王偉達，楊 超，王欽釗，閆清東

(1.北京理工大學機械與車輛學院，北京 100081；2. 裝甲兵學院電氣工程系，北京 100072)

1 引言

為適應新時代創(chuàng)新經(jīng)濟高速發(fā)展、科學技術(shù)日新月異的新形勢，各高校都在探索革新性的教育教學方法，以使培養(yǎng)的學生適應快速變化的社會需求?；诮虒W平臺與虛擬仿真技術(shù)的教學方法得到普遍的認同和應用。文獻[1]認為培養(yǎng)創(chuàng)新型人才是一項系統(tǒng)工程，離不開實驗室的開放實踐，采取多種途徑全面推進實驗室開放，引導學生進入實驗室動手實踐，能夠極大地提高實驗室和設備的利用率，實現(xiàn)實驗教學資源共享，提高學生的創(chuàng)新科研能力。文獻[2]研究了國外高校虛擬仿真教學現(xiàn)狀與發(fā)展，介紹了支撐虛擬仿真教學的主要信息技術(shù)，歸納總結(jié)了國外高校虛擬仿真教學的類別、形式、特點以及實踐案例。文獻[3]提出了建設高校室管理專業(yè)性學生組織，打造青年學生參與室管理的實踐平臺，既具有重要的現(xiàn)實和理論意義，也具有較強的可操作性，不但可以為青年學生成才、成長提供服務，而且增強了實驗室管理力量、提升實驗室管理水平。文獻[4]針對現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展對工程師的工程綜合實踐能力要求越來越高的問題，結(jié)合工程訓練中心的實踐教學條件，提出了改革教學方法等措施與建議。文獻[5]構(gòu)建了虛實結(jié)合、理-實一體化的艦載導彈火控模擬訓練體系，搭建了導彈火控模擬訓練教學平臺，扎實推進教學改革實踐，有效增強了學員對復雜武器裝備學習的興趣和訓練效果，提高了人才培養(yǎng)質(zhì)量。我校裝甲車輛工程專業(yè)在基于教學平臺與虛擬仿真教學方面做了很多工作，如在坦克構(gòu)造與設計課程中運用視景仿真進行虛擬實驗教學，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等[6～8]。

將建構(gòu)主義理論用于教學尤其是實踐教學中也是當前的熱點問題。文獻[9]針對工程教育特點，在建構(gòu)主義理論指導下，探索了研究性教學實踐，完善了知識、條件、文化等方面的研究性教學環(huán)境。文獻[10]提出建構(gòu)主義教學重在對學生學習環(huán)境的設計，學生在合適的學習環(huán)境中能充當知識的主動建構(gòu)者，教師的作用是通過恰當?shù)慕虒W模式設計為學生創(chuàng)造學習環(huán)境，建構(gòu)主義教學能提高學生的學習主動性和自我發(fā)展能力。文獻[11] 設計了建構(gòu)主義理論指導下的研究生教學模式GIFPM及其課堂教學策略，并給出了基于建構(gòu)主義的研究生教學模式中教學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)》課程教學實踐中，針對遇到的現(xiàn)實問題，為學生提供直接接觸火控系統(tǒng)并產(chǎn)生切身體驗的模擬教學平臺，整合基礎數(shù)學物理知識、直觀感受、教學條件等資源，在建構(gòu)主義教學法指導下，通過基于情境的坦克火控技術(shù)教學平臺設計、教學過程設計，構(gòu)建火控技術(shù)知識體系，加深學生對課程知識內(nèi)核的理解，提升學生的自主實踐能力、主動學習能力和創(chuàng)新思維能力。

2 基于情境再現(xiàn)的坦克火控系統(tǒng)教學平臺設計

教育學者們在一般認識論的基礎上，通過對學習過程的規(guī)律進行研究，逐漸形成了認知學習理論，其中影響最大的是建構(gòu)主義學習理論[12]。通過創(chuàng)設符合教學內(nèi)容要求的情景和提示新舊知識之間聯(lián)系的線索，幫助學生建構(gòu)當前所學知識的意義[13～14]。在傳統(tǒng)的課堂講授中，由于不能提供實際情境所具有的生動性、豐富性，因而將使學習者對知識的意義建構(gòu)發(fā)生困難。因此，針對《現(xiàn)代坦克火控技術(shù)》教學，針對平時難以接觸到坦克火控系統(tǒng)實物及真實使用場景的問題，設計了坦克火控系統(tǒng)演示與操作教學平臺，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，為學生提供教學情境。

2.1 火控教學平臺總體架構(gòu)

教學平臺由模擬炮塔和控制臺2部分組成。模擬炮塔參考現(xiàn)代新型坦克設計，整體外廓尺寸寬×高×長=2.7m×2.5m×2.0m。為便于教學，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，包括火控計算機、炮長操作面板、電源、火控系統(tǒng)自動傳感器等。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。平臺主要組成部分如圖1和圖2。

