基于3R技术的军队院校装备教学研究与实践

［摘要］装备教学是工科类军队院校的重头工作，但因受限于现实条件而成了院校教学的一块硬骨头，信息技术的快速发展和应用为装备教学探索新的思路和新的方法提供了帮助。文章结合近年来对3R（VR/AR/MR）技术的教学研究和应用实践，从军队院校装备教学现状、3R技术在装备教学中的应用优势、3R技术在军队院校装备教学中的应用实践及其成效与经验四个方面进行了详细论述。

［关键词］军队院校；装备教学；3R技术

［中图分类号］G642.0 ［文献标识码］A ［文章编号］2095-3437（2024）10-0069-05

随着国防军工技术的飞速发展和现代战争的需求牵引，军事装备在信息化程度上不断完善和改进，装备结构越来越复杂，装备成本也不断提高，很多新型号装备因为风险大、消耗大、装备稀缺难以列装院校用于教学训练。习近平主席多次强调军队院校是我军人才培养的主渠道，必须紧紧围绕实战搞教学、着眼打赢育人才，着眼“面向战场，面向部队，面向未来”（“三个面向”），培养德才兼备的高素质、专业化新型军事人才[1]。受目前院校装备教学资源条件影响，传统教学模式显然难以有效落实习近平主席的上述指示精神，也不能满足学员初任岗位的实际需求。教育部印发的《教育信息化2.0行动计划》和《中国人民解放军院校教育条例》为军队院校装备教学提供了新思路新方法，指出要加强训练器材、训练软件的研制开发，通过信息化装备教学技术破解当前装备教学难题。本研究在此基础上，将3R技术引入装备教学，突破了实施传统教学时原理抽象晦涩、装备训练不充分的困境，加强了学员对装备知识的理解和掌握，提高了学员装备操作和保障能力。

一、军队院校装备教学现状

随着科学技术的快速发展，我国防空反导力量不断强大，大量新型地空导弹武器系统列装部队，大量新装备都集合了机械、电气、液压、计算机等多种高新技术，因此对装备操作、维护人员的知识水平、操作实践能力提出了更高的要求。空军工程大学作为空军地空导弹军事人才的核心培养基地，承担大量专科、本科、培训等多层次的装备教学任务，但受限于缺少实物装备等现实条件，在实战化教学方面还存在一定的不足。

（一）装备型号多与教学实装不足之间的矛盾

随着地导装备的不断迭代优化，目前部队同时列装有多个型号的地导装备，同时，一套地空导弹武器系统又包含地空导弹、发射系统、目标搜索跟踪系统、指挥控制系统、供电设备、支援保障设备等，具有型号多、数量多、技术含量高、更新迭代快、造价高昂等特点。目前院校通常仅配发了部分装备的实装，大量的装备教学任务仍然是在没有实装的情况下进行的，通常只能结合书本教材、多媒体课件配合教员的讲授来开展，部分晦涩抽象的理论知识不能很好地被学员理解吸收，实装操作维护训练更是无法得到有效保障。

（二）装备训练风险大与教学安全之间的矛盾

新型地导装备普遍具有技术含量高、造价高昂的特点，在教学训练时对装备状态、场地要求、操作人员的技术要求都较高，特别是导弹吊装、雷达展撤、舱体吊转等科目，需要多名操作号手奔走多个位置进行配合完成，稍有操作不慎就容易造成设备磕碰、人员受伤等安全事故。而新手学员们通常不具备熟练的操作能力，为防止安全事故的发生，通常采用教员讲解演示—学员观摩—口令模拟训练的教学模式，这显然与实战化教学要求、“三个面向”教学指向之间还存在一定的差距。

（三）实装拆卸消耗大与训练要求提高之间的矛盾

无论是平时还是战时，装备故障都是时有发生的。为有效保障平时装备完好率，提高战时装备生存率，必须通过装备故障诊断与维修训练来提高学员的装备保障能力，然而大量的实装拆卸维修训练势必会对装备本身造成伤害，特别是在不熟练、未掌握故障诊断维修方法和要点的情况下盲目拆卸极容易对装备造成不必要的伤害。一辆地导装备造价少则上百万，多则上亿。为了减少拆卸对装备的伤害，降低装备损耗，通常是结合故障案例库和多媒体课件的形式来组织教学。学员通过这种方式虽然能够了解装备常见故障表现和排查方法，但是没有足够的实践活动作为支撑。对学员来讲，理论知识可能只是空中楼阁，真正遇到装备故障时往往不能及时地、科学地进行排查。

