基于支架式教學(xué)理念的火炮構(gòu)造原理虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

寧全利 房施東 鄧海飛 劉闖

摘? 要：火炮構(gòu)造原理是院校教學(xué)的重要內(nèi)容。針對(duì)火炮構(gòu)造原理傳統(tǒng)教學(xué)手段存在的問題，基于支架式教學(xué)理念分析火炮構(gòu)造原理虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)的功能需求，并從系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)、軟件框架結(jié)構(gòu)、軟件模塊和流程控制等方面進(jìn)行系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)。樣機(jī)運(yùn)行效果表明，基于支架式教學(xué)理念設(shè)計(jì)的火炮構(gòu)造原理虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)能夠滿足火炮構(gòu)造原理教學(xué)需求。

關(guān)鍵詞：火炮構(gòu)造原理;支架式教學(xué);虛擬仿真;教學(xué)系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：G642? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2096-000X（2022）19-0074-05

Abstract： Gun Construction Principle is an important content of artillery specialty teaching in colleges. In view of the problems existing in the traditional teaching methods of Gun Construction Principle， the functional requirements of the VR teaching system of Gun Construction Principle are analyzed based on the scaffolding teaching concept. The overall design of the system is carried out from the aspects of system architecture， software framework structure， software module and flow control. The running effect of the prototype shows that the VR teaching system of Gun Construction Principle designed based on the scaffolding teaching concept can meet the teaching demand of Gun Construction Principle.

Keywords： Gun Construction Principle; scaffolding teaching; VR; teaching system

火炮構(gòu)造原理是院校教學(xué)的重要內(nèi)容。由于火炮裝備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，部件內(nèi)部“看不見、摸不著”，學(xué)員對(duì)裝備結(jié)構(gòu)理解不深，原理理解不透，造成教學(xué)效益不高。為此，迫切需要開發(fā)火炮構(gòu)造原理虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)，以提高教學(xué)效果。

源自建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論的“支架式教學(xué)法”是目前較為常用的且具有代表性的教學(xué)方法。支架式教學(xué)是基于維果茨基的最近發(fā)展區(qū)理論的一種建構(gòu)主義的教學(xué)方法，是一種以學(xué)生自主探究學(xué)習(xí)為主，并借助“支架”（來自于教學(xué)者或?qū)W習(xí)伙伴等人的外部幫助）來完成學(xué)習(xí)任務(wù)的教學(xué)方法[1]。近年來，支架式教學(xué)法在國內(nèi)教育學(xué)理論和實(shí)踐領(lǐng)域得到了廣泛的關(guān)注和認(rèn)可[2]，因而開發(fā)的火炮構(gòu)造原理虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)要能夠滿足支架式教學(xué)法的相關(guān)需求;同時(shí)，支架式教學(xué)法的相關(guān)理念也能夠?yàn)樘摂M仿真教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供思路與參考。為此，在此探討基于支架式教學(xué)理念的虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，為該仿真教學(xué)系統(tǒng)的進(jìn)一步研發(fā)提供參考。

一、仿真教學(xué)系統(tǒng)功能需求

目前支架式教學(xué)法在國內(nèi)得到越來越廣泛的應(yīng)用，也是火炮構(gòu)造原理課程運(yùn)用的主要教學(xué)方法，為此，火炮構(gòu)造原理虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)功能要能夠滿足支架式教學(xué)法的相關(guān)要求。

根據(jù)支架式教學(xué)法的相關(guān)要求和教學(xué)大綱需求，火炮構(gòu)造原理虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)要能夠構(gòu)建“實(shí)裝”“實(shí)地”“實(shí)時(shí)”的虛擬環(huán)境，對(duì)火炮結(jié)構(gòu)組成、工作原理與作用過程、機(jī)構(gòu)聯(lián)動(dòng)、故障設(shè)置與排除等進(jìn)行沉浸式虛擬仿真模擬[3]。為此系統(tǒng)需具備結(jié)構(gòu)認(rèn)知、結(jié)構(gòu)原理演示、拆裝仿真、故障診斷等功能于一體，主要功能如圖1所示。

（一）虛擬認(rèn)知

能夠以第三人稱視角展示火炮系統(tǒng)大部構(gòu)造組成，具有動(dòng)畫演示、系統(tǒng)提示、高亮、文字標(biāo)簽等功能，能夠從不同角度觀察裝備及部件模型的組成結(jié)構(gòu)，以系統(tǒng)地了解裝備各部件的用途、組成和連接關(guān)系。

