火箭炮兵器結構與原理課程虛擬仿真教學平臺建設

楊清文, 房施東, 李春海

(1. 陸軍炮兵防空兵學院, 安徽 合肥 230031； 2. 69250部隊, 新疆 烏魯木齊 830009)

某型火箭炮是我陸軍新型遠程火力壓制武器,結構比較復雜,涉及的專業(yè)知識較多。“火箭炮兵器結構與原理”是火箭炮指揮專業(yè)的核心專業(yè)基礎課,該課程的教學內容包括大部組成、系統(tǒng)的工作原理與工作過程、裝備操作、勤務使用與注意事項等。該課程通過深入介紹火箭炮組成原理和工作過程,為學員學習火箭炮的操作使用與技術勤務奠定基礎。

然而,“火箭炮兵器結構與原理”課程的教學內容比較抽象、理論性強,并且在以往的教學中存在課時少、內容多的問題,使得工程力學、液壓傳動等課程的內容被壓縮或無法開設。特別是單一的灌輸式教學方式不利于培養(yǎng)學員的獨立思考精神和學習興趣。

隨著計算機技術的發(fā)展,虛擬仿真在教學訓練中發(fā)揮著越來越重要的作用。基于虛擬現實技術的虛擬仿真教學具有獨有的沉浸感、交互性和想象空間,且具有成本低、可重復、效率高、可擴展、操作安全、高度開放等特點,為解決“火箭炮兵器結構與原理”課程教學中存在的問題提供了很好的解決方法。為此,綜合運用三維虛擬仿真、二維動畫等計算機軟件技術,構建了“火箭炮兵器結構與原理”課程虛擬仿真教學平臺[1-2]。

1 平臺建設的基本要求

根據“火箭炮兵器結構與原理”課程的教學特點,構建了“一縱一橫”教學內容體系結構,以火箭炮組成為主線,以功能、結構、原理、工作過程、裝備操作和技術勤務等為主要內容,形成覆蓋全系統(tǒng)、全要素的“火箭炮兵器結構與原理”教學內容體系。根據教學內容和教學目的,科學確定虛擬仿真教學方法。機械結構與裝備操作采用三維仿真；電氣和液壓原理與工作過程采用數值仿真和視景顯示；操作軟件采用模擬軟件,技術勤務運用視頻形式表現。通過構建二維動畫、三維仿真、數值仿真和軟件模擬等多種形式的虛擬仿真方法,形成“火箭炮兵器結構與原理”虛擬仿真教學體系的基本功能和要求(見圖1)[3-4]。

圖1 虛擬仿真教學體系

對于各個功能模塊,應該滿足基本的技術要求。一是要有較好的人機交互性能,各功能模塊之間能夠動態(tài)切換,并提供文件管理、場景切換、動畫回放及錄像、教學測試等功能；二是要有多態(tài)表現形式,如三維仿真能夠用爆炸圖、透明顯示、分解和結合等交互式演示零部件結構及基本工作過程；三是要有較好的激勵形式,如開發(fā)測試、考核等軟件。

2 平臺開發(fā)

根據資源分類及特點,分別進行仿真資源建設與開發(fā)。采用CAXA軟件進行火箭炮三維建模,運用Virtools仿真軟件進行三維仿真開發(fā)；基于Matlab和Flash分別開發(fā)數值仿真和二維動畫；基于VB開發(fā)火箭炮計算機操作系統(tǒng)模擬軟件；視頻、音頻、文本、圖片等可以選用常用的軟件進行制作。基于VB構建平臺框架,運用插件集成各種不同類型資源,形成“火箭炮兵器結構與原理”課程虛擬仿真教學平臺。

2.1 三維建模與優(yōu)化

采用CAXA軟件進行火箭炮三維建模。對于標準件模型,只需要在標準件庫中選擇標準件,然后在參數模塊中輸入相關標準件參數,即可得出需要的標準件模型。對于非標準件零件,需要手動生成零件外形,進行打孔、倒角等操作,構建出完整的本體模型。根據零件之間的約束關系裝配成部(組)件或子系統(tǒng)(圖2所示為某部件三維模型效果),進而組裝成完整的火箭炮。用CAXA建成模型并經過渲染等處理后,可根據任務的需要,通過輸出設置對三維模型進行優(yōu)化處理,以減少模型文件數據量[5]。

