淺析虛擬仿真技術在海軍院校教學中的應用

楊自春+張磊+陳國兵

摘 要：海軍貼近實戰，瞄準打贏的新軍事變革正迫使海軍院校加快培養現代化、信息化條件下的新型軍事人才，現代教育技術手段不斷融入軍校教學領域，很好地順應了這一發展趨勢。本文首先剖析當前海軍院校教學面臨的教學模式與部隊實戰化需求錯位、教學設備滯后于實戰化裝備、實訓教學開設困難、教學活動受限于時間和空間等問題。然后，貼合海軍院校教學的特點，將虛擬仿真技術融入到院校教學中，探討了虛擬仿真技術在海軍院校理論課教學、實訓課教學、學員創新能力培養中的應用，為解決當前教學中存在的不足，適應新形勢的軍事院校教學改革開辟了一條新思路。

關鍵詞：虛擬仿真；海軍院校；教學

中圖分類號：G726 文獻標識碼：A

近年來，海軍裝備不斷推陳出新、海軍和平時期使命任務呈多元化發展如海外護航、撤離僑民、聯合演習等，對建設海軍新型高素質軍事人才賦予了新的時代內涵。時代發展的新形勢正迫使海軍院校加快培養現代化、信息化條件下的新型軍事人才。尤其在全軍十五次院校會議之后，任職教育在海軍院校教育中的占比呈快速增長的態勢，培養能打仗、打勝仗的軍事人才已成為海軍院校的當務之急。

應用現代化技術為基礎的教學，能夠革新海軍院校的教育內容、方法，適應時代發展的需求。虛擬仿真技術作為現代化教學的重要手段，是實現海軍院校教育改革的強有力支撐。世界發達國家軍事院校作為依托虛擬仿真技術教學的先行者，積累了豐富的經驗并取得了很大的成效。以美國軍事院校為代表的歐美國家十分重視利用模擬仿真手段開展教學活動，美國海軍院校使用計算機模擬裝備對實裝系統進行復制，使學員可以在高度真實的虛擬仿真環境中對裝備進行認知、操作、維修等；對海軍飛行員培養過程中采用浸入式模擬駕駛方式，讓學習和訓練打破時間和空間限制；現代化的模擬器還被用于潛艇和水面艦艇學校，已建成了駕駛訓練模擬設備，學員可以模擬在低能見度等復雜海況時艦只安全進出港，美軍院校還試圖利用現代化手段建立“海上課堂”。俄羅斯庫茲涅佐夫海軍學院建立“海洋”計算機虛擬仿真演習系統，該系統可以讓學員與教員進行對抗演習，既可進行單艦、單艇的戰術對抗，也可進行艦隊和海上艦艇編隊司令部的合練。通過訓練和演習，加強學員對世界各海區作戰情況的認識，極大提高學員的實戰和指揮能力。

虛擬仿真技術的應用為海軍院校教學的改革開辟了一條新思路。為此，本文首先剖析海軍院校教學的現狀及存在的問題。然后，具體探討虛擬仿真技術在海軍院校理論教學、實踐教學和學員創新能力培養中的應用。