（二）工作原理演示

要能夠?qū)鹋诘恼w工作過程和關(guān)鍵機(jī)構(gòu)或部組件的工作原理進(jìn)行演示。

（三）拆裝仿真

系統(tǒng)需要能夠采用鼠標(biāo)鍵盤或頭盔手柄，對(duì)重要部組件進(jìn)行拆裝訓(xùn)練，并能夠通過透視、隱藏等方式觀察內(nèi)部零部件的詳細(xì)結(jié)構(gòu)與聯(lián)接關(guān)系。

（四）故障診斷

系統(tǒng)需要能夠?qū)鹋诘幕鹆ο到y(tǒng)常見故障現(xiàn)象進(jìn)行模擬，并能夠進(jìn)行交互式故障排除操作訓(xùn)練。

（五）遠(yuǎn)程調(diào)用與自主學(xué)習(xí)

系統(tǒng)支持客戶端/服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)模式，具有用戶授權(quán)管理、登錄認(rèn)證功能，授權(quán)用戶可通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程登陸服務(wù)器，在身份認(rèn)證并審核通過后，可調(diào)用相關(guān)火炮虛擬仿真教學(xué)信息資源庫，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程化自主學(xué)習(xí)、探索。

（六）系統(tǒng)管理

需要能夠支持構(gòu)建智慧教學(xué)系統(tǒng)模塊化管理功能。

二、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

（一）仿真教學(xué)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的支架式教學(xué)法一般局限于室內(nèi)課堂。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，特別是智慧校園與智慧教室建設(shè)的推進(jìn)[4-7]，支架式教學(xué)法也與時(shí)俱進(jìn)，突破了時(shí)間和空間限制，使學(xué)生的學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)了課上與課下相連貫，室（教室）內(nèi)和室外相銜接。為此，火炮構(gòu)造原理虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)采用C/S（客戶端/服務(wù)器端）網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（圖2），以滿足基于智慧教室的支架式教學(xué)法的需求。614304DE-6094-4355-AE27-CC9F428BDFB9

依托智慧校園系統(tǒng)，基于C/S網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的火炮構(gòu)造原理虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)教室、學(xué)員宿舍和教員辦公室的全覆蓋。因此，學(xué)員可以隨時(shí)隨地進(jìn)入情境，進(jìn)行獨(dú)立探索、協(xié)作學(xué)習(xí)與效果反饋。

（二）仿真教學(xué)軟件框架結(jié)構(gòu)

在基于C/S網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的火炮構(gòu)造原理虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)中，客戶端是開發(fā)的重點(diǎn)，其框架結(jié)構(gòu)如圖3所示。

客戶端的核心是交互式火炮虛擬仿真系統(tǒng)的搭建，數(shù)據(jù)頭盔展現(xiàn)火炮場(chǎng)景，數(shù)據(jù)頭盔、數(shù)據(jù)手套等用于檢測(cè)用戶的具體動(dòng)作，交互控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)將用戶動(dòng)作轉(zhuǎn)為交互指令提交給場(chǎng)景調(diào)度系統(tǒng)，場(chǎng)景調(diào)度將具體的動(dòng)作要求提交給火炮場(chǎng)景，并將火炮模型進(jìn)行計(jì)算機(jī)再現(xiàn)，再根據(jù)場(chǎng)景調(diào)度的要求模擬互動(dòng)過程[8]。

（三）仿真教學(xué)軟件模塊設(shè)計(jì)

在學(xué)生知識(shí)進(jìn)階學(xué)習(xí)過程中，火炮構(gòu)造原理虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)成為其重要的“支架”。為了實(shí)現(xiàn)依托火炮構(gòu)造原理虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)這一“支架”，實(shí)現(xiàn)基于智慧校園的支架式教學(xué)，火炮構(gòu)造原理虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)需要涵蓋范例支架、問題支架、建議支架等支架式教學(xué)法的主要模塊[9]。具體如圖4所示。

1. 范例支架模塊

范例支架主要為初學(xué)者提供演示示例，實(shí)現(xiàn)對(duì)火炮結(jié)構(gòu)原理的初步認(rèn)知。在虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)中，范例支架包括各類預(yù)設(shè)的演示動(dòng)畫和教員的操作演示。其中各類預(yù)設(shè)的演示動(dòng)畫包括結(jié)構(gòu)演示、原理演示、拆裝過程演示、故障排除演示等。以原理演示為例，對(duì)于機(jī)械機(jī)構(gòu)聯(lián)動(dòng)原理（如炮閂擊發(fā)裝置保險(xiǎn)原理與擊發(fā)原理、擊發(fā)裝置復(fù)撥原理、高低機(jī)、方向機(jī)傳動(dòng)原理等）采用交互式仿真進(jìn)行演示;對(duì)于涉及電、液、氣的部組件工作原理（如制退機(jī)、復(fù)進(jìn)機(jī)、平衡機(jī)等機(jī)構(gòu)的工作原理），則采用動(dòng)畫的方式進(jìn)行演示。

