基于建模仿真的可視化教學模式研究

姜高揚,王 超

(中國民航大學 空中交通管理學院,天津 300300)

基于建模仿真的可視化教學模式研究

姜高揚,王 超

(中國民航大學 空中交通管理學院,天津 300300)

如何使課堂教學內容更加生動形象，一直是教育工作者所關注的問題。為了使抽象的課程內容更加容易理解，提出了基于建模仿真的可視化教學模式。首先分析了課程的內容、特點和當前教學中存在的問題，接著分別從概念、原理和數據三方面著手，通過建立動畫模型使認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據可視化。最后將這些形象的素材引入課堂，并分析了可視化教學模式下的教學效果。實踐表明，與單純的知識講授相比，可視化的教學模式可以極大地提高學生的學習興趣，加深對所學知識的理解，促進教學質量的提高。

教學方法； 教學實踐； 建模仿真； 可視化； Matlab

0 引 言

“空管設備與系統”是從空中交通管制員和航空公司簽派員的實際應用角度出發開設的一門專業基礎課，主要介紹支撐空中交通安全高效運行所需的通信、監視和自動化信息系統及其基本工作原理。目前我國的空管設備保障主要倚重國外設備，由于國內外的空中交通管理情況不同，從國外引進的空管系統與國內民航空中交通管理的實際情況并不完全契合[1]。與此同時，高速發展的民航業對空管設備與系統的保障提出了更高的要求，空管設備與系統的國產化勢在必行[2-4]。在這種情況下，學院在交通運輸專業卓越班和普通班開設“空管設備與系統”課程。通過學習該課程，使學生掌握空管運行保障中常用的通信、監視和自動化信息系統及其基本工作原理，了解本專業技術的發展現狀和趨勢，提高學生對空管設備與系統的理解能力，為我國空管信息系統的技術創新奠定基礎。

1 課程內容和特點

空管設備與系統課程主要包括空管無線電通信系統、空管監視系統和空管自動化信息系統3大部分，內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，課程體系架構如圖1所示。與本專業其他課程相比，本課程并沒有強調設備系統的運用和行業技能的培養，而是重點講授“臺前幕后的故事”。所謂“臺前”指的是這些空管設備和系統本身的功能，而“幕后”指的是設備系統背后的技術和原理，比如雷達基本參數的計算、A/C模式雷達的編碼和解碼、雷達航跡數據的計算等等。通過學習本課程，學生對于空管設備與系統的認識不再停留于表面，而是知其然并且知其所以然。該課程具有專業性強，涵蓋內容廣，概念抽象，不易理解等特點，同時這也是本門課程教學的難點。

圖1 課程體系架構

2 課程教學現狀分析

空中交通管理是國際化水平較高的行業，從業人員需要操作國際化的設備，進行國際化交流。在空中交通管制專業課程改革方案研究當中，已有學者明確指出了空管的國際化特色，并提出“學習借鑒國外空管人才培養的先進模式和經驗”“引進、運用國外先進的教學大綱、教材資料等”[5-6]。鑒于此，課程組將中國民航大學和法國國立民航大學聯合開發的英文版講義引入課堂，希望借此提高學生閱讀專業英文材料的能力，為以后走向工作崗位奠定基礎。經過一段時間的教學實踐，發現當前教學過程中存在以下問題：① 相關概念和原理比較抽象，不易理解;② 相關計算比較枯燥，學生不感興趣;③ 實際的空管設備與系統造價昂貴，無法讓學生直接接觸，同時由于行業性質，不便組織學生集體參觀，更不允許讓學生操作，因而學生不能深入理解其中的工作原理。目前單靠課堂講述，不能有效調動學生聽課的積極性。

針對以上存在的問題，課程組進行了認真的思考和研討。通過學習本專業其他課程組的教學方法[7-10]，參考通信、導航等相關課程的教學措施[11-13]，課程組提出了“強調內容體系，理順知識脈絡，豐富教學素材，開發演示程序”的改革思路，并重點針對內容抽象不易理解的問題，開展了較長時間的探索，從國內外相關網站上搜集了豐富的教學材料，并自己開發程序來演示相關原理。經過一個學期的實踐探索，空管設備與系統課程組逐漸摸索出一套可視化的教學方法，與文獻[14-16]中的可視化教學方法不同，這里的可視化教學是以建模仿真為基礎，重點實現概念可視化、原理可視化和數據可視化。實踐表明，可視化教學不僅能夠引起學生的興趣，而且能讓學生對知識的理解更加全面和深刻。

3 概念可視化教學

課程中涉及到許多通信和監視的相關概念，相比之下，通信的相關概念比較容易理解，而雷達的相關概念則顯得有些抽象，比如雷達天線的角度分辨率和距離分辨率，這兩個參數用來描述雷達天線在角度和距離方面對目標的識別能力，而如果進一步解釋為什么會存在一定的識別能力，則要從雷達脈沖的角度去講，此時用簡單的語言去解釋抽象的概念就顯得有些困難，為此課程組根據雷達工作原理，制作了簡單明了的動畫模型，用于展示雷達距離分辨率的概念，見圖2。