一、當前海軍院校教學中存在的不足

（一）當前教學模式與部隊實戰化需求錯位

隨著我國海軍發展步伐由近海向遠洋的加速推進、海軍的新裝備不斷入役、使命任務不斷調整，急需能夠適應海軍發展的新型軍事人才。但現在軍?；具€是沿用以前的教學體系，此教學體系已不能適應海軍崗位需求的變化。當前的軍校教育仍存在重理論，輕實踐的現狀，教員只能花費大量的時間進行理論講授，導致講課的效率比較低，學員的理解也往往是一知半解。雖然全軍院校對任職教育的研究逐漸深入，但任職教育的方式仍然籠罩在傳統教學模式的陰影下，這些都與部隊的現實需求存在明顯錯位。在海軍高速發展的形勢下，各部隊求賢若渴，都希望剛從軍校畢業的學員能夠盡快獨當一面。這就要求軍校學員剛畢業就要承擔起針對性極強的裝備操作、維護等工作，滿足第一任職的需求。但軍校教育中，理論教學和實踐教學不匹配，裝備實踐環節的教學仍然不足，學員沒有充分的機會經歷針對性強的裝備實踐教學，很難順利適應畢業后的第一任職需求。任職教育在海軍院校中的地位正日益凸顯，但任職教育的多層次、寬口徑等特點，也給教育方式提出了新的挑戰。任職教育涵蓋了士兵、士官、軍官等不同層次的教學任務，有些學員因基礎差、年齡和心理等特點大多排斥概念、原理方面等陳述性知識，尤其理論偏深的知識點，學員難以理解。對于實際動手實踐的課程，這些學員往往有濃厚的興趣。教學方法和教學手段也沒有及時跟上時代發展的步伐，對于一個飛速發展的信息時代，一本教案加一份課件已經不能滿足當前軍校學員的學習需求。顯而易見，當前這種定位不清，不能與時俱進的教學模式，已經難以適應軍隊發展對新型軍事人才的要求。

（二）教學裝備的發展與海軍實戰化裝備發展嚴重滯后

近年來，高等院校的不斷擴招以及海軍院校任職教育任務日益加重，軍校教學儀器和設備的建設卻沒有跟上不斷增長的教學需求。教學儀器設備無論在數量上還是質量上，都存在著明顯的滯后性。教學儀器設備短缺使得很多需要教學實踐的地方，僅由教員進行演示教學，很難讓學員吃透重點、難點。即使能夠開出比較復雜和專業性的實驗，因設備數量不足，使得眾多學員圍繞著一臺設備，很難讓每名學員獨自動手操作，呈現出的學習效果參差不齊。隨著現代化步伐加快，海軍新型裝備正不斷列裝，院校的很多教學儀器設備、軟硬件等教學資源，可能剛配置到院校不久，就因新技術變革和人才培養目標的轉變而面臨“下崗”。院校通過改造升級，可以在一定程度上延續這些教學設備的生命力，但畢竟治標不治本。然而，如果通過重新配置新的教學設備，又會造成本來有限的教學資源浪費，因此如何讓老設備煥發新活力，是非常值得研究的問題。同時，由于經費等一些客觀條件的限制，很多購置的教學設備尤其是大型教學設備，一般都會使用到報廢期限為止，雖然能夠滿足一些基本的教學功能，但是和現役裝備已經相差甚遠。另外，一些教學設備在頻繁操作以及誤操作過程中，若得不到有效的維護和更換，容易使得設備老化，甚至出現破損，嚴重影響正常的教學活動開展。因此，要達到教育部提出的“院校教學設備保持同期服役裝備水平，并具有一定的超前性”要求仍然有很大的差距，這種差距在海軍院校中顯得尤為突出。

（三）實訓教學開設困難

軍隊院校對實訓教學的要求呈日益增加的態勢，且實訓教學的要求越來越高，但通常因教學裝備、教學場地、經費等條件的限制，很多實訓教學無法開展，即使開展也難以保證教學效果。為此，很多院校放棄了相關實訓課程的建設，這就會造成學員只會紙上談兵，嚴重影響學員專業實踐能力。以動力工程專業為例，大型動力設備的操作、維護、檢修等工作是該專業學員第一任職基本能力需求。但目前院校中基本沒有完整運行的此類大型動力設備，操作運行訓練無法實現，學員實習時間又有限，根本達不到學習的目的。動力設備的維護、檢修，尤其發生在特定的故障條件下，很多故障在正常設備上是難以重現的。這就導致在實際裝備運行中，一旦出現故障只能是隨機應變、臨場決策，這會給裝備運行帶來很大的不確定性。軍校一些實訓教學中，會有一些具有危險性的項目，導致實訓教學危險性高的問題，比如許多裝備需要供電，學員具有潛在的觸電危險；武器裝備課中的槍械操作，實彈射擊訓練、火炮射擊、導彈發射均具有較大的危險性；大型機電設備操作，在高溫、高壓、高噪聲環境下，也存在較大的危險。在危險環境下進行教學，因學員較多，教員難以全面掌握學員的整個教學過程，給安全問題埋下隱患；學員理論基礎知識不牢、安全意識不強等，會造成操作不當而引起嚴重的安全事故，學員安全意識過強又會導致不敢操作?？梢?，傳統實訓教學模式下，教員難以幫助學員掌握崗位需要的工作技能。

