基于虛擬儀器的課程教學訓練平臺設計

姚躍亭 郭恒光 余仁波

[摘 要] 為了滿足軍校裝備課程的教學需求，依托實驗室現有條件，采用虛擬儀器技術，構建了課程教學訓練平臺，運用虛擬儀器軟件開發和多媒體集成等技術手段，集成可自主設定的典型故障案例，實現武器裝備上裝電氣與導彈發射控制原理的可視化、圖形化教學，讓理論知識從抽象變得直觀，將故障排除訓練等難以教學的內容變得易于實施，增強學員的學習興趣，取得了較好的學習效果。

[關鍵詞] 虛擬儀器;裝備課程教學資源;教學訓練平臺

[基金項目] 2018—2019年海軍航空大學教學信息化改革項目（岸防教科〔2018〕66號），海軍重點課程建設基金（海×訓〔2019〕9號）

[作者簡介] 姚躍亭（1980—），男，浙江蘭溪人，工學博士，浙江科貿職業技術學院電子信息系、海軍航空大學岸防兵學院講師，主要從事物聯網和計算機應用技術研究;郭恒光（1986—），男，山東兗州人，工學博士，海軍航空大學岸防兵學院副教授，主要從事導彈發射工程技術研究;余仁波（1980—），男，湖北黃石人，工學博士，海軍航空大學岸防兵學院副教授，主要從事導彈發射工程技術研究。

[中圖分類號] G642.0? ?[文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2021）21-0089-04? ?[收稿日期] 2020-11-20

一、引言

隨著信息技術在現代教學中的大量運用，傳統的裝備教學方法已經越來越不適應現有教學任務，主要體現在以下兩個方面：一是受制于體制或經費原因，軍隊院校教學裝備往往配發不及時，調撥不到位，無法進行實裝教學，只能進行理論及圖紙化教學，不形象、不生動，教學效果不理想;二是教學方式單調枯燥，實驗設備老舊，理論教學還是以教師授課為主，PPT為輔助，知識灌輸枯燥乏味，學員參與度不高，動手能力得不到提高，實操技能特別是實際故障診斷排除能力難以得到有效鍛煉，課堂授課效果不佳。

隨著信息技術的發展，地方各種在線教育平臺和MOOC、SPOC等典型教學模式飛速發展，為軍事教育帶來寶貴機遇。針對現行教學方法存在的問題，推進軍隊院校裝備課程教學改革，采用信息化技術，建設軍校校本教學信息化資源，以信息化促進教育現代化，以教育現代化促進人的現代化，實現裝備課程教學信息化，是教育信息化大背景下，符合新時期教學理念、教學方式大變革的必要舉措。由于軍校裝備教學要求保密的特殊性，大部分裝備課程不適合建設外網或者軍隊內網教學資源，只適合建設基于保密實驗室局域網內的在線資源。

鑒于上述情況，利用信息化技術，建設小型SPOC（Small Private Online Course，小規模限制性在線課程）教學資源，構建仿真教學訓練平臺，是軍校裝備課程教學適應現代教學信息化的方法之一[1]。

二、虛擬儀器技術對裝備教學資源的意義

隨著裝備技術的快速發展，導彈武器裝備的技術水平越來越高，所采用的技術越來越先進，裝備維修保障也逐漸以預防性維修和保障為主。而機動導彈部隊需要常年在野外環境下遂行自主打擊任務。在這種作戰模式下，要求基層作戰單元在長時間、任務密集的情況下，能夠自主保障，在缺乏工廠、修理廠等支援力量的情況下，能夠自主解決大部分裝備故障和保障問題。這就極大地凸顯出對操作使用人員操作使用、工作原理、維修保障能力的要求。

虛擬儀器技術（Virtual instrumentation）就是利用高性能的模塊化硬件，結合高效靈活的軟件來完成各種測試、測量和自動化的應用。靈活高效的軟件能幫助用戶創建完全自定義的用戶界面，模塊化的硬件能方便地提供全方位的系統集成，標準的軟硬件平臺能滿足對同步和定時應用的需求。高效的軟件、模塊化I/O硬件和用于集成的軟硬件平臺，使虛擬儀器技術具備了性能高、擴展性強、開發時間少及出色的集成四大優勢。

虛擬儀器既可以是基于PC機的單機系統，也可以是基于計算機標準總線接口的測試系統。完成硬件系統搭建之后，通過LabVIEW或者LabWindows CVI等軟件開發工具，實現軟件系統的自主定制和設計[2]。

通過運用虛擬儀器技術搭建導彈武器上裝電氣系統仿真學習訓練平臺，在經費、資源有限的前提下，使學生能夠圍繞信號流程，針對每一步操作，更加直觀、高效地理解和掌握武器系統上裝電氣的運行原理;教師能夠根據學生的掌握情況，有針對性地設計故障案例，開展現場排故訓練，從而達到自主維修保障能力的有效提高[3]。

三、教學訓練平臺結構

要利用虛擬儀器技術構建導彈武器教學訓練平臺，對教學需求進行分析是關鍵。在××導彈武器系統發控設備課程主要教學內容是設備外觀結構組成、系統連接關系、發射控制流程等內容。為實現上述教學功能，在構建訓練平臺時，必須達到以下要求：具有與實際設備完全一致的虛擬控制臺;能夠以圖形、圖像或視頻等形式真實展現各個控制臺位之間的電纜信號連接關系;能夠模擬真實裝備，實現發射控制流程的完整模擬。

通過分析系統工作原理可知，系統連接關系和發控流程與系統電氣信號密切相關，做好電氣信號流程及接口分析，是構建仿真訓練平臺的基礎。做需求分析如下。

（一）電氣信號及接口需求分析

××導彈武器系統為機動車載式導彈武器系統，發射車是其核心部件。電氣系統教學就是在發射車上進行電氣系統教學。該部分內容的關鍵是以導彈發射控制過程中的指令、信號為核心，分析其信號流程，掌握其核心邏輯步驟，從而實現導彈發控流程的教學。另外，通過指令信號流程的分析，可以清晰地揭示導彈發射的邏輯控制流程，對于學生學習裝備的工作原理和維修保障人員進行故障分析、故障定位，具有重要意義。

發射車電氣系統包含的分系統較多，包括車底盤電氣、液壓系統電氣、發射控制設備電氣等。本文重點對發射控制設備電氣進行分析，這類信號在流程上涵蓋了導控、武控、通信、發控及筒彈等設備，能夠完成簡化的發射控制流程。通過這些設備，可以將關鍵指令信號形成一個完整的流程通路，實現發控流程教學。