(a) 飛機間距100 m時的雷達回波

(b) 飛機間距200 m時的雷達回波

結合以上動畫模型，抽象的概念講解就變得形象而具體。假設雷達發射脈沖寬度，對應的電磁波長度為300 m，當前后兩架飛機相距100 m時，兩架飛機的回波信號相互重疊在一起，此時雷達將無法分辨開兩架飛機。而當前后飛機的距離增大到200 m時，回波信號并未重疊，此時雷達可將兩架飛機分辨開。通過這組動畫模型，學生對雷達距離分辨率的概念有了直觀認識，進一步便可引導學生思考：雷達距離分辨率與脈沖寬度有什么樣的關系？經過分析不難得出公式：

sr=cτ/2

其中：c為光速；τ為雷達發射脈沖的寬度。

以上動畫模型不僅加深了學生對雷達距離分辨率的理解，而且對后續章節中提到的雷達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

“空管設備與系統”的教學任務之一就是向學生講授空管無線電通信系統、監視系統和自動化信息系統的基本技術和原理。對于交通運輸專業的大二學生而言，由于缺乏通信原理的基礎知識，對無線電通信的基本原理無法深刻理解，尤其是調幅、調頻的特點，學生普遍感覺難以理解。調幅、調頻是空管無線電通信中常用的兩種信號調制方式，也是本課程要求學生掌握的基本原理。目前的教學方式是老師在黑板上繪制信號波形，同時結合調幅、調頻的數學表達式進行講解。根據授課情況來看，教學效果并不理想。為此，課程組利用Matlab開發了調幅和調頻的演示程序，將信號調制的相關概念、關鍵參數、信號波形融入其中，演示程序界面如圖3所示。

(a) 調幅演示程序界面

(b) 調頻演示程序界面

在教學中可以首先利用以上程序進行演示，以調幅為例，連續點擊滑鍵，學生可以看到隨著調制信號振幅的變化，調幅信號是如何動態變化的。通過演示，學生對信號調制有了直觀的認識，同時學生會產生強烈的求知欲：這些信號波形是如何產生的？此時再引入信號調制的數學表達式，不僅可以消除學生的疑惑，而且可以加深學生對數學公式的理解。最后綜合信號波形和數學公式，引導學生自己總結調幅和調頻的特點。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，教學效果非常理想。

5 數據可視化教學

雷達數據處理系統是本門課程重點講述的內容之一，其中涉及到雷達點跡數據的處理。最初課程組僅僅是從原理上講述雷達數據處理系統和飛行計劃數據處理系統之間的數據關聯、雷達點跡數據的處理、雷達標牌數據的含義等內容。但是雷達點跡數據究竟包含哪些內容，這些數據是通過什么算法進行處理的，課堂上并沒有詳細講解。后來課程組引入了雷達點跡數據處理的理論算法模型。但是從實際教學情況來看，并沒有引起學生足夠的重視。

在進行數據可視化的教學研究中，課程組搜集到了某機場的雷達綜合航跡數據，利用Matlab對數據進行解析、提取，得到本課程教學所需的雷達點跡數據，并進一步在二維和三維空間中生成雷達航跡及各時刻的速度矢量線圖像，如圖4所示。在教學過程中首先向學生展示數據處理的結果，然后再進一步講解如何根據雷達點跡數據計算飛機的航向、地速、垂直速度以及速度矢量線。實踐表明，學生對該方式的教學很感興趣，因為枯燥的數學公式在這里變成了形象的圖片，這種新鮮感促使他們進一步去學習和研究。

圖4 雷達點跡數據處理結果

6 教學效果分析

通過將動畫模型和Matlab仿真引入課堂之后，學生的學習熱情高漲起來，課間休息時主動提問的學生明顯增多，教學效果顯著提升。通過進行隨堂測試發現，對于某些概念和原理的理解，上學期只有不到50%的學生回答正確，而本學期將近80%的學生都能正確回答；對于雷達點跡數據處理算法，上學期約有30%的學生能夠掌握，而本學期超過50%的學生都能掌握。可見，可視化教學模式對學生的學習積極性和教學質量均有明顯提高。然而，通過進一步分析發現學生在學習過程中仍然存在一定的問題，比如在數學公式正確掌握的情況下仍有一部分學生計算有誤，其原因在于對公式中各個參數的物理含義理解不夠透徹。可見，可視化的教學模式仍需與傳統的課堂講練緊密結合，才能產生更加理想的教學效果。

7 結 語

“空管設備與系統”課程涉及通信、監視和空管自動化系統，內容廣泛、信息量大，尤其是一些概念、原理和數據計算比較抽象、枯燥。通過構建動畫模型、開發Matlab仿真程序，逐漸形成了可視化的教學模式，極大地調動了學生的學習興趣，提高了學生的學習效率和教師的教學效果。目前，基于建模仿真的可視化教學模式仍在探索當中，該方法對教師的個人能力和備課精力都提出了較高的要求，因此如何協同分工開發出更多優質的教學資源，如何與其他教學模式進行有機結合產生更加理想的教學效果，都是需要進一步思考和研究的問題。

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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(1986-)，男，河南新密人，碩士，研究實習員，研究方向：空管系統建模與仿真。

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

TP 391.6; G 424.1

：A

1006-7167(2017)07-0192-04