（四）時間和空間受限、成本高昂

受到時間和空間的限制，很多教學活動難以有效地開展。一方面，一些教學活動很難在短時間內完成，比如艦艇動力設備的熱力監控，裝備振動、噪聲監控教學過程經過數小時才能觀察到結果；艦艇蒸汽動力推進系統運行管理的教學，需要綜合考慮設計工況、特殊工況等，整個學習過程需經過幾天時間才能認識動力系統的內在規律；艦艇典型設備的操作、艦艇操縱訓練等往往要幾個月的時間；還有一些核潛艇的核反應堆相關教學需要幾十年甚至上百年才能觀察的變化過程。另一方面，教學過程可能難以深入到事物或對象的內部，觀察內部結構，不利于學員對所學內容的理解，如核反應堆內部結構組成、各組件的連接情況以及運行過程中各部件的功能實現、相互之間作用形式。受空域和場地限制、成本等限制，一些教學訓練真實場景不易還原，如艦艇在不同海區，不同季節、海況下航行特點的教學?，F代的課堂教學涵蓋了小到原子，大到宇宙天體，許多知識點都是抽象的，傳統的課堂教學很難讓學員深入理解。

二、虛擬仿真技術在海軍院校教學中的應用

當前海軍院校教學中存在的不足限制了新形勢下諸多教學活動的有效開展，不能很好地適應軍校人才培養的新目標，教員和學員都在呼喚新型教學模式的出現。依托虛擬仿真技術的教學模式的發展，為軍校教學的改革帶來了新的契機。虛擬仿真技術是用計算機和專用設備等工具，模擬現實世界的物體、系統運行規律、環境的技術，具有多感知、臨境感，交互性、自主性等特點。因此，虛擬仿真技術在教學中的應用可以為教員和學員塑造一個全新的教與學的環境，可貫穿基礎理論課、專業基礎課、實踐教學課等整個教學課程體系，并覆蓋本科學員、任職教育學員、研究生等所有的學習群體。

（一）虛擬仿真技術在海軍院校理論課教學中的應用

軍校理論基礎課的知識內容涵蓋面廣，知識重點、難點和抽象的概念較多，學員不易理解。以虛擬仿真技術配合理論課教學，能提供圖文并茂、形聲兼備和豐富多彩的多種感官綜合刺激，將抽象問題形象化、復雜問題簡單化，讓學員從思維、情感和行為三個方面參與教學活動，既可以讓學員深刻地理解理論知識的要點，又能夠吸引學員主動探索知識。比如，基礎課學習階段，數學、物理、化學等課程都可以加入虛擬仿真內容，加深學員的理解。數學課上公式比較多，很多公式有其對應的物理意義，此時可通過仿真以曲線、波形等可視化的方式直觀表現出來；物理課上，能和功的轉換，振動理論中的節點、頻率、振幅等概念，化學課上的布朗運動等知識點都可以用生動形象的仿真動畫來模擬。

隨著軍校人才培養目標向培養新型綜合素質軍事人才的轉變以及海軍裝備加速列裝，迫使學員要在更短的時間內掌握扎實的專業基礎知識。軍校專業基礎課特別是艦船裝備相關課程，一般都是針對具體裝備需要，這就要求學員對具體裝備或系統有一定整體、深入的認知。因此，教員通常安排學員對實裝進行結構認知，因時間有限、沒有理論作為支撐，學員往往是走馬觀花，對學習對象看不透、看不全。許多理論知識需要結合實裝進行講解，又不可能將大型設備、整個系統搬到課堂上，這很容易導致學員學習不深入。虛擬仿真技術可以模擬小到原子，大到天體幾乎所有學習對象，能夠逼真的呈現出裝備仿真實體模型和分處于不同空間的系統，真正實現將大型設備或系統搬上課堂。學員可以360°全方位對學習對象進行仔細觀察，還可從整體到局部，從外部到內部進行更加深入的認知，做到了對學習對象看透、看全。并且能夠讓學員一目了然的看清設備各個組件以及尺寸、質量等參數。更重要的是，仿真實體模型讓理論講授和實裝無縫對接，這樣的教學環境可以大大的激發學員的學習興趣。

