面向复杂装备拆装认知的沉浸式教学实验研究

摘要：面向复杂装备拆装的沉浸式教学实验研究聚焦于认知规律与技术融合，通过虚拟仿真与多模态交互重构传统实训模式。研究构建虚实联动的学习场景，整合知识图谱与智能引导功能，实现从装备结构认知到拆装逻辑训练的闭环学习路径。实验设计验证沉浸式教学对空间思维与操作规范的内化效果，为高端装备人才培养提供创新方案。

关键词：沉浸式教学；复杂装备拆装；认知训练

引言：高端装备制造业的精密化与智能化趋势对人才认知能力提出更高要求，传统拆装训练受限于设备成本与安全风险，难以满足复杂装备的深度学习需求。教育元宇宙与XR技术的结合为认知训练提供新路径，通过虚实融合环境模拟真实操作场景，使学习者在零风险条件下掌握精密拆装逻辑。研究以航空发动机、数控机床等复杂装备为对象，探索沉浸式教学对空间感知、流程记忆与故障诊断能力的提升机制，突破传统实训的时空限制与认知瓶颈。

一、 沉浸式教学系统设计

（一）教学需求分析与任务建模

装备拆装教学的核心矛盾在于结构认知与动作执行的协同障碍，通过解析典型装备（如航空发动机、工业机器人）的维修手册与操作日志，提取拆装流程中的关键认知节点：部件空间方位识别、工具选配逻辑、扭矩控制阈值。任务建模采用分层递进策略，将整体拆解流程分解为部件定位、连接件分离、公差检测三级任务链，每级任务包含标准化操作步骤与常见错误类型库[1]。

（二）沉浸式环境构建

基于Unity引擎开发装备三维模型库，通过光线追踪技术模拟金属表面反光与磨损纹理，增强部件视觉辨识度。空间坐标系与实体设备保持1：1映射，操作者佩戴Varjo XR-3头显时，虚拟手部骨骼数据与Leap Motion手势捕捉系统实时同步，实现工具抓取角度的毫米级精度反馈。环境动态渲染模块支持光照强度调节，模拟不同工况下的视觉干扰场景，如油污遮挡、狭小空间作业。

（三）交互方式设计

设计双通道操作反馈机制：触觉层采用Teslasuit柔性电刺激模块，模拟螺栓旋拧时的阻力梯度变化;视觉层通过粒子特效标记接触面应力分布，红色高亮区域提示过载风险。工具交互逻辑引入物理引擎约束，当选用内六角扳手操作Torx螺钉时，系统自动冻结拆解进程并触发错误类型提示窗口，强制进入工具认知强化训练模块。

（四）人机交互设计与反馈机制

构建多模态反馈矩阵：听觉通道采用定向声场技术播报扭矩阈值提醒，触觉通道通过触感手套传递部件卡合振动波形，视觉通道利用AR标注显示拆卸顺序编号。智能纠错系统实时比对操作轨迹与标准流程数据库，偏差超过预设阈值时启动三维箭头引导与语音提示双干预模式。历史操作数据生成热力图，直观展示学员的空间方位误判高发区域。

（五）知识图谱与智能引导功能

基于Neo4j图数据库构建装备拆装知识网络，节点涵盖部件功能属性、连接关系与故障模式，边权重表征拆解顺序依赖强度。智能引导模块采用强化学习算法，根据学员操作习惯动态调整提示强度：新手阶段全程标注工具选用建议，进阶阶段仅在连续三次错误后触发局部提示。知识检索功能支持语音查询，如询问“二级涡轮拆解限制条件”时，系统自动聚焦相关部件并展开三维爆炸视[2]。

二、复杂装备拆装认知的实验研究设计

（一）实验目标与假设

某个研究团队基于某高校机械工程学院现有实训条件，选择工业机器人、航空发动机等典型装备作为教学载体。本实验聚焦航空发动机高压涡轮模块拆装训练，目的在验证沉浸式教学对空间认知与操作规范的提升效果。核心假设包括：第一，虚实联动的训练场景可将复杂装备拆装认知周期缩短30%以上;第二，多模态交互设计能将误操作二次发生率降低50%。实验选取空间定位精度、流程记忆强度与异常诊断速度作为核心观测指标，通过对比传统二维图纸教学与沉浸式虚拟训练的效果差异，探索高端装备人才培养的创新路径。

