王梅娟，張海濤，葛武滇

（1. 陸軍工程大學(xué) 指揮信息系統(tǒng)學(xué)院，江蘇 南京 210001；2. 陸軍工程大學(xué) 國防工程學(xué)院，江蘇 南京 210001；3. 陸軍工程大學(xué) 指揮軍官基礎(chǔ)教育學(xué)院，江蘇 南京 210001）

0 引 言

隨著新時代軍事人才高等教育改革[1]的不斷深入，創(chuàng)新能力在綜合素質(zhì)培養(yǎng)中的意義已成為常態(tài)化目標(biāo)。創(chuàng)新精神不是憑空想象從無到有的簡單思維[2]，而是要具體體現(xiàn)在真正能夠理論聯(lián)系實(shí)踐、科學(xué)主導(dǎo)工程，涉及科學(xué)、技術(shù)和工程3個方面的基本要素。

然而，綜合類本科院校對知識的理論傳授往往占據(jù)重要比重，在缺乏技術(shù)鍛煉和工程實(shí)踐的情況下，學(xué)員的綜合素質(zhì)培養(yǎng)可能存在短板[2]，尤其是軍隊(duì)高校與地方就業(yè)和項(xiàng)目過程化實(shí)踐的銜接更是嚴(yán)重脫節(jié)，學(xué)員在掌握理論知識的同時如同紙上談兵，解決實(shí)際問題的能力尤為欠缺。實(shí)驗(yàn)教學(xué)改變傳統(tǒng)的理論授課單一、單向的教學(xué)模式，在工程類訓(xùn)練中尤為重要。

工程教育機(jī)器人[2]是跨專業(yè)、多學(xué)科理論與技術(shù)綜合的高新技術(shù)產(chǎn)品和系統(tǒng)，是進(jìn)行創(chuàng)新教育改革的理想對象，在以工程教育機(jī)器人活動開展、機(jī)器人課程輔導(dǎo)交流、機(jī)器人競賽參與等為核心的創(chuàng)新型人才培養(yǎng)模式實(shí)踐中，有效地提供創(chuàng)新平臺，實(shí)踐科學(xué)的創(chuàng)新教學(xué)方法，可以加強(qiáng)以學(xué)員為主體的綜合素質(zhì)能力培養(yǎng)[3]。

1 仿真平臺教學(xué)定位

隨著未來戰(zhàn)爭日趨智能化、一體化，加之軍隊(duì)信息化的不斷推進(jìn)[4]，國家更注重信息化軍事戰(zhàn)場的實(shí)戰(zhàn)模擬與戰(zhàn)場指揮，我軍的軍事訓(xùn)練必須結(jié)合仿真技術(shù)。雖然現(xiàn)代社會多種系統(tǒng)的自身性質(zhì)很難實(shí)現(xiàn)真實(shí)系統(tǒng)的仿真，但由于仿真模擬技術(shù)具有可控性與較強(qiáng)的實(shí)現(xiàn)性，利用仿真技術(shù)來進(jìn)行系統(tǒng)的研究就具有了重要的現(xiàn)實(shí)意義。因此，仿真技術(shù)的學(xué)習(xí)與應(yīng)用尤為迫切。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)在實(shí)踐層面具有明顯的優(yōu)越性[3]：經(jīng)濟(jì)省錢、生動直觀、安全可靠、情境再現(xiàn)、精確無誤、客觀真實(shí)。采用這種教學(xué)模式可以降低實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)成本，打造多樣化的教學(xué)環(huán)境，營造安全實(shí)驗(yàn)教學(xué)氛圍，突破時間和空間的限制。

水中2D仿真機(jī)器人[5]就是在科研或軍事的平臺上，研究水中魚類活動或水中艦艇、水下潛艇、協(xié)作方式的仿真技術(shù)，URWPGSim仿真機(jī)器人平臺是作為水中機(jī)器人實(shí)體裝置的模擬，同時也是水中2D仿真機(jī)器人的實(shí)現(xiàn)平臺。基于URWPGSim仿真平臺的實(shí)驗(yàn)教學(xué)[6]，不僅能提高學(xué)員對仿真技術(shù)的理論研究能力，同時也使學(xué)員掌握仿真平臺實(shí)現(xiàn)的技術(shù)，鍛煉創(chuàng)新能力，提高計算機(jī)編程水平，提升學(xué)員的自我能力素質(zhì)，并激發(fā)學(xué)員對科學(xué)研究的濃厚興趣。