（二）虛擬仿真技術在海軍院校實訓課教學中的應用

1.虛擬仿真技術在設備虛擬拆裝、運行和檢修實踐教學中的應用

實際裝備的拆裝教學是認識學習對象的結構特點、工作原理和功能的重要途徑之一，但因裝備數量有限、學時有限，并且受成本、安全因素等客觀條件的限制，實裝拆裝教學往往不易開展或不能達到學習效果。若建立裝備的虛擬仿真模型，以軟件的形式呈現，安裝在個人計算機上，實現一名學員對應一臺設備。這種裝備的拆裝教學模式，不會損壞實際裝備和危害學員的人身安全，甚至能完成一些實裝無法完成的教學內容。如，核能工程專業的學員可以對核能設備進行虛擬拆裝，船舶工程專業學員可以對整個艦艇或任何部位進行虛擬拆裝，動力工程專業學員可以對龐大的柴油機進行精細的虛擬拆裝，而這些的教學內容在實裝教學中是難以實施的。

裝備的運行操作、維護、故障診斷和檢修是任職教育學員和本科畢業學員必須具有的且非常重要的任職能力。海軍裝備的技術含量越來越高、結構越來越復雜，海軍訓練任務日益加重，這些都使得裝備運行操作更加頻繁、裝備檢修的頻次越來越高、難度越來越大。當前，院校以書本知識和實裝訓練的教學方式已難以滿足艦艇實際裝備的可靠運行和有效維修。而基于虛擬仿真技術的教學訓練能夠適應部隊裝備可靠運行、準確檢修的新要求，具有顯著的經濟效益和軍事效益，地位日趨重要。虛擬實訓教學可滿足學員的充分訓練，而不用考慮時間、場地、成本等因素的限制。比如，對于艦艇動力設備維修訓練，可將收集的艦艇巡航、應急機動等工況下的典型故障數據，輸入到虛擬仿真維修模型中，對類似的故障進行反復的演練。虛擬維修可以再現一些艦艇曾經出現而又難以再現的故障維修，以及模擬艦艇尚未出現但存在出現可能的一些故障維修。虛擬維修實訓教學可以實現一些高溫、高壓甚至高危環境下的裝備檢修的教學，比如機艙、爐艙設備維修、核動力裝置故障維修等。虛擬仿真的維修實訓教學不僅能夠適應部隊維修體制由定期維修、預防維修向狀態維修的轉變，而且不消耗任何實物資源和不污染環境，真正做到綠色維修實訓。

2.虛擬仿真技術在模擬訓練實踐教學中的應用

海軍院校部分專業課程需要裝備的實操訓練，或者在真實的環境中才能達到教學效果，比如艦船航行操作教學、飛機駕駛訓練教學、火炮射擊教學、戰術課教學、聲吶專業任職教育等。當前的教學方式還是以理論授課居多，部分院校建設了實物訓練模擬器。因數量很少、更新換代成本較高，學員不能得到充分訓練，難以達到教學目標。相比而言，虛擬仿真技術在模擬訓練實踐教學中具有明顯優勢。例如，用虛擬仿真訓練系統來進行艦船航行操作教學，就是一種安全、經濟的代替實船訓練的方案。首先是安全性，艦船的航行是牽一發而動全身，需要各部門有效配合，毫無經驗的學員實操會存在一定的設備安全隱患、人身安全隱患。其次，是經濟性，虛擬仿真訓練可以模擬現役的不同船型，這是實際操縱和模擬器訓練無法比擬的，而且有利于減少實船訓練帶來的損耗，延長艦船的使用壽命。最后，能夠完成一些現實教學無法完成的教學任務，模擬訓練中可以模擬艦船的各種航行工況，尤其是一些平時無法訓練的極端工況，還可進行不同海洋環境下的操作訓練，以及靠碼頭、進塢等特殊操作。戰術課教學配合虛擬仿真技術可以擺脫紙上談兵的傳統教學模式，構建出數字化的戰場進行教學，不僅可以將以往的經典演習用虛擬仿真的形式重現，還可以根據教學目標構建不同的戰場形式，尤其適合進行多兵種協同作戰、惡劣環境下的作戰模擬。這種教學方式可以讓學員真正的參與到戰場中，可以扮演不同的角色，進而從多個角度學習戰術應用。作為士兵，能夠親自感受戰場的硝煙彌漫，提高學員武器的運用技能；作為指揮官，能夠體會運籌帷幄，決勝千里，提升學員的軍事指揮素養。任職教育中崗位指向性較強的專業如聲吶專業，更加依賴實踐教學，而聲吶專業采用虛擬仿真實踐教學可以模擬真實海洋地貌環境、復雜混響的聲場空間、不同種類的聲源信號，能夠使該專業學員受到更多、更具體、更全面的專業技能訓練。

