現代坦克火控技術教學平臺設計與實踐

王偉達，楊 超，王欽釗，閆清東

(1.北京理工大學機械與車輛學院，北京 100081；2. 裝甲兵學院電氣工程系，北京 100072)

1 引言

為適應新時代創新經濟高速發展、科學技術日新月異的新形勢，各高校都在探索革新性的教育教學方法，以使培養的學生適應快速變化的社會需求。基于教學平臺與虛擬仿真技術的教學方法得到普遍的認同和應用。文獻[1]認為培養創新型人才是一項系統工程，離不開實驗室的開放實踐，采取多種途徑全面推進實驗室開放，引導學生進入實驗室動手實踐，能夠極大地提高實驗室和設備的利用率，實現實驗教學資源共享，提高學生的創新科研能力。文獻[2]研究了國外高校虛擬仿真教學現狀與發展，介紹了支撐虛擬仿真教學的主要信息技術，歸納總結了國外高校虛擬仿真教學的類別、形式、特點以及實踐案例。文獻[3]提出了建設高校室管理專業性學生組織，打造青年學生參與室管理的實踐平臺，既具有重要的現實和理論意義，也具有較強的可操作性，不但可以為青年學生成才、成長提供服務，而且增強了實驗室管理力量、提升實驗室管理水平。文獻[4]針對現代工業發展對工程師的工程綜合實踐能力要求越來越高的問題，結合工程訓練中心的實踐教學條件，提出了改革教學方法等措施與建議。文獻[5]構建了虛實結合、理-實一體化的艦載導彈火控模擬訓練體系，搭建了導彈火控模擬訓練教學平臺，扎實推進教學改革實踐，有效增強了學員對復雜武器裝備學習的興趣和訓練效果，提高了人才培養質量。我校裝甲車輛工程專業在基于教學平臺與虛擬仿真教學方面做了很多工作，如在坦克構造與設計課程中運用視景仿真進行虛擬實驗教學，開發了多種軍用車輛總體或關鍵零部件模擬仿真平臺等[6～8]。

將建構主義理論用于教學尤其是實踐教學中也是當前的熱點問題。文獻[9]針對工程教育特點，在建構主義理論指導下，探索了研究性教學實踐，完善了知識、條件、文化等方面的研究性教學環境。文獻[10]提出建構主義教學重在對學生學習環境的設計，學生在合適的學習環境中能充當知識的主動建構者，教師的作用是通過恰當的教學模式設計為學生創造學習環境，建構主義教學能提高學生的學習主動性和自我發展能力。文獻[11] 設計了建構主義理論指導下的研究生教學模式GIFPM及其課堂教學策略，并給出了基于建構主義的研究生教學模式中教學策略選擇的基本原則。

在我校裝甲車輛工程專業《現代坦克火控技術》課程教學實踐中，針對遇到的現實問題，為學生提供直接接觸火控系統并產生切身體驗的模擬教學平臺，整合基礎數學物理知識、直觀感受、教學條件等資源，在建構主義教學法指導下，通過基于情境的坦克火控技術教學平臺設計、教學過程設計，構建火控技術知識體系，加深學生對課程知識內核的理解，提升學生的自主實踐能力、主動學習能力和創新思維能力。

2 基于情境再現的坦克火控系統教學平臺設計

教育學者們在一般認識論的基礎上，通過對學習過程的規律進行研究，逐漸形成了認知學習理論，其中影響最大的是建構主義學習理論[12]。通過創設符合教學內容要求的情景和提示新舊知識之間聯系的線索，幫助學生建構當前所學知識的意義[13～14]。在傳統的課堂講授中，由于不能提供實際情境所具有的生動性、豐富性，因而將使學習者對知識的意義建構發生困難。因此，針對《現代坦克火控技術》教學，針對平時難以接觸到坦克火控系統實物及真實使用場景的問題，設計了坦克火控系統演示與操作教學平臺，并通過足夠的硬件配置與豐富的軟件模擬功能，再現了火控系統的操作要領與過程以及坦克裝甲車輛戰場戰斗場景，為學生提供教學情境。

2.1 火控教學平臺總體架構

教學平臺由模擬炮塔和控制臺2部分組成。模擬炮塔參考現代新型坦克設計，整體外廓尺寸寬×高×長=2.7m×2.5m×2.0m。為便于教學，炮塔做成敞開式艙式結構。左側安裝炮長座椅，右側安裝車長座椅；炮塔內安裝現代坦克、半實物仿真的車炮長射擊所涉及的觀瞄系統和火控部件，以及一定的環境部件，包括火控計算機、炮長操作面板、電源、火控系統自動傳感器等。為減少故障和簡化操作，與射擊操作無直接關系的部件只作外形仿真，僅起到了解火控系統概貌的作用。平臺主要組成部分如圖1和圖2。