2 URWPGSim仿真實(shí)驗(yàn)平臺建設(shè)

URWPGSim2D[7]是Underwater Robot Water Polo Game Simulator 2 Dimension Edition的簡稱，最初底層來源于國際水中機(jī)器人大賽URC水球比賽仿真器2D版本，包括服務(wù)端（URWPGSim2D Server）和客戶端（URWPGSim2D Client）兩大部分。服務(wù)端模擬水中比賽環(huán)境，控制和呈現(xiàn)比賽過程及結(jié)果，向客戶端發(fā)送實(shí)時比賽環(huán)境和過程信息；半分布式客戶端模擬比賽隊(duì)伍，全分布式客戶端模擬單個水中機(jī)器人，加載比賽策略，完成計算決策過程，向服務(wù)端發(fā)送決策結(jié)果。URWPGSim2D仿真平臺初始化界面如圖1所示。

圖1 URWPGSim 2D仿真平臺初始化界面

2.1 已有項(xiàng)目解析

無論作為參賽平臺還是教學(xué)平臺，原2D仿真項(xiàng)目的弊端已逐漸顯露出來：①由于項(xiàng)目歷時已久，代碼傳承、代碼復(fù)用、代碼泄漏導(dǎo)致程序重復(fù)率高，項(xiàng)目最優(yōu)化策略趨于穩(wěn)定，全國參賽隊(duì)伍排名也逐漸趨于穩(wěn)定[9]；②由于系統(tǒng)穩(wěn)定性的欠缺，仿真實(shí)體跳變導(dǎo)致個別項(xiàng)目競技公平性失衡[8]；③由于競賽偏重程序設(shè)計能力的養(yǎng)成，缺乏學(xué)員創(chuàng)新思維的發(fā)揮；④由于競賽側(cè)重競技性、觀賞性，缺乏結(jié)合實(shí)際專業(yè)訓(xùn)練仿真能力的培養(yǎng)。

因此，為更好地結(jié)合專業(yè)與職業(yè)能力培養(yǎng)，教學(xué)團(tuán)隊(duì)將競賽平臺改造重設(shè)，探討項(xiàng)目，設(shè)計規(guī)則，革新底層，測試反饋，結(jié)合已有平臺重新布局規(guī)劃，并針對原有平臺底層波動穩(wěn)定進(jìn)行二次開發(fā)，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)貙?shí)現(xiàn)并測試新增比賽項(xiàng)目，逐步建設(shè)成為適應(yīng)我校學(xué)員能力培養(yǎng)和創(chuàng)新激發(fā)的新URWPGSim仿真實(shí)驗(yàn)平臺。

2.2 URWPGSim仿真平臺解析

URWPGSim平臺依據(jù)C/S模式搭建，采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計思想，基于Visual Studio 2010軟件以C#開發(fā)，在PC機(jī)或工作站上運(yùn)行，其軟件、硬件基本配置指標(biāo)見表1和表2。

表1 URWPGSim仿真平臺開發(fā)配置硬件指標(biāo)

表2 URWPGSim仿真平臺開發(fā)配置軟件指標(biāo)

平臺分為界面和底層兩部分功能，服務(wù)器端功能主要是環(huán)境監(jiān)測和仿真模塊加載，客戶端功能主要是人機(jī)接口和策略加載，具體功能結(jié)構(gòu)[10]如圖2所示。

模塊化的功能結(jié)構(gòu)使項(xiàng)目開發(fā)思路清晰，針對底層優(yōu)化或針對項(xiàng)目模塊設(shè)計實(shí)現(xiàn)都可以由學(xué)員自主完成，而不是僅僅停留在平臺參數(shù)設(shè)置和項(xiàng)目策略編程的用戶層面。

2.3 URWPGSim仿真項(xiàng)目設(shè)置

為更好地開發(fā)學(xué)員的潛能，激發(fā)其學(xué)習(xí)動力，不斷改進(jìn)，全面打造面向陸軍工程大學(xué)指揮信息系統(tǒng)學(xué)院適合學(xué)員實(shí)踐開發(fā)，能更好地發(fā)揮軟件實(shí)力的實(shí)驗(yàn)平臺。

