姜高揚(yáng),王 超

(中國民航大學(xué) 空中交通管理學(xué)院,天津 300300)

基于建模仿真的可視化教學(xué)模式研究

姜高揚(yáng),王 超

(中國民航大學(xué) 空中交通管理學(xué)院,天津 300300)

如何使課堂教學(xué)內(nèi)容更加生動(dòng)形象，一直是教育工作者所關(guān)注的問題。為了使抽象的課程內(nèi)容更加容易理解，提出了基于建模仿真的可視化教學(xué)模式。首先分析了課程的內(nèi)容、特點(diǎn)和當(dāng)前教學(xué)中存在的問題，接著分別從概念、原理和數(shù)據(jù)三方面著手，通過建立動(dòng)畫模型使認(rèn)知困難的概念可視化，利用Matlab仿真使抽象的原理和枯燥的數(shù)據(jù)可視化。最后將這些形象的素材引入課堂，并分析了可視化教學(xué)模式下的教學(xué)效果。實(shí)踐表明，與單純的知識講授相比，可視化的教學(xué)模式可以極大地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深對所學(xué)知識的理解，促進(jìn)教學(xué)質(zhì)量的提高。

教學(xué)方法； 教學(xué)實(shí)踐； 建模仿真； 可視化； Matlab

0 引 言

“空管設(shè)備與系統(tǒng)”是從空中交通管制員和航空公司簽派員的實(shí)際應(yīng)用角度出發(fā)開設(shè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，主要介紹支撐空中交通安全高效運(yùn)行所需的通信、監(jiān)視和自動(dòng)化信息系統(tǒng)及其基本工作原理。目前我國的空管設(shè)備保障主要倚重國外設(shè)備，由于國內(nèi)外的空中交通管理情況不同，從國外引進(jìn)的空管系統(tǒng)與國內(nèi)民航空中交通管理的實(shí)際情況并不完全契合[1]。與此同時(shí)，高速發(fā)展的民航業(yè)對空管設(shè)備與系統(tǒng)的保障提出了更高的要求，空管設(shè)備與系統(tǒng)的國產(chǎn)化勢在必行[2-4]。在這種情況下，學(xué)院在交通運(yùn)輸專業(yè)卓越班和普通班開設(shè)“空管設(shè)備與系統(tǒng)”課程。通過學(xué)習(xí)該課程，使學(xué)生掌握空管運(yùn)行保障中常用的通信、監(jiān)視和自動(dòng)化信息系統(tǒng)及其基本工作原理，了解本專業(yè)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢，提高學(xué)生對空管設(shè)備與系統(tǒng)的理解能力，為我國空管信息系統(tǒng)的技術(shù)創(chuàng)新奠定基礎(chǔ)。

1 課程內(nèi)容和特點(diǎn)

空管設(shè)備與系統(tǒng)課程主要包括空管無線電通信系統(tǒng)、空管監(jiān)視系統(tǒng)和空管自動(dòng)化信息系統(tǒng)3大部分，內(nèi)容涵蓋了空中交通管制員和航空公司簽派員所必須具備的基本理論知識，課程體系架構(gòu)如圖1所示。與本專業(yè)其他課程相比，本課程并沒有強(qiáng)調(diào)設(shè)備系統(tǒng)的運(yùn)用和行業(yè)技能的培養(yǎng)，而是重點(diǎn)講授“臺前幕后的故事”。所謂“臺前”指的是這些空管設(shè)備和系統(tǒng)本身的功能，而“幕后”指的是設(shè)備系統(tǒng)背后的技術(shù)和原理，比如雷達(dá)基本參數(shù)的計(jì)算、A/C模式雷達(dá)的編碼和解碼、雷達(dá)航跡數(shù)據(jù)的計(jì)算等等。通過學(xué)習(xí)本課程，學(xué)生對于空管設(shè)備與系統(tǒng)的認(rèn)識不再停留于表面，而是知其然并且知其所以然。該課程具有專業(yè)性強(qiáng)，涵蓋內(nèi)容廣，概念抽象，不易理解等特點(diǎn)，同時(shí)這也是本門課程教學(xué)的難點(diǎn)。

