基于虛擬儀器的課程教學(xué)訓(xùn)練平臺(tái)設(shè)計(jì)

姚躍亭 郭恒光 余仁波

[摘 要] 為了滿(mǎn)足軍校裝備課程的教學(xué)需求，依托實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有條件，采用虛擬儀器技術(shù)，構(gòu)建了課程教學(xué)訓(xùn)練平臺(tái)，運(yùn)用虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)和多媒體集成等技術(shù)手段，集成可自主設(shè)定的典型故障案例，實(shí)現(xiàn)武器裝備上裝電氣與導(dǎo)彈發(fā)射控制原理的可視化、圖形化教學(xué)，讓理論知識(shí)從抽象變得直觀(guān)，將故障排除訓(xùn)練等難以教學(xué)的內(nèi)容變得易于實(shí)施，增強(qiáng)學(xué)員的學(xué)習(xí)興趣，取得了較好的學(xué)習(xí)效果。

[關(guān)鍵詞] 虛擬儀器;裝備課程教學(xué)資源;教學(xué)訓(xùn)練平臺(tái)

[基金項(xiàng)目] 2018—2019年海軍航空大學(xué)教學(xué)信息化改革項(xiàng)目（岸防教科〔2018〕66號(hào)），海軍重點(diǎn)課程建設(shè)基金（?！劣?xùn)〔2019〕9號(hào)）

[作者簡(jiǎn)介] 姚躍亭（1980—），男，浙江蘭溪人，工學(xué)博士，浙江科貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息系、海軍航空大學(xué)岸防兵學(xué)院講師，主要從事物聯(lián)網(wǎng)和計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)研究;郭恒光（1986—），男，山東兗州人，工學(xué)博士，海軍航空大學(xué)岸防兵學(xué)院副教授，主要從事導(dǎo)彈發(fā)射工程技術(shù)研究;余仁波（1980—），男，湖北黃石人，工學(xué)博士，海軍航空大學(xué)岸防兵學(xué)院副教授，主要從事導(dǎo)彈發(fā)射工程技術(shù)研究。

[中圖分類(lèi)號(hào)] G642.0? ?[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A? ? [文章編號(hào)] 1674-9324（2021）21-0089-04? ?[收稿日期] 2020-11-20

一、引言

隨著信息技術(shù)在現(xiàn)代教學(xué)中的大量運(yùn)用，傳統(tǒng)的裝備教學(xué)方法已經(jīng)越來(lái)越不適應(yīng)現(xiàn)有教學(xué)任務(wù)，主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：一是受制于體制或經(jīng)費(fèi)原因，軍隊(duì)院校教學(xué)裝備往往配發(fā)不及時(shí)，調(diào)撥不到位，無(wú)法進(jìn)行實(shí)裝教學(xué)，只能進(jìn)行理論及圖紙化教學(xué)，不形象、不生動(dòng)，教學(xué)效果不理想;二是教學(xué)方式單調(diào)枯燥，實(shí)驗(yàn)設(shè)備老舊，理論教學(xué)還是以教師授課為主，PPT為輔助，知識(shí)灌輸枯燥乏味，學(xué)員參與度不高，動(dòng)手能力得不到提高，實(shí)操技能特別是實(shí)際故障診斷排除能力難以得到有效鍛煉，課堂授課效果不佳。

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，地方各種在線(xiàn)教育平臺(tái)和MOOC、SPOC等典型教學(xué)模式飛速發(fā)展，為軍事教育帶來(lái)寶貴機(jī)遇。針對(duì)現(xiàn)行教學(xué)方法存在的問(wèn)題，推進(jìn)軍隊(duì)院校裝備課程教學(xué)改革，采用信息化技術(shù)，建設(shè)軍校校本教學(xué)信息化資源，以信息化促進(jìn)教育現(xiàn)代化，以教育現(xiàn)代化促進(jìn)人的現(xiàn)代化，實(shí)現(xiàn)裝備課程教學(xué)信息化，是教育信息化大背景下，符合新時(shí)期教學(xué)理念、教學(xué)方式大變革的必要舉措。由于軍校裝備教學(xué)要求保密的特殊性，大部分裝備課程不適合建設(shè)外網(wǎng)或者軍隊(duì)內(nèi)網(wǎng)教學(xué)資源，只適合建設(shè)基于保密實(shí)驗(yàn)室局域網(wǎng)內(nèi)的在線(xiàn)資源。

鑒于上述情況，利用信息化技術(shù)，建設(shè)小型SPOC（Small Private Online Course，小規(guī)模限制性在線(xiàn)課程）教學(xué)資源，構(gòu)建仿真教學(xué)訓(xùn)練平臺(tái)，是軍校裝備課程教學(xué)適應(yīng)現(xiàn)代教學(xué)信息化的方法之一[1]。

二、虛擬儀器技術(shù)對(duì)裝備教學(xué)資源的意義

隨著裝備技術(shù)的快速發(fā)展，導(dǎo)彈武器裝備的技術(shù)水平越來(lái)越高，所采用的技術(shù)越來(lái)越先進(jìn)，裝備維修保障也逐漸以預(yù)防性維修和保障為主。而機(jī)動(dòng)導(dǎo)彈部隊(duì)需要常年在野外環(huán)境下遂行自主打擊任務(wù)。在這種作戰(zhàn)模式下，要求基層作戰(zhàn)單元在長(zhǎng)時(shí)間、任務(wù)密集的情況下，能夠自主保障，在缺乏工廠(chǎng)、修理廠(chǎng)等支援力量的情況下，能夠自主解決大部分裝備故障和保障問(wèn)題。這就極大地凸顯出對(duì)操作使用人員操作使用、工作原理、維修保障能力的要求。

