采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的任職教育

1、采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的任職教育任職教育建立在學(xué)歷教育的基礎(chǔ)上,使培養(yǎng)對(duì)象獲得適應(yīng)特定工作崗位需要的專(zhuān)業(yè)理論知識(shí)和實(shí)際技能,具備勝任某種工作能力而進(jìn)行的專(zhuān)門(mén)教育。目前,我軍任職教育的種類(lèi)主要有首次崗位任職教育、逐級(jí)晉升職務(wù)所需的教育和輪訓(xùn)性質(zhì)的任職教育。軍械工程學(xué)院雷達(dá)專(zhuān)業(yè)擔(dān)負(fù)的培訓(xùn)種類(lèi)主要是第一種和第三種,即通常所說(shuō)的國(guó)防生和短訓(xùn)(或輪訓(xùn)) 。隨著新軍事變革的發(fā)展,對(duì)新型軍事人才需求不斷增加,學(xué)院雷達(dá)專(zhuān)業(yè)任職教育的規(guī)模不斷擴(kuò)大,原有的教學(xué)設(shè)施與手段已經(jīng)不能滿(mǎn)足當(dāng)前的教育需要,這也是目前任職教育院校所面臨的普遍問(wèn)題。以計(jì)算機(jī)圖形學(xué)為理論基礎(chǔ),以人工智能技術(shù)為支撐的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠有效地解決這個(gè)難題。

2、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以模擬生動(dòng)形象的教學(xué)環(huán)境,使學(xué)員能夠積極參與到教學(xué)過(guò)程中,從而達(dá)到培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)員實(shí)際操作能力的目的,大大提高了任職教育的整體教學(xué)水平,推動(dòng)了任職教育院校的發(fā)展。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在維修培訓(xùn)等領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了大量的研究。洛克希德公司在F - 16 的設(shè)計(jì)過(guò)程中利用虛擬維修系統(tǒng)進(jìn)行維修確認(rèn)和人素分析; 德國(guó) Fraunhofer 計(jì)算機(jī)圖形研究所實(shí)現(xiàn)了裝配虛擬仿真,用于裝配和維修過(guò)程的核查與確認(rèn); 美國(guó) Wright Patterson 空軍基地與GE 公司、洛克希德馬丁公司實(shí)現(xiàn)了維修手冊(cè)的自動(dòng)生成。目前最成功的虛擬維修案例當(dāng)屬哈勃望遠(yuǎn)鏡(HST) 的維修。事后美國(guó)國(guó)家航空航

3、天局的調(diào)查結(jié)果表明: 虛擬維修訓(xùn)練對(duì)實(shí)際維修任務(wù)的完成是非常有效的。此外,美軍研制的未來(lái)戰(zhàn)術(shù)卡車(chē)系統(tǒng);2010 年裝備部隊(duì),而該車(chē)的虛擬維修系統(tǒng)早在 2008 年就已經(jīng)投入使用,有效保證了新裝備在配備部隊(duì)的同時(shí)形成維修保障能力。我國(guó)在虛擬維修方面起步較晚,但經(jīng)過(guò)近年來(lái)的持續(xù)研究取得了豐碩的成果。浙江大學(xué)CAD 國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研制的沉浸式虛擬裝配系統(tǒng) IVAS,是在 CAVE 環(huán)境下開(kāi)發(fā)的完全沉浸式虛擬裝配原型系統(tǒng),為設(shè)計(jì)人員提供了高度逼真和高度交互的虛擬設(shè)計(jì)與虛擬裝配環(huán)境; 北京航空航天大學(xué)應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立了基于虛擬樣機(jī)的虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng); 華中科技大學(xué)建立了基于知識(shí)的注塑機(jī)虛擬維修訓(xùn)練系

4、統(tǒng)等。此外,虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在軍用方法也得到了廣泛的重視。虛擬維修訓(xùn)練成為部隊(duì)維修訓(xùn)練的新手段和新方法,我軍許多雷達(dá)模擬訓(xùn)練器裝備到部隊(duì),為我軍雷達(dá)裝備的維修操作人員日常訓(xùn)練、院校教學(xué)起到了的積極作用。一、當(dāng)前軍校任職教育的現(xiàn)狀以學(xué)院雷達(dá)專(zhuān)業(yè)任職教育為例,學(xué)員通常在1 3 個(gè)月的時(shí)間內(nèi)集中學(xué)習(xí)某型雷達(dá)的構(gòu)造、維修和技術(shù)檢查。長(zhǎng)期以來(lái),教學(xué)大多在實(shí)際裝備上進(jìn)行,并且多是在裝備部署到部隊(duì)以后才由學(xué)院或其他相關(guān)院校、有關(guān)單位組織進(jìn)行教學(xué)。這種模式勢(shì)必造成以下問(wèn)題: (1) 結(jié)合實(shí)際裝備進(jìn)行任職教育,其數(shù)量、教學(xué)場(chǎng)地、環(huán)境有限,受訓(xùn)人員的數(shù)量和操作時(shí)間難以保證,效率低。在教學(xué)實(shí)踐中,雷達(dá)工作方艙內(nèi)只能同時(shí)