圖1 教學平臺模擬炮塔

教學平臺的射擊操作內容，以坦克火控系統為主線，通過軟件涵蓋96式坦克、96A坦克、04式步兵戰車、100輪式突擊炮等我國主要裝甲裝備火控系統的射擊性能。坦克火控系統觀瞄界面軟件模擬如圖3，作戰環境軟件模擬界面如圖4。

圖3 坦克火控系統觀瞄界面軟件模擬

圖4 作戰環境軟件模擬界面

2.2 教學平臺仿真系統構成

該教學平臺依據現代火控系統具有的“穩像”(指揮儀式)、“裝表”(擾動式)、“應急”、“自動跟蹤”、“炮射導彈”、“對空”射擊，車長超越調炮和超越射擊等功能，以及原地、行進、傾斜等不同的射擊方式，建立起相應的仿真數學模型，模擬出武器系統的作戰性能；同時，依據炮長和車長間的物理關系，模擬出相互間的運動學關系。該系統采用三維數字地形，能實現炮長和車長在不同位置、從不同視向和不同放大倍率瞄準鏡觀察同一戰場的效果，能對地形內任意距離目標和地物測距，以及對多種戰場視景進行仿真。具體包括：

1)炮長操作平臺：能模擬炮長在“穩像”、“裝表”、“應急”、“自動跟蹤”和發射“炮射導彈”等工況下實施射擊的功能，如圖5。

圖5 炮長操作平臺

2)車長操作平臺：能模擬車長通過周視鏡進行觀察、監視炮長、超越調炮和實施超越射擊等功能，如圖6。

圖6 車長操作平臺

3)模擬目標：包括正面坦克靶、運動坦克靶、M1坦克、T72坦克、步兵戰車、導彈車、直升機、戰斗機、步兵和火箭筒靶等。

4)視景仿真：射擊練習有草地、沙漠、黃土地、沼澤地等4種靶場視景；“穩像”、“裝表”練習有靶場微光視景；乘員協同作戰時有6×6km2作戰地域視景；穩定器操作練習時有原地和行進間射擊視景。

5)煙霧音響效果：包括射擊時炮口煙、目標燃燒、火炮和機槍射擊彈道以及擊中地面等爆炸效果。音響包括各種射擊口令、戰場噪聲、坦克行進噪聲、火控系統工作噪聲、槍炮射擊聲和爆炸聲等，約30余種。

2.3 教學平臺中的仿真技術與模型

教學平臺采用網絡化通訊協議將炮長、車長及控制臺所屬的多臺計算機聯網。在計算機營造的虛擬戰場環境中，通過對作戰地域地形的數字化顯示、對戰場環境的逼真模擬，以及各參戰武器實體的顯示，使人員有一種身臨其境的感覺，同時可以像在實車內一樣進行各種射擊操作。

在典型穩像式火控系統的數學仿真模型中，模擬火控系統瞄準和調炮過程，根據目標瞄準信號值，通過炮控系統的角度傳感器、放大器、極化繼電器、電機放大機、炮塔電動機和炮塔等部件的閉環控制，將火控操縱調整到位。火控操縱系統仿真模型結構框圖如圖7。

圖7 火控操縱系統仿真模型結構框圖

車輛行駛動力學對于火控的瞄準精度以及教學平臺的動態展示效果具有關鍵作用，所以建立了精細的車輛動力學仿真模型，模型框圖如圖8。

圖8 履帶車輛行駛動力學模型

3 借鑒建構主義理論的情境教學實踐

3.1 經驗背景知識的重現與概念建構

建構主義強調，學習者并不是空著腦袋進入學習情境中的。在日常生活和以往各種形式的學習中，他們已經形成了有關的知識經驗，他們對任何事情都有自己的看法[15]。即使是有些問題他們從來沒有接觸過，沒有現成的經驗可以借鑒，但是當問題呈現在他們面前時，他們還是會基于以往的經驗，依靠他們的認知能力。所以，在教學過程不能無視學習者的已有知識經驗，簡單強硬的從外部對學習者實施知識的“填灌”，而是應當把學習者原有的知識經驗作為新知識的生長點，引導學習者從原有的知識經驗中，生長新的知識經驗。教學不單是知識的傳遞，而是知識的處理和轉換。

