王偉達(dá),楊 超,王欽釗,閆清東
(1.北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院,北京 100081;2. 裝甲兵學(xué)院電氣工程系,北京 100072)
為適應(yīng)新時(shí)代創(chuàng)新經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展、科學(xué)技術(shù)日新月異的新形勢,各高校都在探索革新性的教育教學(xué)方法,以使培養(yǎng)的學(xué)生適應(yīng)快速變化的社會(huì)需求?;诮虒W(xué)平臺(tái)與虛擬仿真技術(shù)的教學(xué)方法得到普遍的認(rèn)同和應(yīng)用。文獻(xiàn)[1]認(rèn)為培養(yǎng)創(chuàng)新型人才是一項(xiàng)系統(tǒng)工程,離不開實(shí)驗(yàn)室的開放實(shí)踐,采取多種途徑全面推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室開放,引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室動(dòng)手實(shí)踐,能夠極大地提高實(shí)驗(yàn)室和設(shè)備的利用率,實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源共享,提高學(xué)生的創(chuàng)新科研能力。文獻(xiàn)[2]研究了國外高校虛擬仿真教學(xué)現(xiàn)狀與發(fā)展,介紹了支撐虛擬仿真教學(xué)的主要信息技術(shù),歸納總結(jié)了國外高校虛擬仿真教學(xué)的類別、形式、特點(diǎn)以及實(shí)踐案例。文獻(xiàn)[3]提出了建設(shè)高校室管理專業(yè)性學(xué)生組織,打造青年學(xué)生參與室管理的實(shí)踐平臺(tái),既具有重要的現(xiàn)實(shí)和理論意義,也具有較強(qiáng)的可操作性,不但可以為青年學(xué)生成才、成長提供服務(wù),而且增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)室管理力量、提升實(shí)驗(yàn)室管理水平。文獻(xiàn)[4]針對(duì)現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展對(duì)工程師的工程綜合實(shí)踐能力要求越來越高的問題,結(jié)合工程訓(xùn)練中心的實(shí)踐教學(xué)條件,提出了改革教學(xué)方法等措施與建議。文獻(xiàn)[5]構(gòu)建了虛實(shí)結(jié)合、理-實(shí)一體化的艦載導(dǎo)彈火控模擬訓(xùn)練體系,搭建了導(dǎo)彈火控模擬訓(xùn)練教學(xué)平臺(tái),扎實(shí)推進(jìn)教學(xué)改革實(shí)踐,有效增強(qiáng)了學(xué)員對(duì)復(fù)雜武器裝備學(xué)習(xí)的興趣和訓(xùn)練效果,提高了人才培養(yǎng)質(zhì)量。我校裝甲車輛工程專業(yè)在基于教學(xué)平臺(tái)與虛擬仿真教學(xué)方面做了很多工作,如在坦克構(gòu)造與設(shè)計(jì)課程中運(yùn)用視景仿真進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué),開發(fā)了多種軍用車輛總體或關(guān)鍵零部件模擬仿真平臺(tái)等[6~8]。
將建構(gòu)主義理論用于教學(xué)尤其是實(shí)踐教學(xué)中也是當(dāng)前的熱點(diǎn)問題。文獻(xiàn)[9]針對(duì)工程教育特點(diǎn),在建構(gòu)主義理論指導(dǎo)下,探索了研究性教學(xué)實(shí)踐,完善了知識(shí)、條件、文化等方面的研究性教學(xué)環(huán)境。文獻(xiàn)[10]提出建構(gòu)主義教學(xué)重在對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)環(huán)境的設(shè)計(jì),學(xué)生在合適的學(xué)習(xí)環(huán)境中能充當(dāng)知識(shí)的主動(dòng)建構(gòu)者,教師的作用是通過恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)模式設(shè)計(jì)為學(xué)生創(chuàng)造學(xué)習(xí)環(huán)境,建構(gòu)主義教學(xué)能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性和自我發(fā)展能力。文獻(xiàn)[11] 設(shè)計(jì)了建構(gòu)主義理論指導(dǎo)下的研究生教學(xué)模式GIFPM及其課堂教學(xué)策略,并給出了基于建構(gòu)主義的研究生教學(xué)模式中教學(xué)策略選擇的基本原則。
