故障模擬法在火炮結構原理教學中的應用

劉慧敏 韓峻 譚波 秦一平

[摘 要]火炮結構原理是火炮專業的一門專業基礎課程，也是專業基礎課中的主干課。針對火炮結構原理課程理論性強而系統性較弱的特點，提出能夠全面激發學生學習積極性的故障模擬教學法，然后以具體案例為例，說明故障模擬教學法的具體操作過程。分析過程表明該方法不僅有助于提高學生的綜合能力，還可充分培養其分析問題和解決問題的能力。多年的教學實踐證明，該方法可從很大程度上提升學生的學習寬度和深度，能夠切實提高教學效果。

[關鍵詞]故障模擬法 火炮結構原理 教學方法

[中圖分類號] G642[文獻標識碼] A[文章編號] 2095-3437（2015）12-0139-03

火炮結構原理是火炮專業的一門專業基礎課程，也是專業基礎課中的主干課，與后續的專業理論課程關系緊密。由于火炮結構本身是涉及多學科的綜合體，使得該課程具有理論性、實踐性和綜合性強等特點。

在常規的教學過程中，教師通常按照教材的編排順序進行講解，然后對課程進行總結回顧。這種教學方式方便學生進行預習和復習。但是由于采用的教材《火炮概論》一書中既有結構原理，還有設計思想，既有典型分析，還有綜合論述，使得該課程內容的跳躍度相對較大，學生學習時需要有相關的理論基礎支撐才能很好地理解課程內容。另外，課程中很多關于火炮結構方面的內容具有抽象性和結構物理力學特性的非直觀性，很難激發學生自主學習的積極。此外，學生一直處于被動接受知識的位置。研究表明，在傳統的“教師講，學生聽”教學模式下，學生只能記憶約30%的內容。[1]這些因素都在一定程度上影響了該門課程的授課效果。

針對該問題，本文提出一種新的教學方法——故障模擬教學法，并將其應用于火炮結構原理課程的授課中。

一、火炮結構原理課程特點

火炮結構原理課程屬于應用型課程，也是一門難學的專業課程，主要原因在于該課程內容涉及機械原理、機械傳動、液壓傳動、電氣控制、動力學、彈道學等多個學科領域，且偏重應用和實踐，使得其系統性相對較弱。然而作為專業基礎課程，該課程的授課效果對后續的火炮結構設計、火炮隨動系統等課程的學習有很大影響，從而對專業培養目標產生重要影響。

提高教學質量是教育的不變主題。為了提高火炮結構原理課程的授課質量，本文結合課程特點，針對常規教學方法中的缺點，提出故障模擬教學法。

二、故障模擬教學法簡介

模擬就是對真實事物或者過程可能現象的虛擬，在虛擬過程中表現出選定系統的關鍵特性。由此可見，模擬的關鍵在于系統有效信息的獲取、關鍵特性或表現的選定以及假設的應用。

所謂故障模擬教學法就是在教學過程中首先對所講授內容進行分析，之后選定關鍵假設對象并認為其故障，然后基于該故障對所講授對象進行分析，最后厘清講授對象的工作原理。在火炮結構原理教學中的故障模擬法主要指理性思維上的模擬。

在故障模擬教學方法中，假設對象的選取可以鍛煉學員的判斷力和邏輯思維能力，對假設的分析則有賴于學員對所掌握知識的綜合應用能力。作為啟發式教學方法的一種，該方法可充分活躍學生的思維。此外，故障分析的過程就是學生思考的過程，在學生對火炮結構原理理論知識掌握程度有限的情況下，該方法可從一定程度上解決火炮結構原理課程系統性較弱的問題，同時有利于將問題更加直觀的展示出來，也有利于學員創新思維、獨立思考能力的培養和發展。

目前大多數故障模擬教學方法都采用故障實驗臺或者虛擬平臺進行實驗教學[2] [3]，但由于火炮結構原理課程研究對象的特殊性——聯動動作多且動作時間短，例如法T100C緊湊型100毫米單管自動艦炮，其最高射速為每分鐘90發[4]，即大約每0.7秒火炮的自動機就要完成一次后坐和復進運動。在這種情況下，使得開展類似的實驗教學存在諸多困難。然而，火炮結構原理課程在培養學生分析處理實際問題的能力方面要求較高。為了能夠讓學生消化理論知識，培養理論聯系實際的自覺性，故障模擬教學法通過虛擬一個故障現象使講授對象成為一個工程問題。學生可以站在分析和處理實際工程問題的角度進行分析和思考，通過相關的理論分析替代實作。該教學方式不僅可以提升學生的思考深度，也可提高其思考的全面性。