2. 問題支架模塊

問題支架是支架式教學(xué)法實(shí)現(xiàn)啟發(fā)誘導(dǎo)的首要部分，通過各種問題引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行下一步的探究。在仿真系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)原理交互仿真、拆裝仿真、故障排除仿真等教學(xué)內(nèi)容部分，須在交互仿真過程中設(shè)計(jì)問題界面。

上述預(yù)設(shè)的問題界面是固定的，不具備隨機(jī)性和開發(fā)性。因此在軟件中還需要預(yù)留教員的提問界面。這樣教員就可以根據(jù)教學(xué)的進(jìn)度和學(xué)生的課堂表現(xiàn)隨機(jī)應(yīng)變地調(diào)整自己的問題支架，或是根據(jù)學(xué)生提出的問題，進(jìn)行因材施教。

3. 建議支架模塊

建議支架主要用于學(xué)員交互仿真操作過程中易犯錯(cuò)的環(huán)節(jié)，起到類似警示的作用。與問題支架類似，這樣的建議也是預(yù)設(shè)好的，不具備隨機(jī)性和開發(fā)性。

在教學(xué)過程中，學(xué)員的思路、操作等難免會(huì)出現(xiàn)“偏航”。這時(shí)就需要教員提出“建議”及時(shí)修正。為此，仿真教學(xué)軟件中還需要設(shè)計(jì)教員能夠?qū)崟r(shí)交流的建議界面。由于提問界面和建議界面具有相似性，因此，可以合并到交流界面。在交流方式上，可以是文字，也可以是語音。

4. 工具支架模塊

在實(shí)際的教學(xué)中工具支架范圍較廣，如各類教具、信息系統(tǒng)、仿真系統(tǒng)等。在教學(xué)仿真系統(tǒng)中，工具支架主要是能夠進(jìn)行交互操作的仿真文件，仿真文件中不僅包括虛擬三維模型、拆裝工具、故障診斷儀器等，還包括火炮部件文字信息、操作步驟文字說明與解說等。

5. 圖表支架模塊

圖表支架主要包括火炮及其各分系統(tǒng)（或零部件）用途、結(jié)構(gòu)組成、功能原理等方面涉及到的組成框圖、剖面圖、曲線圖、表格等。其表現(xiàn)形式可以是三維場(chǎng)景里的黑板、掛圖等，也可以是彈出型二維界面。

6. 向?qū)еЪ苣K

向?qū)еЪ苣K模塊主要給學(xué)員提供整個(gè)學(xué)習(xí)內(nèi)容的知識(shí)架構(gòu)和前進(jìn)方向。在本仿真軟件中，需要設(shè)計(jì)交互界面中的各種類型的導(dǎo)航（向?qū)еЪ埽?，包括章?jié)目錄、結(jié)構(gòu)目錄、目前位置等，有助于學(xué)員了解整個(gè)仿真系統(tǒng)的內(nèi)容架構(gòu)，快速便捷地選擇學(xué)習(xí)內(nèi)容。

（四）系統(tǒng)軟件流程設(shè)計(jì)

1. 智慧教室環(huán)境下支架式教學(xué)過程

根據(jù)智慧教室的軟硬件特點(diǎn)和支架式教學(xué)方法的教學(xué)過程，梳理了在智慧教室環(huán)境下開展火炮構(gòu)造原理支架式教學(xué)的一般過程，如圖5所示[10]。