在我校裝甲車輛工程專業(yè)《現(xiàn)代坦克火控技術(shù)》課程教學(xué)實(shí)踐中,針對(duì)遇到的現(xiàn)實(shí)問題,為學(xué)生提供直接接觸火控系統(tǒng)并產(chǎn)生切身體驗(yàn)的模擬教學(xué)平臺(tái),整合基礎(chǔ)數(shù)學(xué)物理知識(shí)、直觀感受、教學(xué)條件等資源,在建構(gòu)主義教學(xué)法指導(dǎo)下,通過基于情境的坦克火控技術(shù)教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)、教學(xué)過程設(shè)計(jì),構(gòu)建火控技術(shù)知識(shí)體系,加深學(xué)生對(duì)課程知識(shí)內(nèi)核的理解,提升學(xué)生的自主實(shí)踐能力、主動(dòng)學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新思維能力。
教育學(xué)者們?cè)谝话阏J(rèn)識(shí)論的基礎(chǔ)上,通過對(duì)學(xué)習(xí)過程的規(guī)律進(jìn)行研究,逐漸形成了認(rèn)知學(xué)習(xí)理論,其中影響最大的是建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論[12]。通過創(chuàng)設(shè)符合教學(xué)內(nèi)容要求的情景和提示新舊知識(shí)之間聯(lián)系的線索,幫助學(xué)生建構(gòu)當(dāng)前所學(xué)知識(shí)的意義[13~14]。在傳統(tǒng)的課堂講授中,由于不能提供實(shí)際情境所具有的生動(dòng)性、豐富性,因而將使學(xué)習(xí)者對(duì)知識(shí)的意義建構(gòu)發(fā)生困難。因此,針對(duì)《現(xiàn)代坦克火控技術(shù)》教學(xué),針對(duì)平時(shí)難以接觸到坦克火控系統(tǒng)實(shí)物及真實(shí)使用場景的問題,設(shè)計(jì)了坦克火控系統(tǒng)演示與操作教學(xué)平臺(tái),并通過足夠的硬件配置與豐富的軟件模擬功能,再現(xiàn)了火控系統(tǒng)的操作要領(lǐng)與過程以及坦克裝甲車輛戰(zhàn)場戰(zhàn)斗場景,為學(xué)生提供教學(xué)情境。
教學(xué)平臺(tái)由模擬炮塔和控制臺(tái)2部分組成。模擬炮塔參考現(xiàn)代新型坦克設(shè)計(jì),整體外廓尺寸寬×高×長=2.7m×2.5m×2.0m。為便于教學(xué),炮塔做成敞開式艙式結(jié)構(gòu)。左側(cè)安裝炮長座椅,右側(cè)安裝車長座椅;炮塔內(nèi)安裝現(xiàn)代坦克、半實(shí)物仿真的車炮長射擊所涉及的觀瞄系統(tǒng)和火控部件,以及一定的環(huán)境部件,包括火控計(jì)算機(jī)、炮長操作面板、電源、火控系統(tǒng)自動(dòng)傳感器等。為減少故障和簡化操作,與射擊操作無直接關(guān)系的部件只作外形仿真,僅起到了解火控系統(tǒng)概貌的作用。平臺(tái)主要組成部分如圖1和圖2。
圖1 教學(xué)平臺(tái)模擬炮塔
教學(xué)平臺(tái)的射擊操作內(nèi)容,以坦克火控系統(tǒng)為主線,通過軟件涵蓋96式坦克、96A坦克、04式步兵戰(zhàn)車、100輪式突擊炮等我國主要裝甲裝備火控系統(tǒng)的射擊性能。坦克火控系統(tǒng)觀瞄界面軟件模擬如圖3,作戰(zhàn)環(huán)境軟件模擬界面如圖4。
圖3 坦克火控系統(tǒng)觀瞄界面軟件模擬
圖4 作戰(zhàn)環(huán)境軟件模擬界面
該教學(xué)平臺(tái)依據(jù)現(xiàn)代火控系統(tǒng)具有的“穩(wěn)像”(指揮儀式)、“裝表”(擾動(dòng)式)、“應(yīng)急”、“自動(dòng)跟蹤”、“炮射導(dǎo)彈”、“對(duì)空”射擊,車長超越調(diào)炮和超越射擊等功能,以及原地、行進(jìn)、傾斜等不同的射擊方式,建立起相應(yīng)的仿真數(shù)學(xué)模型,模擬出武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)性能;同時(shí),依據(jù)炮長和車長間的物理關(guān)系,模擬出相互間的運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系。該系統(tǒng)采用三維數(shù)字地形,能實(shí)現(xiàn)炮長和車長在不同位置、從不同視向和不同放大倍率瞄準(zhǔn)鏡觀察同一戰(zhàn)場的效果,能對(duì)地形內(nèi)任意距離目標(biāo)和地物測距,以及對(duì)多種戰(zhàn)場視景進(jìn)行仿真。具體包括:
1)炮長操作平臺(tái):能模擬炮長在“穩(wěn)像”、“裝表”、“應(yīng)急”、“自動(dòng)跟蹤”和發(fā)射“炮射導(dǎo)彈”等工況下實(shí)施射擊的功能,如圖5。
圖5 炮長操作平臺(tái)
2)車長操作平臺(tái):能模擬車長通過周視鏡進(jìn)行觀察、監(jiān)視炮長、超越調(diào)炮和實(shí)施超越射擊等功能,如圖6。
圖6 車長操作平臺(tái)
3)模擬目標(biāo):包括正面坦克靶、運(yùn)動(dòng)坦克靶、M1坦克、T72坦克、步兵戰(zhàn)車、導(dǎo)彈車、直升機(jī)、戰(zhàn)斗機(jī)、步兵和火箭筒靶等。
4)視景仿真:射擊練習(xí)有草地、沙漠、黃土地、沼澤地等4種靶場視景;“穩(wěn)像”、“裝表”練習(xí)有靶場微光視景;乘員協(xié)同作戰(zhàn)時(shí)有6×6km2作戰(zhàn)地域視景;穩(wěn)定器操作練習(xí)時(shí)有原地和行進(jìn)間射擊視景。
5)煙霧音響效果:包括射擊時(shí)炮口煙、目標(biāo)燃燒、火炮和機(jī)槍射擊彈道以及擊中地面等爆炸效果。音響包括各種射擊口令、戰(zhàn)場噪聲、坦克行進(jìn)噪聲、火控系統(tǒng)工作噪聲、槍炮射擊聲和爆炸聲等,約30余種。
教學(xué)平臺(tái)采用網(wǎng)絡(luò)化通訊協(xié)議將炮長、車長及控制臺(tái)所屬的多臺(tái)計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)。在計(jì)算機(jī)營造的虛擬戰(zhàn)場環(huán)境中,通過對(duì)作戰(zhàn)地域地形的數(shù)字化顯示、對(duì)戰(zhàn)場環(huán)境的逼真模擬,以及各參戰(zhàn)武器實(shí)體的顯示,使人員有一種身臨其境的感覺,同時(shí)可以像在實(shí)車內(nèi)一樣進(jìn)行各種射擊操作。
在典型穩(wěn)像式火控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)仿真模型中,模擬火控系統(tǒng)瞄準(zhǔn)和調(diào)炮過程,根據(jù)目標(biāo)瞄準(zhǔn)信號(hào)值,通過炮控系統(tǒng)的角度傳感器、放大器、極化繼電器、電機(jī)放大機(jī)、炮塔電動(dòng)機(jī)和炮塔等部件的閉環(huán)控制,將火控操縱調(diào)整到位?;鹂夭倏v系統(tǒng)仿真模型結(jié)構(gòu)框圖如圖7。
圖7 火控操縱系統(tǒng)仿真模型結(jié)構(gòu)框圖
車輛行駛動(dòng)力學(xué)對(duì)于火控的瞄準(zhǔn)精度以及教學(xué)平臺(tái)的動(dòng)態(tài)展示效果具有關(guān)鍵作用,所以建立了精細(xì)的車輛動(dòng)力學(xué)仿真模型,模型框圖如圖8。
圖8 履帶車輛行駛動(dòng)力學(xué)模型
建構(gòu)主義強(qiáng)調(diào),學(xué)習(xí)者并不是空著腦袋進(jìn)入學(xué)習(xí)情境中的。在日常生活和以往各種形式的學(xué)習(xí)中,他們已經(jīng)形成了有關(guān)的知識(shí)經(jīng)驗(yàn),他們對(duì)任何事情都有自己的看法[15]。即使是有些問題他們從來沒有接觸過,沒有現(xiàn)成的經(jīng)驗(yàn)可以借鑒,但是當(dāng)問題呈現(xiàn)在他們面前時(shí),他們還是會(huì)基于以往的經(jīng)驗(yàn),依靠他們的認(rèn)知能力。所以,在教學(xué)過程不能無視學(xué)習(xí)者的已有知識(shí)經(jīng)驗(yàn),簡單強(qiáng)硬的從外部對(duì)學(xué)習(xí)者實(shí)施知識(shí)的“填灌”,而是應(yīng)當(dāng)把學(xué)習(xí)者原有的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)作為新知識(shí)的生長點(diǎn),引導(dǎo)學(xué)習(xí)者從原有的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)中,生長新的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)。教學(xué)不單是知識(shí)的傳遞,而是知識(shí)的處理和轉(zhuǎn)換。