（四）操作考核评不准与客观公正之间的矛盾

以往的装备实训操作考核方式主要根据装备配备情况来设计，在无实装的情况下，主要采用口令模拟的形式来组织，但口令熟练程度并不能完全代表学员装备实操能力；在有实装的情况下，通常采用教员在旁观察学员操作后根据经验和成绩评定表给出最终操作成绩的考核方式。然而，大量装备操作科目都具有流程较复杂且需要多个操作号手在不同位置协同配合才能完成的特点。比如在导弹装填科目中，需要多个操作号手配合，用专用吊机将导弹从一辆车上吊装到另一辆车上，采用单一的、主观的考官评价方式很难全面客观地评价和分析每个操作号手的操作行为，容易出现评不准的情况，同时也不便于事后对操作过程和结果进行分析，无法为后续操作方案设计和优化提供有效依据。

二、3R技术在装备教学中的应用优势

3R技术是VR（Virtual Reality，虚拟现实）技术、AR（Augmented Reality，增强现实）技术、MR（Mixed Reality，混合现实）技术的统称。VR是借助计算机等设备产生一个逼真的三维视觉、触觉、嗅觉等多种感官体验的纯虚拟环境，用户通过使用特定设备可完全沉浸到虚拟环境中去，并与虚拟环境中的对象进行实时互动；AR技术是采用计算机图像和多传感器融合等技术在现实环境中实时叠加辅助的虚拟图像，用户能在真实的环境中与虚拟对象进行互动；MR技术是将现实世界与虚拟信息结合起来产生一个新的具有虚实融合特征的可视化环境，包括增强虚拟和增强现实[2]。

虽然20年前就有专家学者认识到这些技术具有广阔的应用前景[3-4]，但受限于当时科学技术的发展水平，这些技术一直没有得到广泛的实际应用，随着近些年网络技术、信息技术的快速发展，3R技术才从理论研究逐步走入人们现实生活的各个方面[5-7]，特别是在教育培训行业中的应用更为广泛[8-10]，综合分析其在装备课程教学中的应用优势如下。

（一）3R技术能够助力突破无实装、高风险、高消耗的难题，有助于践行以学员为中心的教学理念

3R技术能够突破目前高精尖装备未配备、高价值装备怕拆卸、高风险科目难组织等教学难题，因为无论是VR技术创设的虚拟空间还是AR技术或MR技术创设的虚实融合空间，都能在无实装或者不拆实装的情况下为学员提供一个开放的且具有良好交互体验的学习环境。学员可以在该空间内充分观察现实和影片中很难观察到的内容，比如装备的电气控制系统、液压油路系统、内部结构等，加强学员对抽象理论知识的具象化认识，通过人机互动方式进行反复模拟拆修复杂装备、增减设计元素等，在装备训练教学时完全不用担心训练高风险和高消耗的问题。这种强沉浸性和交互性的教学更能激发学员的学习积极性，学员可结合自身知识掌握情况合理安排学习实践的进度和节奏，实现个性化和差异化学习，从原来的被动吸收变为主动学习实践，自发地建构和完善自己的课程知识体系，发展和提高自己的能力素质，而教员在教学过程中主要担任的是系统的提供者、辅助者和维护者的角色，真正做到将课堂交给学员，践行以学员为中心的先进教学理念。

（二）3R技术能够助力突破实装训练装备技术滞后、前沿技术认知不足的难题，有助于落实面向未来的教学要求

目前军队院校能够用于教学训练的实装非常少，而且大多不是最新的型号，同时因条件限制很多而使训练科目无法有效展开。学员的学习训练存在装备技术相对滞后、训练科目相对较少以及对前沿技术认知不足的问题，无法落实面向未来的教学要求。而运用3R技术可以利用计算机超强的计算能力构建虚拟的最新装备，让学员在无实装的情况下认识和理解最新装备的结构原理，拓宽学员认知边界，培养学员紧盯科学技术发展前沿的思想意识；创建逼真的、多样化的虚拟情境，让学员体验如战场环境、雨雪风霜情境等丰富的可视化场景，丰富学员的体验经历，提高学员在不同场景中的处置能力与创新能力；在安全环境下反复组织风险大的训练科目，提高学员的工程实践能力和风险规避处理能力。3R技术能够以装备型号全、结构原理形象、训练消耗成本低、训练科目要素全的优势助力教学训练，能够更好地培养适应社会未来发展需要的学员，落实面向未来的教学要求。

