基于模擬仿真技術的彈藥工程與爆炸技術專業教學訓練模式改革的探索與實踐

易建坤　朱建生　王曙光　馬翰宇（陸軍軍官學院彈藥工程教研室，安徽合肥230031）

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基于模擬仿真技術的彈藥工程與爆炸技術專業教學訓練模式改革的探索與實踐

易建坤朱建生王曙光馬翰宇
（陸軍軍官學院彈藥工程教研室，安徽合肥230031）

摘要：針對彈藥工程與爆炸技術專業傳統的專業教學與訓練模式存在課堂上“填鴨式”講授，教學手段單一、實踐教學難度大，實踐培訓成本高、條件不足，無法滿足專業實驗、實踐新要求等問題，文章利用現代模擬仿真技術在專業教學與訓練中實現建構主義所強調的“自主學習環境”的構建，用以促成以教為中心向以學為中心的教學與訓練模式的轉變；并通過構建模塊化、層次化和多元化的模擬仿真專業教學內容，充實并發展了原有教學訓練模式下的專業理論與實踐教學體系，提高了專業建設水平和人才培養質量。

關鍵詞：模擬仿真技術；自主學習環境；教學與訓練模式

Abstract：There are many problems in traditional teaching and training mode of ammunition engineering and explosion technology major such as spoon-feeding classroom，unvaried teaching means, great practice teaching difficulty, high training cost，insufficient training condition and so on. In order to solve the above problems and meet the new requirements of professional experiment and practice, "autonomous learning environment" emphasized by constructivism has been constructed in professional teaching and training by modern simulation technology to promote the transformation of teaching-centered to learning-centered for teachinng and training mode. Modularization，hierarchy and diversity of simulation teaching content have been brought up to enrich and develop the original professional theory and practice teaching system. As a result, the level of professional construction and talent training quality have been improved.

Keywords:simulation technology；autonomous learning environment；teachinng and training mode

引言

近年來，計算機模擬仿真技術在軍事院校本科專業教學與訓練中開始得到應用。計算機模擬仿真技術是20世紀末興起的一門涵蓋網絡技術、并行處理技術、多媒體技術、傳感器技術、圖像處理、計算機圖形學、模式識別、人工智能、高效能的計算技術等多種技術在內的綜合性新型技術。主要應用于對真實世界“表觀特征”的真實再現和對真實世界內在物理過程與機制的實時表征。而利用這種真實再現與實時表征的能力則可完整構建一個具有沉浸感、形象性、交互性、全面性的虛擬環境或過程，這正好為建構主義學習理論的“情境”、“協作”、“會話”和“意義建構”的四大要素理論的實現提供了條件。這種新興技術手段與現代教育理念的契合會導致在教學訓練過程中對教學媒體需求和利用形式的改變，對傳統的專業教學與訓練模式的構成要素以及要素間的相互聯系與作用產生沖擊與影響。同時，這也為其改革與創新提供了契機。

一、當前專業教學與訓練中存在的問題

近些年來，利用計算機模擬仿真技術進行輔助教學，改革課堂教學模式和技能培訓模式，在軍事院校本科生教育中也得到了重視與發展，但相對于地方高校的廣泛性和深入性而言，則仍顯滯后。以“教”為中心的傳統教學模式依然在軍事院校工程技術專業課堂教學中占主導地位。以我院彈藥工程與爆炸技術專業為例，傳統的專業教學與訓練模式主要存在以下突出問題：

一是課堂上“填鴨式”講授，教學手段單一。“填鴨式”教學只注重教員單向的傳授知識，學員則被動接受知識，參與性、自主學習性、趣味性欠佳，易使學員對課程學習產生厭倦情緒。任課教員即使知道需要對教學手段與方法進行革新，但因為師資結構與水平、設備條件、專業環境等的限制，而無法從根本上改變固有不好的教學模式。多媒體技術在教學上的普及，雖然極大豐富了課程教學內容的表現形式。但部分教員在對多媒體的利用上卻走了內容豐富形式單一的另一種極端。即講課所用的多媒體課件內容含雖有豐富的圖片、視頻、動畫信息來輔助表現課程講授內容，但所有內容均是一種瀏覽式的視聽觀感刺激，并沒有注重營造一種能使學員主動思考和探索的學習情境。教學過程變成教員播放幻燈片，學員觀看幻燈片的另一種“滿堂灌”形式，由于幻燈片承載的信息量遠遠大于以前的黑板，這種大信息量的“滿堂灌”最終能被學員接受的只會是更少，教學效果可能更差。