2.2 三維仿真實現

運用Virtools仿真軟件進行三維仿真開發(fā),實現火箭炮結構漫游、部件結構學習和裝備操作仿真功能。

火箭炮結構漫游功能是為受訓者進行外觀布局學習而設計的,通過固定路線和操作外圍設備(鍵盤、鼠標等)自主漫游,熟悉裝備大部組成。

部件結構學習功能主要通過透視、隱藏、拆分、剖視等方式展示設備內部結構。

裝備操作仿真功能主要是基于鼠標和鍵盤的操作,依據裝備操作流程,在虛擬場景中實現對裝備的彈藥裝填、用炮、收炮、操瞄、調炮等操作訓練[6-7]。其中調炮訓練仿真效果如圖3所示。

圖3 火箭炮調炮訓練仿真效果

2.3 數值仿真與二維動畫仿真開發(fā)

對于電氣和液壓原理與工作過程采用數值仿真加二維動畫表現。對于數值仿真,首先建立數學模型,然后基于Matlab進行數值計算,并用曲線圖描述數值關系；基于Flash創(chuàng)建二維動畫仿真,并將數值仿真結果與二維動畫和三維仿真進行關聯(lián),從而實現多角度、多工況和多手段再現火箭炮兵器的工作原理[8-10]。

以高低平衡機受力分析仿真為例,建立高低平衡機的內部運動二維動畫、平衡力矩數值仿真與定向器的俯仰運動三維仿真的對應關系,形象展示了高低平衡機工作過程和調炮關系，其仿真效果如圖4所示。

圖4 高低平衡機工作原理多形式仿真

2.4 火控系統(tǒng)模擬軟件開發(fā)

為了滿足火箭炮操作訓練要求,根據火箭炮火控系統(tǒng)軟件的特點,采用VB6.0編寫火控系統(tǒng)3個操作臺的模擬軟件,實現了參數輸入、戰(zhàn)行轉換、彈道解算、報文管理、數據傳輸、地面發(fā)控、炮長監(jiān)控等模擬訓練功能。同時,采用內置操作狀態(tài)圖實現了模擬軟件的操作考核功能。內置操作狀態(tài)圖精確描述了訓練操作規(guī)程中各操作的先后順序和時機。正確的操作使內置狀態(tài)向前推進,并完成相應事件的處理；錯誤的操作將使狀態(tài)轉向錯誤處理程序,包括錯誤類型判斷(致命錯誤、嚴重錯誤、一般錯誤)和錯誤提示等。

2.5 平臺集成

基于VB實現模擬軟件和數據資源的集成。軟件集成時,對于利用VB開發(fā)的模擬軟件,將統(tǒng)一建立在同一個工程窗體下,通過Form.Show程序實現軟件界面的調用,并在主界面添加相應的Command控件與之鏈接。對于文本資源、圖片資源、Flash演示動畫和三維仿真資源,首先將文件存儲于仿真平臺文件目錄下,建立ACESS數據庫,并定義資源名稱和存儲路徑。然后在主界面添加DATA控件、WebPlayer插件和Shockware Flash插件,分別實現文本圖片、三維仿真和Flash演示動畫資源的加載。平臺集成效果如圖5所示[11-12]。

圖5 平臺集成效果

3 平臺的教學實踐

教學團隊以2013級和2014級火箭炮指揮專業(yè)為實施載體,對虛擬仿真與課堂教學課程進行了2輪教學實踐。根據調查問卷及反饋,這次改革實踐取得了良好的教學效果，學員非常歡迎并給予了較高的評價。在課程教學手段上,借助于現代教育技術,采用多媒體教學、現場教學與虛擬仿真教學相結合的方式,使課堂與現場、課內與課外、理論與實踐有機融合,發(fā)揮了各自在教學中的優(yōu)勢,使教學過程更為形象、生動,提高了教學效果。對于現場無法再現的場景,如平衡機工作原理、手動調炮、半自動調炮和全自動調炮工作過程及其內部關系等,采用虛擬仿真教學方式,以其鮮明的畫面、逼真的色彩以及生動形象的動畫或影像再現了火箭炮結構及其工作過程。新的教學方式充分調動了學員的視、聽等感官,激發(fā)學習興趣,并根據教學效果和學員反饋及時完善和修正虛擬仿真教學系統(tǒng)。

4 結語

通過“火箭炮兵器結構與原理”課程虛擬仿真教學平臺建設,較好地解決了“火箭炮兵器結構與原理”課程教學存在的問題,并以火箭炮指揮專業(yè)為實施載體,開展相關裝備兵器結構與原理虛擬仿真教學改革實踐,形成了虛擬仿真實驗層層遞進、能力素質培養(yǎng)貫穿始終的教學模式,以培養(yǎng)炮兵指揮專業(yè)精英人才為目標,增加學員主動參與和實踐動手的機會,充分調動了學員的學習積極性。

References)

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