圖1 課程體系架構(gòu)

2 課程教學(xué)現(xiàn)狀分析

空中交通管理是國際化水平較高的行業(yè)，從業(yè)人員需要操作國際化的設(shè)備，進(jìn)行國際化交流。在空中交通管制專業(yè)課程改革方案研究當(dāng)中，已有學(xué)者明確指出了空管的國際化特色，并提出“學(xué)習(xí)借鑒國外空管人才培養(yǎng)的先進(jìn)模式和經(jīng)驗(yàn)”“引進(jìn)、運(yùn)用國外先進(jìn)的教學(xué)大綱、教材資料等”[5-6]。鑒于此，課程組將中國民航大學(xué)和法國國立民航大學(xué)聯(lián)合開發(fā)的英文版講義引入課堂，希望借此提高學(xué)生閱讀專業(yè)英文材料的能力，為以后走向工作崗位奠定基礎(chǔ)。經(jīng)過一段時(shí)間的教學(xué)實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)當(dāng)前教學(xué)過程中存在以下問題：① 相關(guān)概念和原理比較抽象，不易理解;② 相關(guān)計(jì)算比較枯燥，學(xué)生不感興趣;③ 實(shí)際的空管設(shè)備與系統(tǒng)造價(jià)昂貴，無法讓學(xué)生直接接觸，同時(shí)由于行業(yè)性質(zhì)，不便組織學(xué)生集體參觀，更不允許讓學(xué)生操作，因而學(xué)生不能深入理解其中的工作原理。目前單靠課堂講述，不能有效調(diào)動(dòng)學(xué)生聽課的積極性。

針對以上存在的問題，課程組進(jìn)行了認(rèn)真的思考和研討。通過學(xué)習(xí)本專業(yè)其他課程組的教學(xué)方法[7-10]，參考通信、導(dǎo)航等相關(guān)課程的教學(xué)措施[11-13]，課程組提出了“強(qiáng)調(diào)內(nèi)容體系，理順知識脈絡(luò)，豐富教學(xué)素材，開發(fā)演示程序”的改革思路，并重點(diǎn)針對內(nèi)容抽象不易理解的問題，開展了較長時(shí)間的探索，從國內(nèi)外相關(guān)網(wǎng)站上搜集了豐富的教學(xué)材料，并自己開發(fā)程序來演示相關(guān)原理。經(jīng)過一個(gè)學(xué)期的實(shí)踐探索，空管設(shè)備與系統(tǒng)課程組逐漸摸索出一套可視化的教學(xué)方法，與文獻(xiàn)[14-16]中的可視化教學(xué)方法不同，這里的可視化教學(xué)是以建模仿真為基礎(chǔ)，重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)概念可視化、原理可視化和數(shù)據(jù)可視化。實(shí)踐表明，可視化教學(xué)不僅能夠引起學(xué)生的興趣，而且能讓學(xué)生對知識的理解更加全面和深刻。

3 概念可視化教學(xué)

課程中涉及到許多通信和監(jiān)視的相關(guān)概念，相比之下，通信的相關(guān)概念比較容易理解，而雷達(dá)的相關(guān)概念則顯得有些抽象，比如雷達(dá)天線的角度分辨率和距離分辨率，這兩個(gè)參數(shù)用來描述雷達(dá)天線在角度和距離方面對目標(biāo)的識別能力，而如果進(jìn)一步解釋為什么會(huì)存在一定的識別能力，則要從雷達(dá)脈沖的角度去講，此時(shí)用簡單的語言去解釋抽象的概念就顯得有些困難，為此課程組根據(jù)雷達(dá)工作原理，制作了簡單明了的動(dòng)畫模型，用于展示雷達(dá)距離分辨率的概念，見圖2。