二是實踐教學難度大，實踐培訓成本高。彈藥工程與爆炸技術專業課程體系涵蓋了《炸藥爆炸理論》、《彈藥學》、《彈道學》、《現代彈藥設計理論》等課程內容，實踐教學中通常涉及到火工品、火炸藥、引信、戰斗部等危險品和制導與控制器件、信息處理器件等新型彈藥高價值零部件的使用與操作，危險性大，實驗條件要求高。以普通的炸藥性能試驗-鉛柱試驗為例，采用傳統的驗證性或演示性課程實驗，除了需要動用雷管、炸藥等爆炸性物品外，還需要專門的遠離人口聚集區的爆炸試驗場地，并制訂專門的安全性措施。試驗投入多，分組實驗教學難度大。而要組織學員進行彈藥裝備特別是新型彈藥裝備的拆裝訓練時，若采用實裝則使培訓成本顯著提高。

三是條件不足，無法滿足專業實驗、實踐新要求。彈藥工程與爆炸技術專業課程教學中在涉及彈藥裝備構造原理介紹時，通常采用按比例制作的彈藥模型在課堂上進行演示講解。傳統彈藥模型并不能刻畫到具體彈藥裝備的各個細節，而且并不能全方位無遮擋展示內部結構。特別是新型彈藥，內部結構更為復雜，借助傳統的彈藥模型進行輔助教學已不能勝任。而在相關課程中的彈藥部件抗過載試驗和新型彈藥彈載信息處理元件信息處理電路試驗時，所需要的沖擊試驗機和示波器等試驗設備均屬于高價值試驗設備，數量有限，在組織學員進行此類試驗時，僧多粥少現象突出，無法滿足本專業學員實踐教學需求。而要以激發學員自主鉆研和創新為目標，開設綜合設計型和科研創新型實驗項目，在現有專業硬件建設條件下，則更顯得捉襟見肘。

二、理論與實踐探索

（一）以現代教育理論為指導，確立改革與創新教學模式的方向與技術途徑

1.以強化學員學習主體性作為改革與創新教學模式的方向

現代建構主義學習理論強調教學以學員為中心，不僅要求學員由外部刺激的被動接受者和知識的灌輸對象轉變為信息加工的主體、知識意義的主動建構者，而且要求教員要由知識的傳授者、灌輸者轉變為學生主動建構意義的幫助者、促進者。前者是整個教學設計的核心，后者則是為學員主動建構創造必要的環境和條件。這種模式有利于學生的主動探索、主動發現，有利于創造型人才的培養，剛好可以克服傳統的以教為中心的教學模式的弊端。

因此教研室認為彈藥工程與爆炸技術專業教學模式應在繼承傳統教為中心的教學模式的優點上，積極引入以學為中心的教學模式好的做法，即確立在原有以教為中心的基礎上，進一步強化學員學習主體性，實現向教為引導，學為中心轉變的專業教學模式改革方向。

2.以現代模擬仿真技術作為實現學員主體性發揮的技術途徑。

建構主義學習理論認為教學過程上學員主體性發揮取決于“自主學習策略”的使用與“學習環境”的構建。因此彈藥工程與爆炸技術專業的教學設計應主要圍繞這兩方面來進行。在構建學習環境的教學設計中，現有教育技術手段中的模擬仿真技術最能充分體現出建構主義學習環境中“情境”、“協商”、“會話”和“意義建構”內涵。

虛擬現實技術可以為學員創設了一個類似真實的虛擬學習與實驗“情境”。比如在新型彈藥彈載信息處理技術相關課程內容中，教員利用PROTEUS仿真軟件構建一個虛擬的微處理電路設計實驗室環境，在這里可以從各個器件庫中拿取元器件進行使用，電路搭建完可以通電運行，出現錯誤會有相應的顯示。在有關彈藥結構原理展示和拆裝的相關教學內容中，專業課程教員可以通過MOCKUP軟件構建沉浸式虛擬拆裝訓練環境來實現學員在虛擬情境中自主的對彈藥結構進行了解和拆裝操作訓練。