圖2 URWPGSim功能結(jié)構(gòu)圖

在參加水中機(jī)器人項(xiàng)目競賽過程中，學(xué)員編程能力得到一定鍛煉，但是局限在原項(xiàng)目設(shè)置規(guī)則層面，與計算機(jī)程序設(shè)計之外的綜合素質(zhì)關(guān)聯(lián)不大。年輕的學(xué)員思維十分活躍，敢想敢做，因此實(shí)驗(yàn)平臺中實(shí)體水下仿生魚在與現(xiàn)實(shí)生活更貼近的范疇內(nèi)，學(xué)員可以進(jìn)行更多的創(chuàng)意設(shè)計和改進(jìn)，教員將引導(dǎo)學(xué)員從規(guī)則中跳出來實(shí)踐更完整的創(chuàng)意實(shí)現(xiàn)。

模塊化設(shè)計思想和基于C#的開發(fā)使得有編程能力的學(xué)員即使沒有軟件開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，也有可能對底層進(jìn)行學(xué)習(xí)和改寫，不用完全依賴教員的“給”，學(xué)員可以實(shí)現(xiàn)具有充分創(chuàng)新思維的“造”。

現(xiàn)有項(xiàng)目設(shè)置體系框架如圖3所示。

其中，斜體標(biāo)明項(xiàng)目為結(jié)合特色專業(yè)和技能培養(yǎng)由陸軍工程大學(xué)自主研發(fā)，部分提供國際水中機(jī)器人聯(lián)盟ILUR作為國際性大賽的比賽項(xiàng)目。項(xiàng)目設(shè)置不僅囊括多項(xiàng)能力培養(yǎng)，更突顯專業(yè)素質(zhì)養(yǎng)成，過程化建設(shè)給學(xué)員提供了充分發(fā)散創(chuàng)新思維的空間。

3 基于URWPGSim平臺的教學(xué)模式

3.1 運(yùn)行機(jī)制

由于機(jī)器人課程設(shè)置不在各專業(yè)學(xué)科建設(shè)體系內(nèi)，而是依托大學(xué)機(jī)器人俱樂部展開選修課程和自學(xué)過程，因此，基于URWPGSim平臺教學(xué)考慮的原則是開放、自主、自由。

圖3 URWPGSim項(xiàng)目設(shè)置體系圖

一是打造特色鮮明、專業(yè)素質(zhì)凸顯的仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，并為機(jī)器人俱樂部實(shí)體實(shí)驗(yàn)開發(fā)多學(xué)科融合的仿真項(xiàng)目體系，為有興趣、有志向的學(xué)員提供一個標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺。

二是建成一個高標(biāo)準(zhǔn)、高起點(diǎn)、開放的、注重創(chuàng)新能力培養(yǎng)的學(xué)員科技創(chuàng)新基地和教員創(chuàng)新教學(xué)改革研究基地，開展進(jìn)一步探索知識、能力、素質(zhì)協(xié)調(diào)統(tǒng)一的教學(xué)模式。

三是建成具備創(chuàng)新能力、實(shí)踐能力的機(jī)器人競賽參賽團(tuán)隊(duì)，通過參加國際性、全國性機(jī)器人賽事，形成體系建設(shè)的良好循環(huán)運(yùn)作。

四是鼓勵創(chuàng)新思維鍛煉，不斷更新、提高仿真平臺的模擬環(huán)境，不斷創(chuàng)造、完善新的仿真項(xiàng)目融入新的血液，形成有活力、自生長的仿真實(shí)驗(yàn)生態(tài)平臺。

3.2 教學(xué)方案

隨著大學(xué)機(jī)器人俱樂部的發(fā)展壯大與完善，逐步形成連貫和系統(tǒng)的知識體系，在知識領(lǐng)域框架平臺下，計劃定期開展俱樂部交流學(xué)習(xí)活動，形成各院交錯、各專業(yè)匯集的電路、信號、計算機(jī)、工程圖學(xué)等多學(xué)科融合的討論環(huán)境，為仿真技術(shù)學(xué)習(xí)起步、仿真項(xiàng)目專業(yè)規(guī)則設(shè)置、仿真平臺建設(shè)提供充分的滋養(yǎng)。