圖1 教學平臺模擬炮塔

教學平臺的射擊操作內(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

2.2 教學平臺仿真系統(tǒng)構(gòu)成

該教學平臺依據(jù)現(xiàn)代火控系統(tǒng)具有的“穩(wěn)像”(指揮儀式)、“裝表”(擾動式)、“應急”、“自動跟蹤”、“炮射導彈”、“對空”射擊，車長超越調(diào)炮和超越射擊等功能，以及原地、行進、傾斜等不同的射擊方式，建立起相應的仿真數(shù)學模型，模擬出武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)性能；同時，依據(jù)炮長和車長間的物理關(guān)系，模擬出相互間的運動學關(guān)系。該系統(tǒng)采用三維數(shù)字地形，能實現(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鏡觀察同一戰(zhàn)場的效果，能對地形內(nèi)任意距離目標和地物測距，以及對多種戰(zhàn)場視景進行仿真。具體包括：

1)炮長操作平臺：能模擬炮長在“穩(wěn)像”、“裝表”、“應急”、“自動跟蹤”和發(fā)射“炮射導彈”等工況下實施射擊的功能，如圖5。

圖5 炮長操作平臺

2)車長操作平臺：能模擬車長通過周視鏡進行觀察、監(jiān)視炮長、超越調(diào)炮和實施超越射擊等功能，如圖6。

圖6 車長操作平臺

3)模擬目標：包括正面坦克靶、運動坦克靶、M1坦克、T72坦克、步兵戰(zhàn)車、導彈車、直升機、戰(zhàn)斗機、步兵和火箭筒靶等。

4)視景仿真：射擊練習有草地、沙漠、黃土地、沼澤地等4種靶場視景；“穩(wěn)像”、“裝表”練習有靶場微光視景；乘員協(xié)同作戰(zhàn)時有6×6km2作戰(zhàn)地域視景；穩(wěn)定器操作練習時有原地和行進間射擊視景。

5)煙霧音響效果：包括射擊時炮口煙、目標燃燒、火炮和機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。

2.3 教學平臺中的仿真技術(shù)與模型

教學平臺采用網(wǎng)絡化通訊協(xié)議將炮長、車長及控制臺所屬的多臺計算機聯(lián)網(wǎng)。在計算機營造的虛擬戰(zhàn)場環(huán)境中，通過對作戰(zhàn)地域地形的數(shù)字化顯示、對戰(zhàn)場環(huán)境的逼真模擬，以及各參戰(zhàn)武器實體的顯示，使人員有一種身臨其境的感覺，同時可以像在實車內(nèi)一樣進行各種射擊操作。

在典型穩(wěn)像式火控系統(tǒng)的數(shù)學仿真模型中，模擬火控系統(tǒng)瞄準和調(diào)炮過程，根據(jù)目標瞄準信號值，通過炮控系統(tǒng)的角度傳感器、放大器、極化繼電器、電機放大機、炮塔電動機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

車輛行駛動力學對于火控的瞄準精度以及教學平臺的動態(tài)展示效果具有關(guān)鍵作用，所以建立了精細的車輛動力學仿真模型，模型框圖如圖8。

圖8 履帶車輛行駛動力學模型

3 借鑒建構(gòu)主義理論的情境教學實踐

3.1 經(jīng)驗背景知識的重現(xiàn)與概念建構(gòu)

建構(gòu)主義強調(diào)，學習者并不是空著腦袋進入學習情境中的。在日常生活和以往各種形式的學習中，他們已經(jīng)形成了有關(guān)的知識經(jīng)驗，他們對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)驗可以借鑒，但是當問題呈現(xiàn)在他們面前時，他們還是會基于以往的經(jīng)驗，依靠他們的認知能力。所以，在教學過程不能無視學習者的已有知識經(jīng)驗，簡單強硬的從外部對學習者實施知識的“填灌”，而是應當把學習者原有的知識經(jīng)驗作為新知識的生長點，引導學習者從原有的知識經(jīng)驗中，生長新的知識經(jīng)驗。教學不單是知識的傳遞，而是知識的處理和轉(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。而大部分學生通過影視資料、一般物理學和光學常識、專門的射擊游戲軟件等對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)進行經(jīng)驗知識的建構(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，介紹瞄準的原理及影響射擊精度的基本因素。從武器的瞄準角度，給出裝表的定義和射擊精度的影響因素。瞄準線與火炮軸線必須要有一定的夾角(瞄準角)，才能使炮彈命中目標。而使火炮與瞄準線產(chǎn)生夾角的過程就是裝表。而在垂直方向決定瞄準角的基本因素就是目標距離。目標距離決定了彈道軌跡及命中點。通過物理學常識，這些概念都是顯而易見的。