模擬仿真技術結合基于WEB技術的大型產品數據管理系統（PDM）可充分體現出自主學習環境中的“協作”性。利用數值模擬技術解決彈藥設計中的諸如結構材料強度問題、抗過載等具體學研性問題時，通常需要多種軟件平臺相互配合來實現工程問題的數字建模、模型離散化、求解分析和計算結果顯示全過程。在此過程中不同階段產生的數據具有順序性和傳遞性，不同格式數據的傳遞與共享均可在基于網絡的PDM系統中實現。處于教學或實踐訓練過程中的學員與學員之間，學員與教員之間可充分體會到協作帶來的便利與效率。這些協作對于學員學習知識，掌握技能，提高能力以及團隊的協作能力都有重要的作用。

基于虛擬現實技術的各種虛擬學習環境和實驗環境都特別重視交互性，可實現多種形式的“會話”。學員在利用虛擬平臺進行彈載信息處理電路設計實驗或彈藥裝備拆裝訓練時，與電腦之間始終存在交互。比如實驗步驟出現錯誤，使用實驗設備或工具不當，虛擬仿真平臺均會出現警告或提示。這種交互性有利于加速相應專業知識在學生認知結構中的建構，有助于學生理解其中的意義并能將知識實時轉化為動手能力，這從而也實現了“意義建構”的屬性，即主動學習過程的最終目標。

因此我們認為現代模擬仿真技術是實現本專業自主學習環境構建和學員學習自主性發揮的不二途徑。正是基于此種觀點，自2006年彈藥工程專業新建以來，教研室一直高度重視模擬仿真技術在專業教學中的應用，將其作為改革和創新課堂教學和實踐技能訓練內容與方式的一項重要技術手段，要求年青教員必須掌握一至兩項模擬仿真軟件的操作與使用。

（二）以模擬仿真技術手段為依托，完善專業理論與實踐教學體系建設

軍事工程技術專業學習的要求就是實際操作性強，實驗實踐環節在教學過程中尤為重要。專業教學體系建設中實踐和實驗教學是必不可少的重要一環。由于硬件建設投入的不足，軍事工程技術專業教學體系建設中普遍存在實踐實驗教學環節落后，與課堂理論教學不匹配。在彈藥工程與爆炸技術專業教學中引入模擬仿真技術進行輔助教學和訓練可以節約成本，緩解實踐教學硬件建設壓力，提高實驗安全，防范教學意外事故。各種模擬仿真設備維護簡單，升級方便，能夠跟蹤學科發展前沿，使用方式也較為靈活，利于學員自主學習與創新。另外，相關模擬仿真軟件自有資源豐富，適用領域廣，可以多學科領域使用，可實現最大利用價值。

圖1　彈藥工程與爆炸技術專業模擬仿真教學內容環節

鑒于上述優勢，教研室以虛擬現實技術和數值模擬技術為重要技術依托，構建了“模塊化、層次化、多元化”的模擬仿真教學內容環節，以補充和完善專業理論與實踐教學體系。

如圖1所示，模擬仿真教學內容嵌入彈藥工程與爆炸技術專業“理論教學、工程訓練、學研活動”3個模塊中。

“理論教學”模塊主要針對各專業課程的理論教學部分，將理論教學中的難點內容和演示性實驗項目虛擬和仿真化，強化學生對理論教學內容的理解和掌握。如在《彈藥學》利用3DMAX、PROE、VIRTOOL等軟件實現交互式彈藥結構三維虛擬演示場景以實現復雜彈藥結構全方位全角度的虛擬演示實驗。通過ANSYS仿真平臺中的LSDYNA或AUTODYNA求解模塊實現穿甲彈、破甲彈、碎甲彈終點作用全過程的虛擬再現，以揭示其終點效應原理。通過ANSYS仿真平臺中的FLUENT求解模塊構建的“數字風洞”用于《彈箭制導與控制》、《彈道學》等課程中有關彈丸空氣動力作用原理演示等。

“工程訓練”模塊主要是針對各專業課程中有關動手操作實踐環節。如通過虛擬現實技術構造的彈藥裝備虛擬拆裝訓練平臺，可實現與真實拆裝環境高度相似的沉浸式虛擬訓練環境，以滿足《彈藥學》、《現代彈藥設計》等課程中有關實裝操作的工程訓練教學內容要求。