（二）研究对象与分组设计

实验对象为某科技大学飞行器动力工程专业120名学生，通过空间认知能力测试与机械基础课程成绩双重筛选，确保实验组（60人）与对照组（60人）初始能力均衡。实验组采用科远智慧设备拆装实训系统，配备HTC VIVE Pro 2头显与力反馈手套;对照组沿用“纸质爆炸图+实体模型”教学模式。双盲设计下，指导教师仅知晓分组编号，避免主观评价干扰。实验周期8周，每周2次集中训练，任务涵盖涡轮叶片拆卸、轴承更换等60个标准节点及12类故障场景。

（三）实验平台与环境搭建

实验平台采用“数字孪生+实体操作”双环架构。虚拟环境基于Unity引擎构建1：1航空发动机高压涡轮数字孪生体，包含几百个零件模型，模拟螺纹配合、过盈连接等6类机械接口特征。力反馈手套精度达0.1级，可还原螺栓拧紧时的扭矩梯度变化;六自由度运动平台模拟拆卸时的物理震动。实体操作区配备真实涡轮模块拆装台架，通过UWB定位系统实现工具位置与虚拟场景的毫秒级同步[3]。

（四）实验过程与核心发现

预训练阶段（第1-2周），实验组学员通过手势操作自由拆解虚拟涡轮组件，激活“结构透视”功能后，长按零件可透视内部油路与气动通道的立体交联关系。当误操作未解除锁片即拆卸涡轮盘时，力反馈手套触发渐进阻力，虚拟场景弹出三维警示标识，同步推送《航空发动机维护规范》相关条款。对照组则通过二维爆炸图学习部件位置，教师用激光笔标注关键连接点，但无法感知装配阻力差异。

核心训练阶段（第3-6周），实验组面临三大挑战：

1.空间盲拆任务：系统随机隐藏20%零件，学员需通过剩余部件的空间方位反推缺失组件的安装逻辑。例如高压导向器叶片隐藏后，学员需根据静子环卡槽角度推断叶片安装方向，此过程强化空间推理能力。

2.动态故障处置：注入突发性热变形导致涡轮轴卡滞，学员需使用虚拟千分表测量轴端跳动量，结合热成像数据判断是否更换轴承。系统记录决策时间与工具选用合理性，错误选择将触发虚拟事故回放。

3.跨模态转换：拆卸低压涡轮时，骨传导耳机同步播放金属撞击声，触觉反馈区分铜锤与钢质顶杆的振动差异，多感官协同提升认知深度。

综合应用阶段（第7-8周）启动“虚实镜像”模式：虚拟拆卸的零件实时映射至实体台架，通过RFID芯片追踪物理位置。当学员完成虚拟高压压气机转子拆卸后，实体台架对应区域的电磁锁自动解除。系统特别设置“异常映射”干扰项——虚拟环境某螺栓已拆卸但实体仍紧固，训练学员建立交叉验证意识。此阶段故障诊断准确率达92%，较对照组提升37%。

数据验证与成果转化 实验全程采集四维数据：

1.眼动轨迹：实验组在涡轮盘拆卸环节的视觉聚焦时长减少35%，显示触觉反馈加速空间记忆锚点形成;

2.操作路径：实验组重复移动距离降低62%，工具切换频次减少48%，动作逻辑显著优化;

3.异常诊断：面对轴承滚道剥落故障，实验组通过振动频谱分析的确诊率较对照组提升58%。

研究成果已转化为某航空重工企业的岗前培训体系，将真实发动机维修工单数据导入虚拟系统后，新员工培训周期从6个月压缩至3个月。该案例证实沉浸式教学可突破传统实训的物理限制，为高端装备领域输送具备精密操作素养的专业人才提供技术路径。

结语：沉浸式教学实验研究突破传统实训的物理边界，通过认知逻辑与数字技术的深度耦合重构人才培养模式。虚实联动的训练场景使抽象原理具象化，智能引导系统实现个性化能力进阶，为高端装备领域输送具备空间思维与精密操作素养的专业人才奠定基础。研究验证的技术框架具备行业普适性，未来可拓展至航天器维护、核电站检修等高危领域，推动产教融合向更深层次发展。

参考文献：

[1]王卓，陈琦，李孝茹.沉浸式教学在机器人工程专业实验教学中的探索与实践[J].中国现代教育装备，2024，（19）：41-44.

[2]张红坚，姜斌远.基于AI技术下供应链实训课程沉浸式教学探索[J].中国设备工程，2024，（14）：254-256.

[3]陈卓贤.基于VR的沉浸式液压课程虚拟实验系统设计及关键技术研究[D].南昌大学，2024.

作者简介：石春景，女，汉族，1990.6，黑龙江齐齐哈尔人，凝聚态物理博士，特聘副教授，研究方向：功能纳米材料、超精密加工。