（三）虛擬仿真技術在學員創新能力培養中應用

虛擬仿真技術的趣味性、真實性、沉浸性等特點，使學員能夠自主的投入到虛擬仿真環境中進行學習，可以自主控制學習的進度、方式，也可與系統進行交互學習或者同學之間協作學習。教員更易實施啟發式教學、案例式教學，也就更容易吸引學員注意力，達到既定的學習效果。虛擬仿真技術具有很強的可塑性，學員可以依據自己的想法調整、替換或者重新設計一些新的系統組件，在這個開放靈活且有新意的學習環境中，學員有興趣也有機會去探索系統新功能和開發新系統，有利于學員創新能力的培養。

虛擬仿真技術還可以和3D打印技術相結合來支持學員大作業或畢業設計。學員設計出的作品可以無縫的導入到快速成型的3D打印機打印成三維實物，而不僅僅是抽象的設計圖紙，讓一些難以理解的空間概念和結構映射入現實世界中。通過這種親身參與，直觀形象表現形式，學員的思維能力、自主設計能力和實踐能力都能得到全面的提升。

近年來，MOOC的發展如火如荼，但是它的一個軟肋就是實踐教學非常缺乏，一定程度上來說，這個特點可能會限制它的進一步發展，而虛擬仿真技術和MOOC結合必將摩擦出新的火花，讓學員有超越真實課堂的學習效果，有助于擴寬學員的知識面以及獲取知識的途徑。

由此可見，虛擬仿真技術在海軍院校教學中的應用具有顯著優勢，但它不能完全替代真實的實踐教學，兩者應互為補充，缺一不可。虛擬仿真技術是對真實教學設備和環境的一種模擬，因此真實教學設備和環境是虛擬仿真技術的基礎。依托虛擬仿真技術的教學可以完成實踐教學的前導訓練，使實踐教學更有針對性、學員學習效率更高，還可以作為真實實踐教學的有力補充，以及完成一些真實實踐無法完成的教學內容。因此，實際教學過程應做到虛實結合、相互補充的基本原則。無論如何，虛擬仿真技術應用是現代化教學改革的重要趨勢之一，特別是和當前一些新型開放的教育手段（如MOOC、翻轉課堂等）相結合，必將助力軍校教學改革更上一層樓，使之適應新時期海軍新型人才的培養需求。

三、結語

將現代化技術引入軍校教學已成為教學改革一個非常重要的動向。依托虛擬仿真技術的教學就是一種較佳的途徑。它使得教學活動具有多感知、臨境感、交互性、自主性等特點，能夠有效地解決當前教育中面臨的諸多問題，如教學模式與部隊實際需求錯位，教學儀器設備短缺且更新不足，實訓教學開設困難，教學活動受限于時間和空間等。依托虛擬仿真技術的教學可促進教學觀念的改變，提高教學質量和培養學員創新能力，加快新時期部隊所需軍事人才的培養。隨著國家關于虛擬仿真實驗室建設的開展，各軍事院校都躍躍欲試，虛擬仿真技術必將為軍校院校教學改革帶來新的機遇，發展前景廣闊。

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