坦克火控系統(tǒng)作為一種武器系統(tǒng)雖然日常生活幾乎無法接觸到,但火炮的射擊原理、射擊過程、影響射擊精度的要素和槍械具有相通之處。而大部分學(xué)生通過影視資料、一般物理學(xué)和光學(xué)常識(shí)、專門的射擊游戲軟件等對(duì)于槍炮的射擊過程都有所了解。因此,在《現(xiàn)代坦克火控技術(shù)》教學(xué)過程中,首先由淺入深的將射擊觀瞄的原理,從一般射擊工況出發(fā)進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)知識(shí)的建構(gòu),從而引申出坦克火控系統(tǒng)的工作原理。
從生活常識(shí)和基本物理規(guī)律出發(fā),通過一般槍械的射擊原理,介紹瞄準(zhǔn)的原理及影響射擊精度的基本因素。從武器的瞄準(zhǔn)角度,給出裝表的定義和射擊精度的影響因素。瞄準(zhǔn)線與火炮軸線必須要有一定的夾角(瞄準(zhǔn)角),才能使炮彈命中目標(biāo)。而使火炮與瞄準(zhǔn)線產(chǎn)生夾角的過程就是裝表。而在垂直方向決定瞄準(zhǔn)角的基本因素就是目標(biāo)距離。目標(biāo)距離決定了彈道軌跡及命中點(diǎn)。通過物理學(xué)常識(shí),這些概念都是顯而易見的。
由于射擊原理及精度影響因素,可以導(dǎo)引現(xiàn)代火控系統(tǒng)需要解決的問題,如準(zhǔn)確的測量距離、裝定表尺等,從而建構(gòu)現(xiàn)代火控系統(tǒng)的基本配置和工作原理等概念?,F(xiàn)代坦克火控系統(tǒng)既包含了火炮射擊過程的基本觀瞄、裝表、調(diào)炮等操作,又將基本操作電氣化和自動(dòng)化。其工作原理對(duì)于從自動(dòng)裝表式火控到高級(jí)的穩(wěn)像式火控系統(tǒng)原理意義構(gòu)建具有指導(dǎo)性作用。
在實(shí)際教學(xué)過程中,從射擊基本概念、典型火控工作原理、火控基本組成、觀瞄原理、火控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)等知識(shí)的講述過程中,都滲透了建構(gòu)主義概念。另外,教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)輔助課堂教學(xué)在運(yùn)用建構(gòu)主義教學(xué)法過程中起了重要基礎(chǔ)性作用。
建構(gòu)主義認(rèn)為,學(xué)習(xí)者與周圍環(huán)境的交互作用,對(duì)于學(xué)習(xí)內(nèi)容的理解(即對(duì)知識(shí)意義的建構(gòu))起著關(guān)鍵性的作用。教師通過創(chuàng)設(shè)符合教學(xué)內(nèi)容要求的情景和提示新舊知識(shí)之間聯(lián)系的線索,幫助學(xué)生建構(gòu)當(dāng)前所學(xué)知識(shí)的意義。
基于設(shè)計(jì)的坦克火控系統(tǒng)演示與操作教學(xué)平臺(tái),可將各種類型的坦克火控系統(tǒng)進(jìn)行模擬,并可在教學(xué)平臺(tái)上進(jìn)行實(shí)際操作模擬。在操作過程體現(xiàn)不同火控系統(tǒng)的觀瞄人機(jī)界面與工作原理,從而完成課程目標(biāo)概念的意義構(gòu)建過程。典型自動(dòng)裝表式火控系統(tǒng)和穩(wěn)像式火控系統(tǒng)在教學(xué)平臺(tái)中的觀瞄界面分別如圖9和圖10。
圖9 自動(dòng)裝表式火控系統(tǒng)觀瞄界面
圖10 穩(wěn)像式火控系統(tǒng)觀瞄界面
射擊工況選擇界面如圖11。
圖11 射擊工況選擇操作界面
通過火控系統(tǒng)教學(xué)平臺(tái),首先重現(xiàn)了系統(tǒng)的基本硬件組成,在平臺(tái)中看到一些典型的火控系統(tǒng)零部件,從而與課堂上的知識(shí)講解、部件介紹聯(lián)系起來,完成基本概念建構(gòu)。然后通過多種工況的射擊操作模擬,展示了不同原理火控系統(tǒng)的工作過程及操作要領(lǐng)(基本步驟)。操作要領(lǐng)體現(xiàn)了工作原理,如裝表工況需要二次手動(dòng)瞄準(zhǔn)(穩(wěn)像工況不需要)、瞄準(zhǔn)標(biāo)記和物像有分離過程(穩(wěn)像式?jīng)]有)、激發(fā)按鈕操作不同(裝表式按下按鈕立即激發(fā),穩(wěn)像式長按按鈕等待判斷邏輯自動(dòng)激發(fā))等。從而通過具體的實(shí)物、成像和動(dòng)作,體現(xiàn)火控系統(tǒng)原理與技術(shù)的異同,幫助學(xué)生直觀的理解所學(xué)知識(shí),從而完成知識(shí)點(diǎn)的意義建構(gòu),還激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。