（三）3R技术能够助力突破装备训练成绩考核主观、片面的难题，有助于实现全面客观的考核评价

3R技术通过构建虚拟装备可以助力实现无实装或有实装但怕拆卸情况下的模拟考核，突破用口令模拟考核的传统考核方式，借助计算机强大的计算和存储能力，实时采集和记录学员的操作全过程数据，再结合相应的成绩考核算法模型客观地计算出学员的操作成绩，实现对学员操作过程的客观定量考核，突破实装训练时考官“一言堂”的主观评价方式，以此实现更加科学、全面、客观地进行学员成绩考核。

三、3R技术在军队院校装备教学中的应用实践

空军工程大学主要承担地空导弹武器系统相关教学，该武器系统具有型号多、技术含量高、装备造价高等特点，为破解装备教学实装数量不足、实装训练风险大消耗大等难题，着力提升工科学员工程能力和创新能力，学校积极探索实践了基于3R技术的装备教学模式[11]。

（一）基于VR技术的沉浸式装备教学

借助VR技术构建逼真度高、型号全、互动性好的地导武器装备模型，学员借助平板设备或头戴式VR眼镜即可沉浸式地全方位多角度观察和拆解各型武器装备的内部结构。VR技术将抽象晦涩的电气线路、液压油路等信息具象化、可触化，可以帮助学员更加深入地理解和掌握装备的内部结构和工作原理。学员可以通过特定的VR交互设备与虚拟武器装备进行实时互动，实现无风险、无消耗的高强度科目训练，如导弹的装填、雷达架撤、导弹测试、机床加工等，还可以与多名号手协调配合完成组训科目训练，提高对各型装备知识的理解深度和装备操作的熟练度。此外，可以通过设定如雨雪风霜、黄沙烟尘等极端气候环境，锻炼和提高学员在特殊情境下的装备操作能力；还可以通过设置不同的装备故障，在虚拟场景下让学员进行故障诊断和检修，提高学员的装备故障诊断和维修保障能力。VR系统可以向学员模拟错误操作时会产生的严重后果，进而培养和提高学员规范操作、认真严谨的思想认识。总的来讲，VR技术的引入能够在较大程度上助力破解传统理论教学抽象不直观、实践训练缺实装、大消耗高风险科目难组织的难题。

（二）基于AR技术的诱导式装备教学

为应对VR教学训练纯虚不实、演示教学难消化的问题，可借助AR技术用文字、图标、箭头等形式将训练操作指导性信息计算处理成虚拟图像，再利用计算机强大的实时计算功能和多传感器融合技术，将计算机加工后输出的用于指导操作的虚拟信息实时叠加到真实装备上，最终使真实装备和虚拟提示信息实时地叠加到一个画面或空间。学员通过AR设备选定训练科目后，即可进入训练指导界面，屏幕中会用箭头指示操作部位在现实装备上的具体位置，同时在屏幕中用文字和图形动画的方式提示操作的零部件、需使用的工具及其使用方法，以此引导学员根据虚拟提示信息进行实践操作训练。学员完成当前操作内容后，点击或语音输入“下一步”即可进行下一步操作训练，直至完成所有训练内容。学员借助该套AR系统可以进行装备故障检测、状态监测、故障维修、装配布线等科目的训练。总的来讲，通过AR技术可以以图文并茂的形式清楚指引学员操作的具体部位、步骤和方法，提高学员的整体训练效率和综合素质，同时学员可以根据自己实际操作的情况调整训练节奏。清晰的操作指引、可控的训练节奏有助于进一步落实以学员为中心的教学理念。

（三）基于MR技术的进阶式装备教学

笔者在教学实践中发现VR技术虽然能够构建虚拟装备和虚拟场景，但是存在纯虚不实、无法高效指引学员进行实装训练的问题。AR技术虽然能够引导学员进行实装训练，但存在虚实交互性差、人机交互方式单一的问题。MR技术的引入很好地解决了上述问题。学员戴上MR眼镜后可以通过手势、语音、位置和位姿调整等方式与虚拟信息进行互动，比如可以通过语音或手势调出菜单界面或电子资料等虚拟显示内容，并将其放置在相关空间中的任何位置上，且能够通过特定手势对显示内容进行缩放、旋转、拆分等，便于学员随时查看，也解决了纸质资料易丢失、难查阅等问题。同时可以通过位置和位姿的调整，让虚拟画面融合在现实装备上，便于学员以最佳的视角观察现实虚拟信息，跟随引导进行装备操作、检修等训练任务。此外，该系统还增加了远程专家系统，通过MR眼镜可以远程连接专家进行现场装备查看和操作训练指导。专家根据装备现状提供维修和训练方案后，计算机可将方案生成诱导维修信息融入虚拟现实，帮助现场对装备进行训练操作和故障检修。总的来讲，MR技术的引入能够弥补AR或VR训练的不足，优化学员学习训练体验，更好地保障装备教学效果。