“學創活動”模塊主要是針對學有余力的學員參與教員或學科專業相關科研項目和學員的畢業設計項目。借助模擬仿真技術，完成相應設計、分析與計算任務，從而使學員在研究解決具體問題的方法、手段和技能上得到應有的訓練。如利用PROTEUS仿真平臺，引導學員進行新型彈藥彈載信息處理電路設計；利用數字風洞技術，引導學員進行彈箭外形設計；利用LSDYNA模擬軟件，引導學員進行新型戰斗部威力設計等。

所謂“層次化”，即將模擬仿真教學內容按“系統演示性模擬仿真”、“綜合與設計仿真”、“創新與前沿仿真”3個層次進行設計。“系統演示性模擬仿真”層次主要針對彈藥工程與爆炸技術專業課程中相關結構性原理性演示性試驗內容進行模擬仿真設計，這一層次以教員主導為主。“綜合與設計仿真”層次則主要根據已有的虛擬仿真試驗設備與平臺，由學員在教員指導下，自由選擇與組合的仿真實驗的初始條件，解決具體問題。這一層次以學員自主學習為主，教員指導為輔。“創新與前沿仿真”層次主要面向專業發展前沿問題，讓學有余力的學員參與教員的科研項目，借助模擬仿真技術手段解決科研問題，或將科研成果轉化為模擬仿真教學資源。“綜合與設計仿真”和“創新與前沿仿真”這兩個層次是本專業學生本科畢業設計課題的主要孵化器。

各專業課程又可將不同層次、不同模塊的仿真教學內容相互交叉、融合滲透，從而設計出大量模擬仿真教學項目，實現“多元化”模擬仿真教學。部分演示性和綜合設計類模擬仿真實驗項目通過寫入專業課程教學大綱和課程標準進行固化，學研性模擬仿真內容則根據專業領域最新發展而實時更新，從而不斷完善和豐富原有專業理論與實踐教學體系。

（三）以虛實結合為原則，科學規劃和統籌專業條件建設

通過在專業教學中廣泛深入地引入模擬仿真技術，教研室在原有專業建設與人才培養相結合、教學與科研相結合、理論教學與實驗教學相結合的基礎上，進一步確立模擬仿真與真實實驗相結合的原則，科學規劃和統籌專業條件建設。

在兵器科學與技術學科2110工程建設支撐下新建的本科生專業實驗室——爆炸技術與仿真實驗室即充分體現了模擬仿真與真實實驗條件相結合的原則。實驗室除了規劃購置炸藥基礎性能實驗設備與器材外，還專門拔出資金用于建設基于LSDYNA軟件的彈藥終點效應數值仿真平臺。建成仿真平臺除了可深入廣泛的開展彈藥爆炸、破甲、穿甲等虛擬試驗外，還可借助多臺高性能計算機實現對學員的分組實踐訓練。這極大的拓展了專業實驗室開展專業實驗和實踐訓練的廣度和深度，最大限度的利用好了有限的條件建設經費。

在新型彈藥專修室建設中，除了建設有多種實裝模擬訓練器材、1：1實彈解剖教學模型外，還為多種實裝模擬訓練器開發了基于VP技術虛擬訓練場景，如XX末制導炮彈武器系統目標指示器虛擬訓練場景；為配合新型彈藥教學開發的四種多媒體教學課件中，均含有了涉及彈藥三維結構虛擬演示、交互式彈藥裝備虛擬操作訓練等模擬仿真教學內容的開發。

（四）以教學和訓練模式改革創新為契機，促進教學資源和師資隊伍知識結構優化。

為配合利用模擬仿真技術改革與創新原有專業教學模式，教研室對專業教學資源進行重建和優化配置，并對教員隊伍知識結構和教學技能提出了新的要求。

在專業教學資源重建和優化配置上，主要做法有：

一是摒棄原有陳舊落后示教模型，代之以虛擬三維模型庫。針對專業教學中原有的各類陳舊的彈藥模型既粗糙笨重，又不能全方位反映細觀構造的缺陷，教研室利用PROE、3DMAX等三維建模軟件系統性的建立了具有代表性的陸軍彈藥三維數字模型庫。模型庫在教研室各專業課程教員中可實現共享，除了用于結構性演示外，還可用于彈藥終點效應、彈丸空氣動力特性等工程問題的數值模擬分析、彈藥裝備操作訓練的虛擬環境構建等多種用途。