(a) 飛機(jī)間距100 m時(shí)的雷達(dá)回波

(b) 飛機(jī)間距200 m時(shí)的雷達(dá)回波

結(jié)合以上動(dòng)畫模型，抽象的概念講解就變得形象而具體。假設(shè)雷達(dá)發(fā)射脈沖寬度，對應(yīng)的電磁波長度為300 m，當(dāng)前后兩架飛機(jī)相距100 m時(shí)，兩架飛機(jī)的回波信號相互重疊在一起，此時(shí)雷達(dá)將無法分辨開兩架飛機(jī)。而當(dāng)前后飛機(jī)的距離增大到200 m時(shí)，回波信號并未重疊，此時(shí)雷達(dá)可將兩架飛機(jī)分辨開。通過這組動(dòng)畫模型，學(xué)生對雷達(dá)距離分辨率的概念有了直觀認(rèn)識，進(jìn)一步便可引導(dǎo)學(xué)生思考：雷達(dá)距離分辨率與脈沖寬度有什么樣的關(guān)系？經(jīng)過分析不難得出公式：

sr=cτ/2

其中：c為光速；τ為雷達(dá)發(fā)射脈沖的寬度。

以上動(dòng)畫模型不僅加深了學(xué)生對雷達(dá)距離分辨率的理解，而且對后續(xù)章節(jié)中提到的雷達(dá)信號同步竄擾問題的理解也有極大的幫助。

4 原理可視化教學(xué)

“空管設(shè)備與系統(tǒng)”的教學(xué)任務(wù)之一就是向?qū)W生講授空管無線電通信系統(tǒng)、監(jiān)視系統(tǒng)和自動(dòng)化信息系統(tǒng)的基本技術(shù)和原理。對于交通運(yùn)輸專業(yè)的大二學(xué)生而言，由于缺乏通信原理的基礎(chǔ)知識，對無線電通信的基本原理無法深刻理解，尤其是調(diào)幅、調(diào)頻的特點(diǎn)，學(xué)生普遍感覺難以理解。調(diào)幅、調(diào)頻是空管無線電通信中常用的兩種信號調(diào)制方式，也是本課程要求學(xué)生掌握的基本原理。目前的教學(xué)方式是老師在黑板上繪制信號波形，同時(shí)結(jié)合調(diào)幅、調(diào)頻的數(shù)學(xué)表達(dá)式進(jìn)行講解。根據(jù)授課情況來看，教學(xué)效果并不理想。為此，課程組利用Matlab開發(fā)了調(diào)幅和調(diào)頻的演示程序，將信號調(diào)制的相關(guān)概念、關(guān)鍵參數(shù)、信號波形融入其中，演示程序界面如圖3所示。

(a) 調(diào)幅演示程序界面

(b) 調(diào)頻演示程序界面

在教學(xué)中可以首先利用以上程序進(jìn)行演示，以調(diào)幅為例，連續(xù)點(diǎn)擊滑鍵，學(xué)生可以看到隨著調(diào)制信號振幅的變化，調(diào)幅信號是如何動(dòng)態(tài)變化的。通過演示，學(xué)生對信號調(diào)制有了直觀的認(rèn)識，同時(shí)學(xué)生會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的求知欲：這些信號波形是如何產(chǎn)生的？此時(shí)再引入信號調(diào)制的數(shù)學(xué)表達(dá)式，不僅可以消除學(xué)生的疑惑，而且可以加深學(xué)生對數(shù)學(xué)公式的理解。最后綜合信號波形和數(shù)學(xué)公式，引導(dǎo)學(xué)生自己總結(jié)調(diào)幅和調(diào)頻的特點(diǎn)。這樣一來，原本抽象的原理就變得鮮活起來，而且增加了課堂互動(dòng)，教學(xué)效果非常理想。

5 數(shù)據(jù)可視化教學(xué)

