仿真技術用于實驗教學改革的思考與實踐

邱麗原，孫偉超

仿真技術用于實驗教學改革的思考與實踐

邱麗原，孫偉超

（海軍航空大學，山東 煙臺 264001）

數字化教學條件建設基本完成后，工作重點應轉移到數字化教學的內化上來。該文分析了目前數字化教學條件下實驗教學的主要問題，闡述了仿真技術應用于實驗教學發展的趨勢；為適應信息化社會發展軟件應用能力培養的重要性提出利用仿真實驗技術的優勢，將仿真實驗技術用于雷達干擾專業的實驗教學改革，設計了具有針對性的綜合實驗系統，并在實驗教學中進行了應用，取得較好的應用效果。

數字化教學；實驗教學；系統仿真；仿真實驗技術；綜合實驗系統

數字化教學是信息化社會和知識經濟在教育領域的體現，其理念、優勢、目標、技術、方法等早已為人們熟知并接受。21世紀的前10年，在多方努力下，通過構建數字化校園，我國高校基本完成了數字化教學條件的建設[1]。

數字化教學條件建設基本完成后，數字化教學工作的重點就轉移到“內化”上來了。即要深入把握數字化教學的本質內涵，創新性地利用數字化教學條件，調動教師主導和學生主體兩個方面的積極性，從質和量兩個方面提高教學水平和學習效率，努力培養出知識豐富、能力突出、適應社會發展、勇于并善于創新的學生。

數字化教學的內化是一項基礎性、長期性和經常性的工作，相較于數字化教學條件建設更艱難、更具挑戰性，更依賴于高校教師深入、細致、艱苦，很多時候又是默默無聞的創造性勞動。

數字化教學的內化具有非常豐富的內容，本文結合教學工作實踐對將仿真技術應用于實驗教學改革問題進行研究。

1 目前數字化教學條件下實驗教學的主要問題

目前數字化教學條件下實驗教學的主要問題[2-3]是，往往把數字化教學條件作為實驗教學的包裝，所謂“新瓶裝舊酒”，沒有貫徹落實與數字化教學條件相適應的先進教學理念，沒有充分挖掘數字化教學條件下實驗教學的潛力，甚至在實驗教學中也沒有用好、用足數字化教學條件本身。具體表現包括：

（1）過程、方法方面的問題。從目前實驗教學的過程/方法上看，仍然是三步曲。第一步，教師編寫實驗指導書；第二步，教師照實驗指導書講解實驗內容、實驗要求、實驗步驟；第三步，學生按照實驗指導書和教師的講解進行實驗操作，并提交實驗報告。實驗指導書中，對實驗涉及的所有方面，都進行了詳盡的規定和詳細的說明，雖然有“實驗思考”部分，但也是指令性的，其內容具體而明確。就學生而言，實驗操作是按部就班的標準化操作，產生的是標準化的實驗結果，實驗報告也是按照標準化的格式填寫的標準化的實驗報告。

（2）類型、內容方面的問題。驗證性實驗多，綜合性、設計性實驗少，這種在傳統教學條件下的普遍情況沒有得到根本性的改變。一些所謂的綜合性實驗和設計性實驗，有的只是幾個驗證性實驗的簡單組合，有的僅是表面化地加入了一些新技術，使用了一些新設備[4-5]。在實驗教學內容上，沒能跳出或打破原有的在人才培養需求、課程內容設計等方面的框框、慣性以及實現技術方面的限制。集中表現在，一是對于通過實驗教學培養、提高學生實際動手能力的理解停留在表面，只關注硬件而不重視軟件；二是不能跨越一門課程不同章節之間、一個專業不同課程之間、密切關聯的不同專業之間的界限，因而不可能設計出新的、能夠從內容上反映人才培養需求的、高水平的綜合性實驗和設計性實驗。

（3）數字化教學條件應用方面的問題[6]。可以用于實驗教學的數字化教學條件的內容十分豐富，屬于虛擬實驗技術的數字計算機仿真技術（以下簡稱仿真技術）在實驗教學中的應用非常多樣。但由于多種原因，仿真技術遠沒有得到足夠重視。目前的實驗教學中，仿真技術主要被用來做驗證性實驗，利用較多的是仿真系統的可視化功能。