5、進(jìn)入 4 5 名學(xué)員,而每期培訓(xùn)的學(xué)員都在 20 名左右,需要分成4 個(gè)組,平均每個(gè)組的上機(jī)操作時(shí)間很少,導(dǎo)致學(xué)員大部分時(shí)間都在自習(xí)。(2) 新裝備功能結(jié)構(gòu)復(fù)雜,造價(jià)昂貴,結(jié)合實(shí)際裝備進(jìn)行實(shí)戰(zhàn)操作、維修訓(xùn)練,代價(jià)高,特別是在電子戰(zhàn)越來(lái)越重要的今天,結(jié)合實(shí)際裝備開(kāi)展教學(xué)很容易暴露該裝備的有關(guān)電子信息,如雷達(dá)發(fā)射頻率等,所以其安全性得不到保證。(3) 結(jié)合實(shí)際裝備進(jìn)行故障維修訓(xùn)練,所遇故障和所能體會(huì)的維修操作和維修技術(shù)有限,大多還只能從書(shū)本上進(jìn)行抽象理解。目前我軍最新型雷達(dá)裝備集成化、模塊化程度越來(lái)越高,典型故障很難模擬和設(shè)置,教學(xué)實(shí)施難度越來(lái)越大,為保護(hù)裝備只能讓學(xué)員去想象故障現(xiàn)象和排除思路。新

6、裝備造價(jià)昂貴、型號(hào)多、數(shù)量少,在實(shí)際裝備上開(kāi)展教學(xué)變得越來(lái)越困難,采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)替代實(shí)際裝備,開(kāi)展虛擬維修、虛擬操作成為目前雷達(dá)及其他專(zhuān)業(yè)任職教育的一個(gè)重要的發(fā)展趨勢(shì)。二、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是指采用以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心的現(xiàn)代高科技生成逼真的視、聽(tīng)、觸覺(jué)等一體化的虛擬環(huán)境,用戶(hù)借助必要的設(shè)備以自然的方式與虛擬世界中的物體進(jìn)行交互,相互影響,從而產(chǎn)生如親臨真實(shí)環(huán)境的感受和體驗(yàn)。它是隨著包括計(jì)算圖形學(xué)、多媒體技術(shù)、人工智能、人機(jī)接口技術(shù)、傳感器技術(shù)、高度并行的實(shí)時(shí)計(jì)算技術(shù)以及人的行為學(xué)等一系列高新技術(shù)的發(fā)展而出現(xiàn)的一種新型的人機(jī)交互方式。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)通過(guò)為用戶(hù)提供視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等多種直觀(guān)而自

7、然的交互方式,方便了用戶(hù)的操作,提高了工作效率。美國(guó)科學(xué)家 Burdea G 和Philippe Coiffet 在 1993 年世界電子年會(huì)上發(fā)表了一篇題為Virtual Reality System and Applica-tions;的文章,在該文中提出一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的三角形;,指出虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有的3 個(gè)突出特征: 沉浸性(Immersion) 、交互性(Interactivity) 、想象性(Imagination) 。沉浸性指由計(jì)算機(jī)所創(chuàng)造的虛擬環(huán)境,讓用戶(hù)有身臨其境的感覺(jué),讓用戶(hù)感覺(jué)自己就是虛擬環(huán)境的一部分,而不僅僅是旁觀(guān)者;交互性是指人與計(jì)算機(jī)的以自然方式(如行走、抓握等)

8、進(jìn)行交互,不同于以往通過(guò)鼠標(biāo)鍵盤(pán)等工具的交互; 想象性是指虛擬環(huán)境是由設(shè)計(jì)者想象設(shè)計(jì)出來(lái)的,可以以夸大的形式反映設(shè)計(jì)者的思想,解決工程、醫(yī)學(xué)、軍事等方面的問(wèn)題。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)所設(shè)計(jì)的虛擬場(chǎng)景與 3D 電影中所構(gòu)建的 3D 立體景象有著本質(zhì)的不同,3D 立體景象只是以旁觀(guān)者的身份觀(guān)看已制作好的三維立體景象,而虛擬場(chǎng)景是可以與用戶(hù)實(shí)時(shí)交互的場(chǎng)景。在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)所構(gòu)建的虛擬場(chǎng)景中,用戶(hù)可以體驗(yàn)場(chǎng)景中物體的重量、溫度等。同時(shí),用戶(hù)的行為能夠改變場(chǎng)景,可以在虛擬場(chǎng)景中改變虛擬物體的大小、形狀、位置等。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為用戶(hù)提供了可以實(shí)現(xiàn)互動(dòng)操作的虛擬環(huán)境,并以高度的沉浸感使用戶(hù)產(chǎn)生身臨其境的感覺(jué),這使虛擬現(xiàn)實(shí)