雷達(dá)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)是本門課程重點(diǎn)講述的內(nèi)容之一，其中涉及到雷達(dá)點(diǎn)跡數(shù)據(jù)的處理。最初課程組僅僅是從原理上講述雷達(dá)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和飛行計(jì)劃數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、雷達(dá)點(diǎn)跡數(shù)據(jù)的處理、雷達(dá)標(biāo)牌數(shù)據(jù)的含義等內(nèi)容。但是雷達(dá)點(diǎn)跡數(shù)據(jù)究竟包含哪些內(nèi)容，這些數(shù)據(jù)是通過什么算法進(jìn)行處理的，課堂上并沒有詳細(xì)講解。后來課程組引入了雷達(dá)點(diǎn)跡數(shù)據(jù)處理的理論算法模型。但是從實(shí)際教學(xué)情況來看，并沒有引起學(xué)生足夠的重視。

在進(jìn)行數(shù)據(jù)可視化的教學(xué)研究中，課程組搜集到了某機(jī)場的雷達(dá)綜合航跡數(shù)據(jù)，利用Matlab對數(shù)據(jù)進(jìn)行解析、提取，得到本課程教學(xué)所需的雷達(dá)點(diǎn)跡數(shù)據(jù)，并進(jìn)一步在二維和三維空間中生成雷達(dá)航跡及各時(shí)刻的速度矢量線圖像，如圖4所示。在教學(xué)過程中首先向?qū)W生展示數(shù)據(jù)處理的結(jié)果，然后再進(jìn)一步講解如何根據(jù)雷達(dá)點(diǎn)跡數(shù)據(jù)計(jì)算飛機(jī)的航向、地速、垂直速度以及速度矢量線。實(shí)踐表明，學(xué)生對該方式的教學(xué)很感興趣，因?yàn)榭菰锏臄?shù)學(xué)公式在這里變成了形象的圖片，這種新鮮感促使他們進(jìn)一步去學(xué)習(xí)和研究。

圖4 雷達(dá)點(diǎn)跡數(shù)據(jù)處理結(jié)果

6 教學(xué)效果分析

通過將動(dòng)畫模型和Matlab仿真引入課堂之后，學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情高漲起來，課間休息時(shí)主動(dòng)提問的學(xué)生明顯增多，教學(xué)效果顯著提升。通過進(jìn)行隨堂測試發(fā)現(xiàn)，對于某些概念和原理的理解，上學(xué)期只有不到50%的學(xué)生回答正確，而本學(xué)期將近80%的學(xué)生都能正確回答；對于雷達(dá)點(diǎn)跡數(shù)據(jù)處理算法，上學(xué)期約有30%的學(xué)生能夠掌握，而本學(xué)期超過50%的學(xué)生都能掌握?？梢?，可視化教學(xué)模式對學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和教學(xué)質(zhì)量均有明顯提高。然而，通過進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中仍然存在一定的問題，比如在數(shù)學(xué)公式正確掌握的情況下仍有一部分學(xué)生計(jì)算有誤，其原因在于對公式中各個(gè)參數(shù)的物理含義理解不夠透徹?？梢?，可視化的教學(xué)模式仍需與傳統(tǒng)的課堂講練緊密結(jié)合，才能產(chǎn)生更加理想的教學(xué)效果。

7 結(jié) 語

“空管設(shè)備與系統(tǒng)”課程涉及通信、監(jiān)視和空管自動(dòng)化系統(tǒng)，內(nèi)容廣泛、信息量大，尤其是一些概念、原理和數(shù)據(jù)計(jì)算比較抽象、枯燥。通過構(gòu)建動(dòng)畫模型、開發(fā)Matlab仿真程序，逐漸形成了可視化的教學(xué)模式，極大地調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率和教師的教學(xué)效果。目前，基于建模仿真的可視化教學(xué)模式仍在探索當(dāng)中，該方法對教師的個(gè)人能力和備課精力都提出了較高的要求，因此如何協(xié)同分工開發(fā)出更多優(yōu)質(zhì)的教學(xué)資源，如何與其他教學(xué)模式進(jìn)行有機(jī)結(jié)合產(chǎn)生更加理想的教學(xué)效果，都是需要進(jìn)一步思考和研究的問題。

[1] 劉 偉.中國民航空中交通管理問題研究[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2015(16): 56.