由于上述問題的存在，實驗教學形成如下局面：

（1）大多只有教師單方面的積極性，學生感受不到自己是學習的主體，只是被動地接受各種安排，機械地完成各種規定動作，不能也不愿發表自己的想法。

（2）學生與學生之間缺乏交流、交互、協同、合作的動力、機會和契機，難以培養學生的協同工作能力和團隊合作精神。

（3）教師與學生之間缺乏相互了解和互動，學生很難從較深層次或更大視角去理解教師的意圖，教師也很難了解甚至難以知道學生的問題和困惑。

（4）起不到使學生知識融會貫通及系統化，并在更深層次和更廣范圍形成新的認知結構和意義構建的作用。

（5）起不到培養和鍛煉學生分析問題、解決問題能力的作用，更談不上培養學生應用多課程、多專業知識解決較大范圍的系統性問題的能力。

（6）不能活躍學生思維，不能引導學生積極探索，不能使學生產生創新沖動，不能培養學生的創新精神。

（7）尤其嚴重的是，不能使學生在軟件掌握、運用方面的能力得到提高。學生認為軟件僅僅是一個輔助工具，體會不到也理解不了軟件（包括仿真和仿真軟件）在科學研究和生產實踐中日益強化的主導作用，從而難以融入信息化社會，難以適應信息化社會的發展需求。

2 仿真技術用于實驗教學的基本思考

仿真技術應用于實驗即仿真實驗技術屬于虛擬實驗技術范疇。這里所說的仿真，主要指數字計算機仿真。

2.1 仿真技術本身就是一種實驗技術

仿真的本質內涵是模型實驗，換句話說，仿真技術本身就是一種實驗技術[7]。

隨著人類社會和科學技術的進步，人們對客觀事物的認識越來越深入、細致和系統，最重要的一個標志就是對客觀事物的定量化描述，也就是模型。隨著模型研究、模型積累的廣度和深度的不斷發展，以模型實驗為其本質內涵的仿真在科學研究、生產實踐中的重要性越來越為人們所認識、所接受，應用越來越廣泛、深入，所獲得的效益也越來越大。模型從實踐中來，是認識世界的結果和產物；而作為模型實驗，以應用模型為基本特點的仿真又反過來成為人們進一步認識世界、改造世界，甚至預測未知事物的強有力的手段和工具。仿真技術應用于實驗，仿真實驗技術應用于實驗教學，并與以實物操作為基本特點的傳統實驗技術形成相互補充，是實驗教學發展的必然趨勢。

2.2 仿真實驗技術對于軟件應用能力的培養至關重要

20世紀90年代以來，在科學研究和生產實踐中，一定程度上出現了硬件工作減少、弱化，軟件工作增多、強化的趨勢。在很多時候，兩個不同的產品或系統，可能在硬件上差別不大，但由于軟件發生了較大變化，二者在功能、性能等很多方面就可能發生巨大的變化。所謂“軟件無線電”“軟件雷達”等概念的提出、實踐和實現，都是軟件趨于強化的例子。面對軟件強化趨勢，實驗教學必須在兩個方面進行深刻變革：在理念上，不應再把實際動手能力的培養局限在硬件操作能力的培養上，而應把軟件應用能力的培養放在足夠重要的地位；在操作層面上，軟件應用能力的培養不應僅滿足于計算機語言課程（如C語言課程）的上機實驗，而應貫穿于所有可應用軟件的實驗課程中。仿真實驗技術是有代表性的軟件應用技術，能夠把軟件技術和專業應用很好地結合在一起，對學生軟件應用能力的培養發揮重要作用。

2.3 仿真實驗技術的優勢

仿真實驗技術優勢[8-9]的根源在于打破了傳統實驗教學中的3大障礙：（1）時間、空間等無形的物理障礙；（2）房屋、設備、儀器等有形的硬件障礙；（3）虛擬世界與現實世界之間的邏輯障礙。

理論分析和應用實踐表明，仿真實驗技術可以在實驗教學中發揮巨大的、在傳統實驗技術條件下難以想象的作用。

3 仿真技術用于實驗教學改革的實踐

在電子對抗專業的雷達干擾課程理論教學和實驗教學中，為了解決前述的目前數字化教學條件下實驗教學存在的諸多共性問題以及與專業相關的特有問題，應用仿真實驗技術設計了雷達/雷達干擾/雷達抗干擾/評估綜合實驗系統平臺，并進行了實驗教學試點，取得了較好的效果。

3.1 電子對抗專業的特點及目前在人才培養上存在的特有問題

電子對抗與作為其對抗對象的無線電設備之間構成了攻防對抗的矛盾關系。這種關系反映在教學上，就是相關課程內容之間和相關專業之間的相互作用和相互影響，從而形成了電子對抗專業在教學上的鮮明特點和獨特需求。以下以雷達和雷達干擾為例進行說明。

雷達與雷達干擾這對矛盾中的基本方面是作為防御方的雷達和作為進攻方的雷達干擾，所涉及的技術內容包括：（1）雷達；（2）雷達干擾；（3）雷達抗干擾；（4）雷達、雷達干擾、雷達抗干擾的性能、效能評估（以下簡稱評估）。