9、技術(shù)廣泛應(yīng)用在各行業(yè)中的產(chǎn)品設(shè)計(jì)與展示環(huán)節(jié)。三、采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的任職教育相比于傳統(tǒng)任職教育的教學(xué)手段,虛擬操作、虛擬維修存在以下諸多優(yōu)點(diǎn): (1) 操作和維修訓(xùn)練不受時(shí)間、地點(diǎn)限制。虛擬操作、維修不需要大量的特殊器材,在通用計(jì)算機(jī)加裝軟件后,進(jìn)行簡(jiǎn)單連接即可使用。受訓(xùn)人員不受時(shí)間和地點(diǎn)的限制,可隨時(shí)進(jìn)行操作訓(xùn)練和維修訓(xùn)練,通過(guò)增加操作、維修訓(xùn)練機(jī)會(huì),提高操作技能和維修保障能力。(2) 培訓(xùn)功能齊全,承訓(xùn)量大。虛擬模型中可以嵌入裝備的各種故障維修過(guò)程,受訓(xùn)學(xué)員在虛擬環(huán)境下通過(guò)維修培訓(xùn),可以加深對(duì)各種故障機(jī)理和維修過(guò)程相關(guān)知識(shí)的學(xué)習(xí)。此外,全方位維修仿真訓(xùn)練可有效避免實(shí)際維修工作中出現(xiàn)的常見(jiàn)故障

10、會(huì)修、少見(jiàn)故障束手無(wú)策的現(xiàn)象。裝備維修模型一旦建立,可在多個(gè)仿真硬件平臺(tái)上使用,為多個(gè)受訓(xùn)者同時(shí)提供維修訓(xùn)練培訓(xùn)。(3)虛擬操作和維修可以有效降低教學(xué)成本。虛擬操作和維修的成本主要在虛擬模型的研發(fā)和計(jì)算機(jī)相關(guān)硬件的購(gòu)置。與傳統(tǒng)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(fù)使用,以此來(lái)顯著降低教學(xué)成本。(4) 受訓(xùn)人員和裝備安全性好。裝備操作、維修訓(xùn)練過(guò)程中,受訓(xùn)人員安全和裝備安全是操作、維修訓(xùn)練的前提。傳統(tǒng)裝備操作和維修過(guò)程中需要教員來(lái)負(fù)責(zé)過(guò)程的安全問(wèn)題,并且在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中,還不可避免地出現(xiàn)各種安全事故,給教學(xué)工作帶來(lái)了極大難處。由于虛擬操作、維修的整個(gè)過(guò)程都是在虛擬環(huán)境下完成的,因

11、此不存在裝備損壞和危害受訓(xùn)人員安全的問(wèn)題。對(duì)于受到時(shí)空限制不能演示的周期長(zhǎng)、危險(xiǎn)性大的教學(xué)內(nèi)容,用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以很好地展現(xiàn)在學(xué)生面前,達(dá)到良好的教學(xué)效果。從以上虛擬操作、維修的特點(diǎn)可以看出,虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以有效解決傳統(tǒng)裝備教學(xué)過(guò)程中出現(xiàn)的訓(xùn)練實(shí)踐機(jī)會(huì)缺乏、維修保障能力滯后的問(wèn)題,提升裝備的維修保障能力。隨著裝備維修技術(shù)的發(fā)展,虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在提高教學(xué)效果、減少教學(xué)成本、提高人才培養(yǎng)質(zhì)量等方面得到了普遍認(rèn)可。改進(jìn)任職教育的教學(xué)方法、教學(xué)手段,關(guān)系到我軍任職教育人才培養(yǎng)質(zhì)量的提高和任職教育的健康發(fā)展。傳統(tǒng)的任職教育教學(xué)手段已經(jīng)不能完全適應(yīng)當(dāng)今軍事變革對(duì)于塑造新型軍事人才的需要。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為一門(mén)各種高新技術(shù)的交叉學(xué)科,以其沉浸性、交互性和想象性三大特征,使虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在軍事領(lǐng)域有著極其廣闊的應(yīng)用空間。將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入