由于仿真實(shí)驗(yàn)平臺的學(xué)習(xí)是多個實(shí)體項(xiàng)目基礎(chǔ)教學(xué)演練的特殊性，基于URWPGSim的實(shí)驗(yàn)課程一般在學(xué)員入門階段集中展開，學(xué)員根據(jù)不同項(xiàng)目的學(xué)習(xí)和體驗(yàn)，再結(jié)合自身興趣和能力發(fā)散其他類型的專攻項(xiàng)目。具體的教學(xué)形式分為課堂講授、自主實(shí)驗(yàn)、研討、自學(xué)、分組PK賽等多種形式。

3.3 考核機(jī)制與競賽交流

與工程類實(shí)體教育機(jī)器人不同，URWPGSim仿真平臺沒有耗材消耗開支，而且是基礎(chǔ)過渡性平臺，為全局視覺水中機(jī)器人、單關(guān)節(jié)巡檢機(jī)器人、BIKI自主視覺機(jī)器人等項(xiàng)目模擬學(xué)習(xí)，且并不是所有研發(fā)項(xiàng)目都列入國際性賽事，因此考核標(biāo)準(zhǔn)常采用非正規(guī)化，一般分為3個層次。

第一層，完成仿真平臺基本實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，達(dá)到各項(xiàng)目預(yù)設(shè)指標(biāo)要求。大部分參與教學(xué)活動的學(xué)員可以通過在這一層檢驗(yàn)相應(yīng)學(xué)習(xí)任務(wù)的成效，也存在個別放棄選修的情況。

第二層，實(shí)現(xiàn)競賽交流水平的策略代碼，能夠達(dá)到參與國際水中機(jī)器人大賽、全國教育機(jī)器人大賽資格并取得成績。針對基礎(chǔ)考核的排名優(yōu)秀者，遴選參加比賽交流，不僅深入策略優(yōu)化，更側(cè)重平臺底層研究。

第三層，提供自主設(shè)計的仿真項(xiàng)目規(guī)則和平臺實(shí)現(xiàn)。在熟悉平臺基礎(chǔ)上，個別在程序代碼、軟件開發(fā)方面有一定造詣的學(xué)員將根據(jù)團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新設(shè)計的新游戲規(guī)則進(jìn)行模塊化項(xiàng)目開發(fā)，提供更多的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，形成不斷更新的實(shí)驗(yàn)平臺環(huán)境。

由此，形成具備創(chuàng)新能力、實(shí)踐能力的團(tuán)隊(duì)，形成檢驗(yàn)成果、經(jīng)驗(yàn)積累的良好循環(huán)運(yùn)作。

4 成果總結(jié)與展望

URWPGSim平臺以“知行合一”為建設(shè)理念，依托大學(xué)機(jī)器人俱樂部實(shí)現(xiàn)跨學(xué)科、跨專業(yè)、跨營區(qū)、跨年級的多元化教學(xué)融合，堅(jiān)持“學(xué)為主體”的教學(xué)目標(biāo)，為工程項(xiàng)目模擬能力訓(xùn)練、 創(chuàng)新理念發(fā)散思維訓(xùn)練提供一體化教學(xué)模式的基礎(chǔ)環(huán)境。

該教學(xué)模式把理論與實(shí)踐結(jié)合、全方位多層面考核、學(xué)員自主學(xué)習(xí)能力培養(yǎng)、團(tuán)隊(duì)精神培養(yǎng)等多元化方式融合在一起，重點(diǎn)突出“自己動手，豐衣足食”的教學(xué)特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)以學(xué)員自主學(xué)習(xí)、自主開發(fā)的教學(xué)模式推廣，最終達(dá)到學(xué)員創(chuàng)新能力的培養(yǎng)和提高。

URWPGSim仿真實(shí)驗(yàn)平臺建設(shè)與運(yùn)行3年來，團(tuán)隊(duì)獲得各項(xiàng)榮譽(yù)和認(rèn)可，參與項(xiàng)目建設(shè)的學(xué)員在國際、全國大賽中獲冠軍3項(xiàng)、亞軍1項(xiàng)、季軍3項(xiàng)、一、二等獎多項(xiàng)，并發(fā)表科技成果論文4篇，獲校級卓越杯一等獎1項(xiàng)、二等獎3項(xiàng)，校優(yōu)秀畢業(yè)論文2人。在今后的教學(xué)實(shí)踐過程中我們還將鼓勵教員和學(xué)員不斷擴(kuò)充項(xiàng)目類型，結(jié)合軍事訓(xùn)練要素、專業(yè)能力培養(yǎng)開發(fā)更加趣味、復(fù)雜、實(shí)用的新項(xiàng)目平臺。

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