雷達干擾與雷達的攻防對抗通過上述4個方面的技術內容構成了一個閉環的、完整的體系。作為高素質新型雷達干擾專業人才，需要對這4個方面的知識有深入的理解和把握，還需要就這4個方面的相互作用、相互影響形成深刻的體系化的認知。只有這樣，才能夠適應現代信息化武器裝備及武器裝備體系的發展，才能夠適應打贏現代信息化戰爭的需要。

目前國內高校雷達干擾專業的教學安排通常是，先學習雷達課程，再學習雷達干擾課程，一般不會再有雷達抗干擾課程，也沒有評估課程。教學過程中，各門課程相互獨立，在雷達課程中，不涉及雷達干擾、雷達抗干擾和評估的內容；在雷達干擾課程中，不涉及雷達抗干擾和評估的內容，也很少涉及雷達的具體內容。這樣的教學安排，不可能培養出高素質的新型雷達干擾專業人才。

要改變雷達干擾專業教學的這一狀況，需要解決相關的共性問題以及本專業的特有問題。除了應對相關的理論課程進行合理、優化的安排和改革外，還應利用仿真實驗技術優勢進行實驗教學改革。要使實驗教學能夠彌補理論課程的不足，使學生在知識的深化、內化、系統化，創想精神和能力，以及體系化的高度和視野等方面得到培訓和提高。

我們的實驗教學改革實踐主要著眼于實驗內容擴展和融合兩個方面。實驗內容的擴展指的是對學生知識結構的擴展，即在實驗教學中引入雷達抗干擾、性能評估和效能評估等內容；實驗內容的融合指的是使相關技術內容在學生頭腦中得以活化、內化以及系統化、體系化。為此，設計和研制了雷達/雷達干擾/雷達抗干擾/評估綜合實驗系統平臺（以下簡稱綜合實驗系統），并在實驗教學中進行了應用。

3.2 基于仿真實驗技術的綜合實驗系統設計

3.2.1 仿真實驗技術和仿真環境選擇

在實際裝備上進行雷達、雷達干擾、雷達抗干擾實驗以及評估，所涉及的硬件設備數量多、體積大、價格昂貴，操作需要專門技能，展開、使用、保障、維護等都需要專門條件，并需要很大的人力、物力和財力，對于高校實驗室，開展這樣大規模、綜合性、對抗性、多樣化的實驗教學往往是不現實的。對于綜合實驗系統而言，可行的實驗技術只能是仿真實驗技術。為此，選擇在國內高校廣泛應用的Matlab、Simulink構成了仿真實驗所需的仿真環境[10]。

從實驗教學的角度看，Matlab+Simulink具有以下優勢：（1）模型庫優勢；（2）模塊應用方式優勢； （3）自動化優勢；（4）V&V（Verification & Validation，校核和確認）優勢；（5）可視化優勢；（6）評估和分析優勢。

3.2.2 結構、組成及開放性設計

綜合實驗系統的結構和組成如圖1所示。綜合實驗系統以雷達為核心，以對應于雷達、雷達干擾、雷達抗干擾3門課程的雷達技術、雷達干擾技術、雷達抗干擾技術為主要內容，以評估為監測和檢測手段，突出各技術內容之間的相互作用，可以對雷達干擾專業的學生進行內容較為全面、體系化的實驗教學。

綜合實驗系統中，雷達、雷達干擾、雷達抗干擾、環境、目標等構成了其骨架，雷達技術庫、雷達干擾庫、雷達抗干擾技術庫、雷達評估、雷達干擾評估以及雷達抗干擾評估等構成了對骨架的支撐。雷達技術庫、雷達干擾庫、雷達抗干擾技術庫以及雷達評估、雷達干擾評估、雷達抗干擾評估均被設計為開放式、可擴充，其中的各項技術方法、規則等均可選擇、可增加、可修改。

圖1 綜合實驗系統結構和組成

3.2.3 應用模式設計

為綜合實驗系統設計了以下幾種主要的應用模式：（1）用于雷達對抗專業的實驗課教學，此為主要應用模式；（2）鼓勵學有余力的雷達對抗專業學生利用課余時間，自主提出并完成相關的、特別是綜合性質的實驗項目；（3）鼓勵專業成績較好、Matlab+ Simuliink掌握較好的學生修改、優化雷達技術庫等的已有內容，并向其中增加新的技術內容；（4）為雷達對抗專業的本科畢業設計提供服務。

3.3 綜合實驗系統的教學應用實踐及其效果

3.3.1 各類型實驗的開設及其內涵變化[2]