二是在原有專業課程教案、幻燈等教學資源的基礎上，充實利用含模擬仿真技術在內的多種現代教育技術手段的多媒體教學資源，并開發了多種模擬仿真訓練軟件系統。教研室針對新型彈藥裝備與發展現狀，組織教研室力量在學院教育技術中心的技術支持下開發了包括電視偵察彈、激光末制導炮彈等在內的多媒體教學片充實專業課程教學資源。組織本單位力量開發了諸如彈藥裝備虛擬拆裝訓練系統、火炮操作訓練模擬仿真平臺、末制導炮彈全彈道模擬仿真演示系統等多種可用于理論教學與實踐訓練的仿真教學資源。

三是配備大容量數據存儲設備，用于分類歸集、存儲各類專業課程用于仿真教學設計的圖片、視頻、動畫等教學資源，并在教研室范圍內實現共享共建。

在教員隊伍建設方面，主要從教員知識結構和技能方面強化模擬仿真技術相關知識儲備與技能培養。采取的主要做法有：

第一，老教員的傳幫帶。教研室主任本人長期從事計算機技術的開發應用，在虛擬仿真教學方面積累了寶貴的實踐經驗。在他的傳幫帶下，教研室大部分專業教員普遍形成了利用模擬仿真等現代教育技術進行輔助教學設計的教學習慣，并掌握了一到兩門模擬仿真軟件的使用。

第二，根據青年教師科研方向和個人特長，有計劃地安排部分青年教師重點從事虛擬仿真實驗教學工作。如教研室安排具有計算機專業背景的教員重點從事彈藥工程與爆炸技術專業理論與實踐教學有關的模擬仿真教學內容的開發與設計。

第三，通過參與科研項目和技術合作，提高教員創新實踐能力。教研室教員通過參與學科專業科研項目，以及與學院教育技術中心展開合作等方式，在模擬仿真技術的創新使用方面不斷積累經驗，提升能力。如教研室王書宇、凌沖等人通過參與遠火裝備作戰規劃仿真科研項目，提升了對復雜裝備戰役層次作戰仿真過程的核心技術的理解與掌握。朱建生教員在省基金課題的研究中，充分利用了數值模擬技術對理論研究與實驗研究的有益補充作用，提高了自身科研實踐能力。

三、應用成效

自本單位開始基于模擬仿真技術專業教學與訓練模式改革探索與實踐以來，在教學水平、人才培養和專業建設方面成效明顯。主要表現為：

（一）人才培養質量提升顯著

將模擬仿真技術手段廣泛深入應用于彈藥工程與爆炸技術專業理論與實踐教學后，本科生人才培養質量持續提升。學員專業實踐與動手能力較以前有提高，畢業論文質量也進一步提升。另外，教研室利用新型彈藥裝備的模擬仿真訓練器材或軟件平臺讓本科學員提前了解熟悉新型彈藥裝備，為畢業學員到任職培訓院校和部隊迅速掌握部隊新裝備打好了基礎，提高了本專業學員部隊基層的適應能力。

（二）取得一批高等級教學成果獎項

教研室堅持將最新模擬仿真技術引入專業教學內容和方式的改革與創新上。堅持用最新教學理念和教育技術手段武裝教員進行教學改革創新，取得了一批高層次教學成果獎項。近三年來獲得全軍優秀電視教材獎一等獎兩項，獲安徽省教學成果二等獎一項，獲“實戰化教學訓練綜合改革重大課題”資助一項。

（三）專業建設全面發展

得益于先進的教育理念和教育技術相結合的專業建設和教學改革發展思路，彈藥工程與爆炸技術專業從原有以教學為中心，偏重理論教學，實驗、實踐、實訓條件不足的教學模式，發展成專業建設與人才培養相結合、教學與科研相結合、理論教學與實驗教學相結合、虛擬仿真與真實實驗相結合的人才培養模式。專業建設在短短不足十余年時間里實現了從無到有、日益壯大的跨越式全面發展。

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作者簡介：易建坤（1978-），博士，講師，主要從事彈藥工程與爆炸技術專業教學與科研工作。

中圖分類號：G642

文獻標志碼：A

文章編號：2096-000X（2016）09-0157-04