[2] 李芳芳,孫 炎.中國制造助力民航強(qiáng)國夢[N].中國民航報(bào),2015-05-14.

[3] 李芳芳.為了空管設(shè)備的國產(chǎn)化[N].中國民航報(bào),2011-07-14(001版).

[4] 史存虎.國產(chǎn)多雷達(dá)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)若干問題的思考[J].空中交通管理,2011(3):32-34.

[5] 王 超，徐肖豪.空中交通管制專業(yè)教學(xué)改革的總體方案研究[J].教育教學(xué)論壇,2015(1): 89-91.

[6] 王 超，徐肖豪.國內(nèi)外空中交通管制專業(yè)教育的比較分析[J].大學(xué)教育,2015(2): 28-30.

[7] 陶 媚，侯紅英，宋 曄.航行情報(bào)服務(wù)教學(xué)模式的研究[J].中國民航飛行學(xué)院學(xué)報(bào),2011(2): 51-53.

[8] 侯紅英，何偉強(qiáng)，陶 媚，等.航圖教學(xué)模式探索與實(shí)踐[J].中國民航飛行學(xué)院學(xué)報(bào),2013(5): 28-30.

[9] 馬麗娟，王同樂.特有專業(yè)課程立體化教學(xué)體系的構(gòu)思與實(shí)踐——以交通運(yùn)輸專業(yè)空中交通管制課程為例[J].中國民航飛行學(xué)院學(xué)報(bào),2014(1): 77-80.

[10] 李 楠，董健康，楊新湦.機(jī)場塔臺管制課程實(shí)訓(xùn)平臺研制與應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理.2010(7): 60-67.

[11] 何煒琨，韓 萍，龐 勇，等.Simulink仿真技術(shù)在《數(shù)字信號處理》教學(xué)中的應(yīng)用與實(shí)踐[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(理學(xué)版),2012(S2): 261-266.

[12] 盧 丹，王 穎，崔 銘，等.基于Matlab的《導(dǎo)航原理與系統(tǒng)》課程教學(xué)方法改革[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(理學(xué)版),2012(S2): 257-260.

[13] 劉永欣,王萬樂,鐘 涵,等.“情境-問題”教學(xué)模式在空中交通管制概論課程中的應(yīng)用[J].中國校外教育(理論),2011(z1).

[14] 曹曉明.可視化教學(xué)過程設(shè)計(jì)研究[J].理論與爭鳴,2009(3): 16-19.

[15] 李 芒，蔡旻君，蔣科蔚，等.可視化教學(xué)設(shè)計(jì)方法與應(yīng)用[J].電化教育研究.2013(3): 16-22.

[16] 陳婧雅.可視化教學(xué)設(shè)計(jì)研究[J].教學(xué)儀器與實(shí)驗(yàn),2013(11): 59-62.

Research on Visualization Teaching Mode Based on Modeling and Simulation

JIANGGaoyang,WANGChao

(College of Air Traffic Management,Civil Aviation University of China,Tianjin 300300,China)

How to make the knowledge more vivid has been an issue of concern to educators.Since the contents of “ATC Equipment and System” were difficult to understand,a visualization teaching mode based on modeling and simulation was proposed.Firstly,the contents,characteristics and problems in current teaching were analyzed.Then visualization teaching mode was introduced in three aspects: concept,principle and data analysis.To be specific,animation models were created to make the difficult concepts easy to be understood,and demonstration programs were developed using Matlab to visualize the abstract principles and boring data.Finally,teaching effect was evaluated under visualization teaching mode.It was showed that visualization teaching mode can greatly stimulate students’ interest in learning,promote their understanding of knowledge as well as the quality of teaching.

teaching methods; teaching practice; modeling and simulation; visualization; Matlab

2016-10-28

姜高揚(yáng)(1986-)，男，河南新密人，碩士，研究實(shí)習(xí)員，研究方向：空管系統(tǒng)建模與仿真。

Tel.：022-24092433; E-mail：jiang_gaoyang@126.com

TP 391.6; G 424.1

：A

1006-7167(2017)07-0192-04