淺談半實物仿真技術在軍事院校教學中的應用

常遠 賈曉劍

摘 要：隨著國防和軍事改革進一步調整和深化，對承擔培養(yǎng)相應新型高素質指揮軍官的邊海防軍事院校也提出了更高的標準。對于院校教育中電工電子類相關課程，通過半實物仿真技術結合理論授課和實踐操作，解決學員教育中的“教”與“學”兩大實際問題，探索新型教學方式，提高課堂質量。

關鍵詞：半實物仿真;電工電子技術;教學

邊海防部隊作為一支“守國門、打先鋒”的傳統(tǒng)兵種，信息化裝備越來越多，人才缺口較大，邊海防軍事院校承擔了主要的培養(yǎng)任務，而院校教育中電工電子技術類相關課程成為了一門重要的基礎課程。通過電工電子類相關課程，使學員在掌握基本理論知識的基礎上，提升學員邏輯思維和創(chuàng)新思維的能力，從而培養(yǎng)掌握現(xiàn)代信息技術高素質新型軍事指揮人才[1]。

電工電子技術課程分為理論教學和實踐教學，其中實踐教學以相關實物電路設計實驗為主。近年來通過半實物仿真技術結合電子類課程教學實踐的方法探索新型實驗方式，提高課堂教學質量，是一種較為高效的教學方法。

1 半實物仿真系統(tǒng)

半實物仿真中的“半實物”是指仿真系統(tǒng)中主要模塊用硬件實物實現(xiàn)，而部分復雜、成本高昂的系統(tǒng)使用軟件實現(xiàn)，最終通過交互達到仿真目的，是一種數(shù)學仿真和物理仿真相結合的實驗方法[2]。

半實物仿真的特征：1）實時仿真，即仿真模型的時間標尺和自然時間標尺相同;2）僅需考慮控制器與仿真計算機之間的接口如何統(tǒng)一;3）和數(shù)學仿真相比較，該技術的實驗結果更接近實際，與物理仿真相比較，無需耗費過多硬件資源。

半實物仿真系統(tǒng)如圖1所示，一般由硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)、評估系統(tǒng)和校驗驗證與確認系統(tǒng)四部分組成。

硬件系統(tǒng)一般包括仿真計算機、激勵設備、接口設備、監(jiān)控設備及電源設備等;軟件系統(tǒng)一般包括仿真模型、測試軟件、控制軟件以及服務系統(tǒng)軟件等;評估系統(tǒng)包括評估方法和評估設備等;校驗驗證與確認系統(tǒng)一般是在系統(tǒng)評估之后，進行的實驗設計，全面考核系統(tǒng)是否能完成實驗要求

2 軍事院校中半實物仿真教學的優(yōu)勢

因半實物仿真技術具備對復雜系統(tǒng)進行模擬、易于實現(xiàn)、實驗結果直觀等特點，近年來在教學領域應用也較為廣泛。尤其是在電工電子類教學課程中，通過半實物仿真教學能夠解決學員教育中的“教”與“學”兩大實際問題。

一是“教”的問題。院校電工電子技術相關課程大多重視理論教學，由于教學資源不足、實驗學時有限、實驗時間和地點相對固定等因素，教員難以根據授課進度和學員掌握情況安排實驗時間;硬件實驗教學多數(shù)以驗證性實驗為主，不利于培養(yǎng)學生的自主創(chuàng)新能力;單一軟件仿真與客觀環(huán)境差別較大，不能模擬真實環(huán)境[3]。

二是“學”的問題。軍事院校中學員體能訓練任務較重，自主學習時間與地方院校相比略有不足，基礎理論知識學習枯燥，課堂難以激發(fā)學員學習的自主能動性[3]。除此之外，個別學員甚至對封閉的軍校環(huán)境產生排斥、逆反心理，單純追求和滿足于考試合格，失去課堂興趣[4]。

在電工電子類課程教學中半實物仿真教學具有較高的實際意義，能夠在一定程度上充分利用教學資源、提升教員科研能力、激發(fā)生學員學習興趣，從而使教員能夠更好地“教”，學員更高效地 “學”。

3 半實物仿真在教學中的應用

3.1 在電工電子實驗教學中的應用

本節(jié)以NI-EVILS虛擬儀器實驗平臺為實例，陳述半實物仿真在基礎教學中的應用。

NI-EVILS虛擬儀器實驗平臺是一套軟硬結合的相當完整的實驗平臺，它的基本組成框圖如圖2所示，硬件連接如圖3所示。

工作臺和面包板提供了連接相關實驗硬件的功能，其中工作臺提供可調電源、電源指示燈、通信開關以及儀器接口等，學員可以在面包板上組建電路;數(shù)據采集設備實現(xiàn)轉換、調理、采樣、量化、傳輸物理量等功能，將處理后的數(shù)據發(fā)送給計算機;計算機對采集的數(shù)據進行處理、分析、存儲等加工，搭載的LabVIEW軟件里集成了12種儀器，傳統(tǒng)儀器的操作移植到了軟件界面，如圖4所示。除此之外還能夠在軟件界面上對比用Multisim軟件電路仿真的結果[5]。