三、知識點應用舉例

北京理工大學出版社的《火炮概論》一書的第二篇中主要講述了火炮的工作原理及基本結構。在該書第八章的2.8.4中闡述了供輸彈機構的工作原理，該節提到了彈簧式輸彈機，并給出了該輸彈機的原理圖，如圖1[5]所示。

圖1 ? 彈簧式輸彈機原理圖

1炮彈，2掛臂，3卡鎖，4發射卡鎖，5輸彈簧，6閂體，7炮尾，8身管

《火炮概論》一書中對于該型輸彈機的工作原理僅進行了簡單的描述：“輸彈簧是在炮身復進時被壓縮的，而在復進之末開始伸張，進行輸彈。”這個描述中并未給出各零件之間的先后動作關系，且彈簧的伸縮是由其他零件控制的。此時如果采用簡單的敘述方法進行講解，初學者將難以理解。

這時可以采用故障模擬法進行講解，首先需要對系統進行有效的分析。如果草率的選取故障點，不僅對結構原理的理解沒有幫助而且浪費時間。如果我們僅從和彈簧直接接觸的零件中選取，例如選取2為故障件，故障分析流程圖如圖2所示。

圖2 ? 假設2是故障件時故障分析流程圖

從圖2中可以看出，如果假設2是故障件，分析的結果不是和假設矛盾就是對理解其工作原理沒有幫助。由此可見，故障點的選取必須建立在系統分析的基礎之上。

針對本文的例子，系統分析就是站在火炮整體的角度來思考問題。供輸彈過程是火炮射擊循環的一部分，由于火炮是一個復雜系統，且各部分之間相互聯動關系復雜，必須將供輸彈過程和其他動作聯合起來考慮。從圖1中可以看出該輸彈機的結構形式是和楔式炮閂、楔式炮尾相適應的。在火炮后坐過程中，在采用楔式炮閂的情況下，射擊后的空藥筒需要先從炮尾方向拋出才能裝填下一發炮彈，裝填結束之后，才能進行輸彈工作。

根據該工作特點，結合圖1可以分析得知，能夠實現“裝填結束后進行輸彈”動作的關鍵零部件是3和4。下面假設4為故障件，對故障現象進行分析，如圖3所示。

圖3 ? 假設4是故障件時故障分析流程圖

根據圖3，可以清楚的理解彈簧式輸彈機的工作原理。這種講解方式可以確定輸彈簧是在炮身復進時被壓縮，然后進行輸彈動作。

從故障分析的過程中可以看出該教學方法的綜合性很強，如果面對基礎差異較大的學生，采用該方法進行教學可能無法達到預期的效果。此時需要有針對性的提高系統分析部分在教學中的比重，從而將故障模擬教學方法的效果最大化。

從分析過程中可以看出，該講解方式還可以讓學員全面了解火炮的結構原理。由于該方法迫使學生動腦思考，能夠充分鍛煉學生在信息不夠確定的條件下獨立思考、獨立決策的能力，提高學生分析和解決問題的能力，對培養學生分析判斷故障的邏輯思維能力有很大的幫助作用。[6]

四、結語

故障模擬教學法變學生的被動學習為自主學習。學生通過故障模擬分析，需要對研究對象進行全面分析，主觀能動性得到了充分發揮。由于故障模擬過程中需要確定合適的故障點，在故障點的確定過程中學生可能面臨多種可能性，因此在分析過程中需要學生復習所學內容并從不同方面尋求答案，這有利于提高學生學習內容的寬度和廣度，從而進一步提高授課效果。此方法自2009年應用到實際教學中以來，學生的主動性、積極性得到了很大的提高，教學質量也有了穩步提升。

[ 注 釋 ]

[1] 王志陽.機械設計基礎課程教學方法探討與實踐[J].湖北函授大學學報，2014（2）.

[2] 姚春江，陳小虎，毋文峰，等.液壓系統故障模擬方法研究[J].機床與液壓，2009（12）.

[3] 魯道毅，賈寶柱，張均東.輪機故障模擬及仿真訓練系統[J].船舶工程，2013（2）.

[4] http：//www.zgjunshi.com / Article / Class38 / Class49 / Class79 / 200503 / 20050308213012.html

[5] 談樂斌.火炮概論[M].北京：北京理工大學出版社，2005.

[6] 駱孟波.模擬教學法在汽車維修教學中的應用[J].河北交通科技，2007（3）.

[責任編輯：鐘 嵐]