建構(gòu)主義教學(xué)理論指出,教師要成為學(xué)生建構(gòu)知識(shí)的積極幫助者和引導(dǎo)者,應(yīng)當(dāng)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,引發(fā)和保持學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)。為使學(xué)生的意義建構(gòu)更為有效,教師應(yīng)盡可能組織協(xié)作學(xué)習(xí),展開討論和交流,并對(duì)協(xié)作學(xué)習(xí)過程進(jìn)行引導(dǎo),使之朝有利于意義建構(gòu)的方向發(fā)展。
在《現(xiàn)代坦克火控技術(shù)》教學(xué)實(shí)踐中,在課堂上,教師通過運(yùn)用多媒體教學(xué)手段,通過豐富的圖片、動(dòng)畫、視頻演示結(jié)合知識(shí)講解,通過結(jié)合學(xué)生的舊有經(jīng)驗(yàn)和已有知識(shí),構(gòu)建火控技術(shù)的基本概念;組織了針對(duì)關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)的課前背景知識(shí)準(zhǔn)備與課堂討論,結(jié)合教材討論火控系統(tǒng)用觀瞄技術(shù)的原理與最新研究進(jìn)展、火控系統(tǒng)的控制理論模型與控制算法設(shè)計(jì)、火控系統(tǒng)產(chǎn)品的電子設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)等核心內(nèi)容;通過基于教學(xué)平臺(tái)的實(shí)踐教學(xué),形象了展示了火控系統(tǒng)實(shí)物和實(shí)際工作過程,完成了基于建構(gòu)情境的知識(shí)強(qiáng)化;課堂之外,通過分組完成探究性作業(yè)或研究課題的形式,教師組織和引導(dǎo)學(xué)生一起討論和交流,從而建立起學(xué)習(xí)群體,通過協(xié)作學(xué)習(xí),群體共同完成對(duì)所學(xué)知識(shí)的意義,完成課程知識(shí)體系的建立,以及對(duì)知識(shí)的深入掌握和理解。探究性作業(yè)包括火控系統(tǒng)觀瞄器件,如測距傳感器(包括現(xiàn)代的自動(dòng)化激光測距儀、傳統(tǒng)的合像式測距儀、密位公式測距等),原理研究與仿真計(jì)算、炮控過程動(dòng)力學(xué)建模與仿真、典型信號(hào)處理電路分析、典型控制環(huán)節(jié)理論計(jì)算分析與控制算法設(shè)計(jì)仿真等。
我校在本科生專業(yè)課程《現(xiàn)代坦克火控技術(shù)》教學(xué)實(shí)踐中,整合了專業(yè)實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備資源,通過由淺入深的基本經(jīng)驗(yàn)再現(xiàn)、建設(shè)現(xiàn)代坦克火控系統(tǒng)演示與操作教學(xué)平臺(tái)進(jìn)行坦克火控系統(tǒng)界面與使用的情境再現(xiàn)、沉浸式的教學(xué)操作體驗(yàn)等方式,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,系統(tǒng)性的建構(gòu)基礎(chǔ)知識(shí)、基本概念以及各種類型火控系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)、工作界面與工作原理,達(dá)到該課程的核心學(xué)習(xí)目標(biāo)。
通過基于課堂教學(xué)結(jié)合背景知識(shí)重現(xiàn)的知識(shí)構(gòu)建、課堂討論形式的啟發(fā)式教學(xué)、基于情境教學(xué)的知識(shí)強(qiáng)化以及課后探究性群體協(xié)作學(xué)習(xí)的深化理解,課程組較好了完成了現(xiàn)代坦克控制技術(shù)的課程教學(xué)工作,初步使用建構(gòu)主義教學(xué)理論指導(dǎo)了教學(xué)設(shè)計(jì)與課程實(shí)踐。
建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論是當(dāng)前流行的學(xué)習(xí)理論,其內(nèi)涵與外延非常豐富,其知識(shí)學(xué)習(xí)與意義建構(gòu)過程更是包括多種方法、方式。在當(dāng)前教學(xué)實(shí)踐過程中只是進(jìn)行了初步探索,基于建構(gòu)主義思想全面的設(shè)計(jì)研究型課程,進(jìn)一步提升該課程的教學(xué)效果。