虛擬儀器技術(shù)（Virtual instrumentation）就是利用高性能的模塊化硬件，結(jié)合高效靈活的軟件來(lái)完成各種測(cè)試、測(cè)量和自動(dòng)化的應(yīng)用。靈活高效的軟件能幫助用戶(hù)創(chuàng)建完全自定義的用戶(hù)界面，模塊化的硬件能方便地提供全方位的系統(tǒng)集成，標(biāo)準(zhǔn)的軟硬件平臺(tái)能滿(mǎn)足對(duì)同步和定時(shí)應(yīng)用的需求。高效的軟件、模塊化I/O硬件和用于集成的軟硬件平臺(tái)，使虛擬儀器技術(shù)具備了性能高、擴(kuò)展性強(qiáng)、開(kāi)發(fā)時(shí)間少及出色的集成四大優(yōu)勢(shì)。

虛擬儀器既可以是基于PC機(jī)的單機(jī)系統(tǒng)，也可以是基于計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)總線(xiàn)接口的測(cè)試系統(tǒng)。完成硬件系統(tǒng)搭建之后，通過(guò)LabVIEW或者LabWindows CVI等軟件開(kāi)發(fā)工具，實(shí)現(xiàn)軟件系統(tǒng)的自主定制和設(shè)計(jì)[2]。

通過(guò)運(yùn)用虛擬儀器技術(shù)搭建導(dǎo)彈武器上裝電氣系統(tǒng)仿真學(xué)習(xí)訓(xùn)練平臺(tái)，在經(jīng)費(fèi)、資源有限的前提下，使學(xué)生能夠圍繞信號(hào)流程，針對(duì)每一步操作，更加直觀(guān)、高效地理解和掌握武器系統(tǒng)上裝電氣的運(yùn)行原理;教師能夠根據(jù)學(xué)生的掌握情況，有針對(duì)性地設(shè)計(jì)故障案例，開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)排故訓(xùn)練，從而達(dá)到自主維修保障能力的有效提高[3]。

三、教學(xué)訓(xùn)練平臺(tái)結(jié)構(gòu)

要利用虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建導(dǎo)彈武器教學(xué)訓(xùn)練平臺(tái)，對(duì)教學(xué)需求進(jìn)行分析是關(guān)鍵。在××導(dǎo)彈武器系統(tǒng)發(fā)控設(shè)備課程主要教學(xué)內(nèi)容是設(shè)備外觀(guān)結(jié)構(gòu)組成、系統(tǒng)連接關(guān)系、發(fā)射控制流程等內(nèi)容。為實(shí)現(xiàn)上述教學(xué)功能，在構(gòu)建訓(xùn)練平臺(tái)時(shí)，必須達(dá)到以下要求：具有與實(shí)際設(shè)備完全一致的虛擬控制臺(tái);能夠以圖形、圖像或視頻等形式真實(shí)展現(xiàn)各個(gè)控制臺(tái)位之間的電纜信號(hào)連接關(guān)系;能夠模擬真實(shí)裝備，實(shí)現(xiàn)發(fā)射控制流程的完整模擬。

通過(guò)分析系統(tǒng)工作原理可知，系統(tǒng)連接關(guān)系和發(fā)控流程與系統(tǒng)電氣信號(hào)密切相關(guān)，做好電氣信號(hào)流程及接口分析，是構(gòu)建仿真訓(xùn)練平臺(tái)的基礎(chǔ)。做需求分析如下。

（一）電氣信號(hào)及接口需求分析

××導(dǎo)彈武器系統(tǒng)為機(jī)動(dòng)車(chē)載式導(dǎo)彈武器系統(tǒng)，發(fā)射車(chē)是其核心部件。電氣系統(tǒng)教學(xué)就是在發(fā)射車(chē)上進(jìn)行電氣系統(tǒng)教學(xué)。該部分內(nèi)容的關(guān)鍵是以導(dǎo)彈發(fā)射控制過(guò)程中的指令、信號(hào)為核心，分析其信號(hào)流程，掌握其核心邏輯步驟，從而實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈發(fā)控流程的教學(xué)。另外，通過(guò)指令信號(hào)流程的分析，可以清晰地揭示導(dǎo)彈發(fā)射的邏輯控制流程，對(duì)于學(xué)生學(xué)習(xí)裝備的工作原理和維修保障人員進(jìn)行故障分析、故障定位，具有重要意義。

發(fā)射車(chē)電氣系統(tǒng)包含的分系統(tǒng)較多，包括車(chē)底盤(pán)電氣、液壓系統(tǒng)電氣、發(fā)射控制設(shè)備電氣等。本文重點(diǎn)對(duì)發(fā)射控制設(shè)備電氣進(jìn)行分析，這類(lèi)信號(hào)在流程上涵蓋了導(dǎo)控、武控、通信、發(fā)控及筒彈等設(shè)備，能夠完成簡(jiǎn)化的發(fā)射控制流程。通過(guò)這些設(shè)備，可以將關(guān)鍵指令信號(hào)形成一個(gè)完整的流程通路，實(shí)現(xiàn)發(fā)控流程教學(xué)。