由于射擊原理及精度影響因素，可以導引現(xiàn)代火控系統(tǒng)需要解決的問題，如準確的測量距離、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化。其工作原理對于從自動裝表式火控到高級的穩(wěn)像式火控系統(tǒng)原理意義構(gòu)建具有指導性作用。

在實際教學過程中，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)等知識的講述過程中，都滲透了建構(gòu)主義概念。另外，教學實驗平臺輔助課堂教學在運用建構(gòu)主義教學法過程中起了重要基礎性作用。

3.2 基于教學平臺的情景再現(xiàn)與知識強化

建構(gòu)主義認為，學習者與周圍環(huán)境的交互作用，對于學習內(nèi)容的理解(即對知識意義的建構(gòu))起著關(guān)鍵性的作用。教師通過創(chuàng)設符合教學內(nèi)容要求的情景和提示新舊知識之間聯(lián)系的線索，幫助學生建構(gòu)當前所學知識的意義。

基于設計的坦克火控系統(tǒng)演示與操作教學平臺，可將各種類型的坦克火控系統(tǒng)進行模擬，并可在教學平臺上進行實際操作模擬。在操作過程體現(xiàn)不同火控系統(tǒng)的觀瞄人機界面與工作原理，從而完成課程目標概念的意義構(gòu)建過程。典型自動裝表式火控系統(tǒng)和穩(wěn)像式火控系統(tǒng)在教學平臺中的觀瞄界面分別如圖9和圖10。

圖9 自動裝表式火控系統(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)教學平臺，首先重現(xiàn)了系統(tǒng)的基本硬件組成，在平臺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瞄準(穩(wěn)像工況不需要)、瞄準標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激發(fā))等。從而通過具體的實物、成像和動作，體現(xiàn)火控系統(tǒng)原理與技術(shù)的異同，幫助學生直觀的理解所學知識，從而完成知識點的意義建構(gòu)，還激發(fā)了學生的學習興趣。

3.3 課堂教學與探究型作業(yè)構(gòu)建知識體系

建構(gòu)主義教學理論指出，教師要成為學生建構(gòu)知識的積極幫助者和引導者，應當激發(fā)學生的學習興趣，引發(fā)和保持學生的學習動機。為使學生的意義建構(gòu)更為有效，教師應盡可能組織協(xié)作學習，展開討論和交流，并對協(xié)作學習過程進行引導，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)》教學實踐中，在課堂上，教師通過運用多媒體教學手段，通過豐富的圖片、動畫、視頻演示結(jié)合知識講解，通過結(jié)合學生的舊有經(jīng)驗和已有知識，構(gòu)建火控技術(shù)的基本概念；組織了針對關(guān)鍵知識點的課前背景知識準備與課堂討論，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展、火控系統(tǒng)的控制理論模型與控制算法設計、火控系統(tǒng)產(chǎn)品的電子設計與軟件設計等核心內(nèi)容；通過基于教學平臺的實踐教學，形象了展示了火控系統(tǒng)實物和實際工作過程，完成了基于建構(gòu)情境的知識強化；課堂之外，通過分組完成探究性作業(yè)或研究課題的形式，教師組織和引導學生一起討論和交流，從而建立起學習群體，通過協(xié)作學習，群體共同完成對所學知識的意義，完成課程知識體系的建立，以及對知識的深入掌握和理解。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)，原理研究與仿真計算、炮控過程動力學建模與仿真、典型信號處理電路分析、典型控制環(huán)節(jié)理論計算分析與控制算法設計仿真等。

4 結(jié)論

我校在本科生專業(yè)課程《現(xiàn)代坦克火控技術(shù)》教學實踐中，整合了專業(yè)實驗室的設備資源，通過由淺入深的基本經(jīng)驗再現(xiàn)、建設現(xiàn)代坦克火控系統(tǒng)演示與操作教學平臺進行坦克火控系統(tǒng)界面與使用的情境再現(xiàn)、沉浸式的教學操作體驗等方式，激發(fā)學生的學習興趣，系統(tǒng)性的建構(gòu)基礎知識、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，達到該課程的核心學習目標。

通過基于課堂教學結(jié)合背景知識重現(xiàn)的知識構(gòu)建、課堂討論形式的啟發(fā)式教學、基于情境教學的知識強化以及課后探究性群體協(xié)作學習的深化理解，課程組較好了完成了現(xiàn)代坦克控制技術(shù)的課程教學工作，初步使用建構(gòu)主義教學理論指導了教學設計與課程實踐。

建構(gòu)主義學習理論是當前流行的學習理論，其內(nèi)涵與外延非常豐富，其知識學習與意義建構(gòu)過程更是包括多種方法、方式。在當前教學實踐過程中只是進行了初步探索，基于建構(gòu)主義思想全面的設計研究型課程，進一步提升該課程的教學效果。