搭腳手架即根據(jù)學(xué)生現(xiàn)有水平和教學(xué)目標(biāo)，制定學(xué)生的學(xué)習(xí)任務(wù)，并進(jìn)行任務(wù)分解，確定學(xué)習(xí)順序、學(xué)習(xí)條件，選擇合適的支架類型（如智慧教室的設(shè)備、資源等）。進(jìn)入情境即將學(xué)生引入一定的問題情境（即產(chǎn)生矛盾），激發(fā)學(xué)生的探索欲望。獨(dú)立探索與協(xié)作學(xué)習(xí)是學(xué)習(xí)的主要階段，兩者相輔相成，互為融合，不可分割，獨(dú)立探索即在教師的啟發(fā)誘導(dǎo)下，學(xué)生進(jìn)行問題分析與探究，最終解決問題（即解決矛盾）;協(xié)作學(xué)習(xí)即學(xué)生與同學(xué)、老師的探討、交流，如教學(xué)過程中的分組討論、師生互動(dòng)等。效果評(píng)價(jià)即對(duì)學(xué)習(xí)效果的實(shí)時(shí)評(píng)估與反饋，效果評(píng)價(jià)貫穿于整個(gè)教學(xué)過程，而不僅僅在教學(xué)完成之后。

2. 基于支架式教學(xué)法的軟件流程設(shè)計(jì)

根據(jù)智慧教室環(huán)境下支架式教學(xué)的一般過程，設(shè)計(jì)基于支架式教學(xué)法的軟件流程，以故障診斷模塊為例，其程序流程如圖6所示。

在上述軟件流程中，獨(dú)立探索與協(xié)作學(xué)習(xí)過程是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。其中“故障原因分析”主要采用問題支架模塊，通過系統(tǒng)自動(dòng)提問和教員提問兩種方式，循循善誘，剖析故障原因;通過故障原因分析，確定故障位置，實(shí)現(xiàn)“故障定位”，采用工具支架中的三維模型高亮顯示故障點(diǎn);確定故障點(diǎn)后，在虛擬環(huán)境下進(jìn)行故障排除，并通過建議支架模塊提出操作警示信息，通過工具支架模塊顯示操作方法。故障排除完成后進(jìn)行復(fù)查，如果故障現(xiàn)象消失，則完成作業(yè)并進(jìn)行評(píng)估打分，否則繼續(xù)進(jìn)行故障分析與診斷維修，直至排除故障。在整個(gè)故障診斷過程中，教員都可以通過問題支架模塊采用語音或文字的方式進(jìn)行引導(dǎo)。

基于支架式教學(xué)法設(shè)計(jì)的軟件流程，不僅能夠滿足支架式教學(xué)法需求，也適用于其他一般的教學(xué)方法。

三、仿真教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)效果

仿真系統(tǒng)選用MAYA創(chuàng)建三維模型，并導(dǎo)出為*.FBX文件格式文件;采用unity3D軟件進(jìn)行仿真;采用C#Script進(jìn)行UI設(shè)計(jì)、控制設(shè)計(jì)及后端數(shù)據(jù)分析處理設(shè)計(jì)[11]。具體實(shí)現(xiàn)流程如圖7所示。614304DE-6094-4355-AE27-CC9F428BDFB9

基于支架式教學(xué)法設(shè)計(jì)的火炮構(gòu)造原理虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)，其開發(fā)實(shí)現(xiàn)的初步效果如圖8所示。圖8顯示的是進(jìn)行系統(tǒng)認(rèn)知學(xué)習(xí)的效果。主界面左邊顯示火炮結(jié)構(gòu)樹，中間為三維仿真區(qū)，右邊為文字介紹區(qū)。用戶可以用手柄設(shè)備對(duì)三維火炮模型進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、縮放、透明度等操控。

虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)界面簡(jiǎn)潔，功能豐富，在本科生教學(xué)中進(jìn)行了初步應(yīng)用。問卷咨詢顯示[12]，虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)受到學(xué)員的歡迎和好評(píng)。

四、結(jié)論

基于支架式教學(xué)理念分析了火炮構(gòu)造原理虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)的功能需求，進(jìn)行了系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)，并構(gòu)建了系統(tǒng)樣機(jī)。運(yùn)行效果表明，基于支架式教學(xué)理念設(shè)計(jì)的火炮構(gòu)造原理虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)能夠滿足火炮構(gòu)造原理教學(xué)需求，其設(shè)計(jì)方法也可以為其他教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考。

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基金項(xiàng)目：學(xué)院教育教學(xué)研究課題“基于VR的沉浸式火炮構(gòu)造原理智慧教學(xué)系統(tǒng)研究”（無編號(hào)）

作者簡(jiǎn)介：寧全利（1978-），男，漢族，山西稷山人，工學(xué)博士，教授，研究方向?yàn)槲淦飨到y(tǒng)與工程。

*通信作者：房施東（1980-），男，漢族，山東安丘人，工學(xué)博士，講師，研究方向?yàn)槲淦飨到y(tǒng)仿真與效能分析。614304DE-6094-4355-AE27-CC9F428BDFB9