此實驗平臺中，仿真軟件代替了傳統(tǒng)儀器，工作臺和面包板延續(xù)了硬件電路，運用了半實物仿真技術解決了傳統(tǒng)儀器資源少、實驗時間和地點限制的問題。

3.2 在科研工作中的應用

本節(jié)以無人機飛行控制的半實物仿真系統(tǒng)為實例，陳述半實物仿真在科研工作中的應用。無人機飛行控制半實物仿真系統(tǒng)主要由自駕儀，地面站和X-plane飛行模擬器三部分組成[6]，如圖5所示。

其中自駕儀主要完成飛行姿態(tài)控制、遙控指令收發(fā)、大氣數(shù)據采集、地理位置信息定位等功能，是系統(tǒng)中的實物部分;

地面站是系統(tǒng)的控制操作界面，由硬件和軟件進行實現(xiàn)，硬件部分包括操縱桿、油門桿、腳舵、外圍控制器等，軟件部分主要用于實現(xiàn)控制信息輸入、圖形界面顯示、無人機狀態(tài)監(jiān)控、任務規(guī)劃等功能。

X-Plane飛行模擬器是一款飛行模擬軟件，主要用于模擬飛行器的飛行界面和環(huán)境信息，實現(xiàn)飛行姿態(tài)顯示、儀器儀表顯示、氣象條件模擬、起飛著陸等功能。

在實驗過程中，首先操作員通過地面站進行任務規(guī)劃，將帶有地理信息的任務規(guī)劃軟件加載給飛行控制器，飛行控制器根據任務規(guī)劃的內容開始控制無人機起飛巡航，同時將姿態(tài)和位置信息發(fā)送給X-Plane飛行模擬器，模擬器根據接收到的無人機狀態(tài)信息，對無人機和外界環(huán)境進行顯示，并反饋當前的氣象條件和姿態(tài)信息，飛行控制器根據反饋的信息，通過控制律和飛行邏輯進行運算，調整當前飛行姿態(tài)，并將當前的航向、航速、經緯高、油量、航程、載荷狀態(tài)等信息發(fā)送給地面站進行顯示，操作員根據顯示的內容對飛行進行監(jiān)控，并及時對特請進行人工干預，保證任務能夠完成。

在整個無人機飛行控制半實物仿真實驗中，能夠根據教學需求，對飛行控制律設計、圖形界面設計、飛行控制器及外圍電路搭建、任務規(guī)劃設計等不同方面進行實驗設計，內含計算機語言、數(shù)模電、電路分析、信號與系統(tǒng)等多門類電工電子學科，同時還包括軍事運籌學、軍事地形學、軍事指揮學等多種軍事類學科，解決了不能實際操作無人機、研究無人機以及驗證飛行控制算法的問題，具有較高的教學和科研價值。

4 半實物仿真教學的意義及展望

本文通過在教學和科研中引入半實物仿真技術，使學員從基礎的獨立電路模塊操作學習，擴展到自如地運用多種電路模塊完成復雜課程設計，掌握扎實的電子電工理論和實踐技術，適應新型信息化作戰(zhàn)指揮體系，提高國家邊海防一線管控能力，有效應對各種軍事威脅，穩(wěn)固邊海防建設。

參考文獻

[1]李國明，濮懷宇，陳珊，胡裕龍.軍事院校工程訓練教學改革與實踐[J].實驗技術與管理.2019，36（3）.

[2]鄭國，楊鎖昌，張寬橋.軍事院校工程訓練教學改革與實踐[J].實驗技術與管理.2016（11）.

[3]湯艷坤，楊坤，石靜苑.淺談仿真軟件在部隊院校電工電子教學中的應用[J].神州.2012（22）.

[4]應凱豪，張超，張坤.軍事院校學生心理特征與教育策略探討[J].農家參謀.2018.

[5]全曉莉，周南權.基于虛擬儀器技術的數(shù)字電路實驗系統(tǒng)研究[J].實驗技術與管理.2014，31（4）.

[6]王祥科，常繼紅，牛軼峰，賈圣德.智能控制牽引的無人機系統(tǒng)實踐教學探索[J].創(chuàng)新教育研究.2019，7（1）.