类仿真模型驱动相应的数值计算、过程分析及逻辑计算，并将数据信息发送至协同维修人员模块和三维视景仿真系统模块，实现装备虚拟维修训练不同任务模式下的故障设置、故障检测、故障定位和故障排除过程的动态仿真。
维修训练评估模块包括有学员信息模块、维修信息、维修过程监控和评估打分系统。在根据不同学员的信息进行各自维修训练任务过程中，通过维修过程监控模块对其过程行为进行监控，获取维修活动信息，由评估系统进行综合评判。
维修训练系统运行管理模块负责整个虚拟维修训练通用平台的管理、维修训练环境生成和维修活动及维修行为过程监控管理。
维修人员操作模块通过捕捉VR外设的数字信号输入，获取各操作人员的操作指令、身体姿态手部空间动作等数据信息；数据信息处理模块通过对获取的操作输入数据进行分析和处理，驱动虚拟维修环境中各虚拟维修人员的人体运动仿真及其维修操作过程中与装备零部件和维修资源的交互操作。
三维视景仿真系统模块由三维视景模块和通用化接口模块组成[8]。通过显示维修人员模块的数据信息和交互控制信息，故障维修仿真模块各类仿真驱动模型数据的计算和更新，以及外部体感设备、立体显示系统的输入数据，对虚拟维修环境中的各类三维实体模型进行底层驱动、实时渲染、状态更新、特效处理及信息显示，并将更新后的数据信息和状态参数实时更新到可视化操作界面。
仿真专修室的规划设计和建设必须依赖于科学的分析和系统化的规划设计。建好仿真专修室既解决了硬件设备不足的局限，又极大地提高了学生的学习兴趣，促使他们将被动学习化为主动学习。但如何使仿真教学与实践教学完美结合，如何提高仿真系统的可操作性，如何让仿真内容更贴合实际等都是仿真专修室今后改善的方向。
参考文献：
[1]王王，阳振辉.浅谈仿真教学在士官教育中的应用[J].军事体育进修学院学报，2009，28：36.
[2]郭兵兵，吴莹.装备保障仿真实验室体系结构研究[J].实验室研究与探索，2007，26（4）：29.
[3]吴忠秀.浅谈仿真实验室在实验实训教学中的作用[J].科技信息，2009，10：158.
[4]赵海燕，詹永照，王传安.基于情境感知和本体的E-Learning系统研究[J].计算机工程与应用，2012，16：51.
[5]王茜.三维交互式教学法[J].师道·教研，2010，8：97.
[6]苏群星，刘鹏远.大型复杂装备虚拟维修训练系统设计[J].兵工学报，2006，27（1）：79.
[7]曹宜英，秦现生，张晓云.基于多色Petri网的产品开发过程建模[J].系统工程理论与实践，2010，30（5）：989.
[8]胡晓锋，贾秋玲，闫建国，孙成.无人机三维视景仿真系统实现[J].测控技术，2010，29（6）：70.