在以前的條件下，只能開出數量很少、內容非常簡單的驗證性實驗。應用綜合實驗系統，不僅開出了可供學生選擇的內容較為豐富的多項驗證性實驗，還開出了2個綜合性實驗和1個設計性實驗，而且仍有很大潛力可挖。

雖然實驗名稱沿用原先的，但由于指導思想和物質條件（仿真實驗技術）發生了變化，實驗內涵已發生了變化[11]。

3.3.1.1 關于驗證性實驗的變化

以“噪聲調頻干擾的產生及檢驗”實驗[12]為例，相對于以前，該實驗的實驗指導書內容在以下方面有明顯不同。

（1）實驗設備。實驗指導書僅列出了基本的、核心的實驗設備，如限帶白噪聲模塊和調頻通帶調制器模塊。所需的其他實驗設備，要求學生根據實驗目的和實驗要求自定、自找，必要時用已有模塊自行搭建。

（2）實驗方案。實驗指導書沒有給出具體的實驗方案，而是要求學生根據實驗目的和實驗要求自行設計實驗方案。所謂設計性實驗即給定實驗目的、實驗要求和實驗條件，由學生自行設計實驗方案并實現的實驗。按此定義，由于實驗方案要由學生自行設計，“噪聲調頻干擾的產生及檢驗”實驗等也就具有了傳統設計性實驗的內涵和意義。加之實驗設備也要由學生自行準備，因此具有比傳統設計性實驗更高的要求。

3.3.1.2 關于設計性實驗的變化

如上所述，傳統設計性實驗的要點在于由學生自行設計實驗方案，強調實驗技能和技術的提高。對于綜合實驗系統，由于在驗證性實驗和綜合性實驗中充分關注了實驗技能和技術的提高，在設計性實驗中即可把更多的精力放在達成專業目的的專業技術設計上。例如，開設了“提高信干比抗有源干擾方法設計”的設計性實驗，實驗指導書中的實驗總要求為：“雷達接收機輸入端的信干比為–10 dB，要求設計并實現多種抗干擾技術措施，使雷達接收機輸出端的信干比不小于5 dB；對設計進行實驗驗證，并對各項技術措施進行比較。”該項設計性實驗的重點是為抗有源干擾提高信干比設計多種專業技術方法，而不再局限于實驗技能和實驗技術了。

3.3.2 綜合實驗系統的應用效果

綜合實驗系統應用1年多來，取得了較好的效果。通過觀察和收集學生的反應，并對相關數據進行統計分析，認為綜合實驗系統在以下方面取得了成功，達到了預期的效果：

（1）數字化教學條件得到了較為充分的利用，顯著提高了實驗教學效率；

（2）教師主導和學生主體兩個方面的積極性都得到了較好的發揮；

（3）學生對專業知識的理解和掌握更加深入，將專業知識相互聯系，形成了系統化的專業知識意義構建；

（4）學生的知識結構得到了完善和優化，樹立并強化了現代信息化戰爭中至關重要的雷達/雷達干擾/雷達抗干擾/評估的體系化概念；

（5）在一定程度上培養和鍛煉了學生將知識轉換為發現問題、分析問題和解決問題的能力[13]；

（6）學生的軟件應用能力得到了鍛煉和提高，為融入并適應信息化社會的發展奠定了基礎。

4 結語

結合本職工作，在應用仿真實驗技術培養高素質新型專業人才方面進行了一些有益的嘗試。主要工作思路是，充分利用已具備的數字化教學條件，將仿真實驗技術深入應用于實驗教學改革，解決與現代信息化戰爭不相適應的電子對抗專業人才培養問題。接下來，我們將進一步提升仿真實驗技術的理論和實踐水平，改進綜合實驗系統的設計、研制，擴展具體的實驗教學應用，希望得到同行的關注、批評和指正。

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Thinking and practice on application of simulation technology in experimental teaching reform

QIU Liyuan, SUN Weichao

(Naval Aeronautical University, Yantai 264001, China)

After the basic completion of the construction of digital teaching conditions, the focus of work should be shifted to the internalization of digital teaching. This paper analyzes the main problems of experimental teaching under the condition of digital teaching and expounds upon the trend of application of simulation technology in experimental teaching. Based on the advantages of simulation experimental technology, this paper puts forward the reform of experimental teaching for Radar Jamming specialty by using simulation experimental technology, designs a comprehensive experiment system with pertinence and applies it in the teaching, achieving better application effect.

digital teaching; experimental teaching; system simulation;simulation experiment technology; comprehensive experimental system

G642.0

A

1002-4956(2019)12-0157-04

10.16791/j.cnki.sjg.2019.12.037

2019-04-01

邱麗原（1986—），女，重慶，碩士，講師，主要從事電子戰、系統仿真研究。E-mail: qiujieqlywl@163.com