坦克火控系統作為一種武器系統雖然日常生活幾乎無法接觸到，但火炮的射擊原理、射擊過程、影響射擊精度的要素和槍械具有相通之處。而大部分學生通過影視資料、一般物理學和光學常識、專門的射擊游戲軟件等對于槍炮的射擊過程都有所了解。因此，在《現代坦克火控技術》教學過程中，首先由淺入深的將射擊觀瞄的原理，從一般射擊工況出發進行經驗知識的建構，從而引申出坦克火控系統的工作原理。

從生活常識和基本物理規律出發，通過一般槍械的射擊原理，介紹瞄準的原理及影響射擊精度的基本因素。從武器的瞄準角度，給出裝表的定義和射擊精度的影響因素。瞄準線與火炮軸線必須要有一定的夾角(瞄準角)，才能使炮彈命中目標。而使火炮與瞄準線產生夾角的過程就是裝表。而在垂直方向決定瞄準角的基本因素就是目標距離。目標距離決定了彈道軌跡及命中點。通過物理學常識，這些概念都是顯而易見的。

由于射擊原理及精度影響因素，可以導引現代火控系統需要解決的問題，如準確的測量距離、裝定表尺等，從而建構現代火控系統的基本配置和工作原理等概念?，F代坦克火控系統既包含了火炮射擊過程的基本觀瞄、裝表、調炮等操作，又將基本操作電氣化和自動化。其工作原理對于從自動裝表式火控到高級的穩像式火控系統原理意義構建具有指導性作用。

在實際教學過程中，從射擊基本概念、典型火控工作原理、火控基本組成、觀瞄原理、火控系統關鍵技術等知識的講述過程中，都滲透了建構主義概念。另外，教學實驗平臺輔助課堂教學在運用建構主義教學法過程中起了重要基礎性作用。

3.2 基于教學平臺的情景再現與知識強化

建構主義認為，學習者與周圍環境的交互作用，對于學習內容的理解(即對知識意義的建構)起著關鍵性的作用。教師通過創設符合教學內容要求的情景和提示新舊知識之間聯系的線索，幫助學生建構當前所學知識的意義。

基于設計的坦克火控系統演示與操作教學平臺，可將各種類型的坦克火控系統進行模擬，并可在教學平臺上進行實際操作模擬。在操作過程體現不同火控系統的觀瞄人機界面與工作原理，從而完成課程目標概念的意義構建過程。典型自動裝表式火控系統和穩像式火控系統在教學平臺中的觀瞄界面分別如圖9和圖10。

圖9 自動裝表式火控系統觀瞄界面

圖10 穩像式火控系統觀瞄界面

射擊工況選擇界面如圖11。

圖11 射擊工況選擇操作界面

通過火控系統教學平臺，首先重現了系統的基本硬件組成，在平臺中看到一些典型的火控系統零部件，從而與課堂上的知識講解、部件介紹聯系起來，完成基本概念建構。然后通過多種工況的射擊操作模擬，展示了不同原理火控系統的工作過程及操作要領(基本步驟)。操作要領體現了工作原理，如裝表工況需要二次手動瞄準(穩像工況不需要)、瞄準標記和物像有分離過程(穩像式沒有)、激發按鈕操作不同(裝表式按下按鈕立即激發，穩像式長按按鈕等待判斷邏輯自動激發)等。從而通過具體的實物、成像和動作，體現火控系統原理與技術的異同，幫助學生直觀的理解所學知識，從而完成知識點的意義建構，還激發了學生的學習興趣。

3.3 課堂教學與探究型作業構建知識體系

建構主義教學理論指出，教師要成為學生建構知識的積極幫助者和引導者，應當激發學生的學習興趣，引發和保持學生的學習動機。為使學生的意義建構更為有效，教師應盡可能組織協作學習，展開討論和交流，并對協作學習過程進行引導，使之朝有利于意義建構的方向發展。

在《現代坦克火控技術》教學實踐中，在課堂上，教師通過運用多媒體教學手段，通過豐富的圖片、動畫、視頻演示結合知識講解，通過結合學生的舊有經驗和已有知識，構建火控技術的基本概念；組織了針對關鍵知識點的課前背景知識準備與課堂討論，結合教材討論火控系統用觀瞄技術的原理與最新研究進展、火控系統的控制理論模型與控制算法設計、火控系統產品的電子設計與軟件設計等核心內容；通過基于教學平臺的實踐教學，形象了展示了火控系統實物和實際工作過程，完成了基于建構情境的知識強化；課堂之外，通過分組完成探究性作業或研究課題的形式，教師組織和引導學生一起討論和交流，從而建立起學習群體，通過協作學習，群體共同完成對所學知識的意義，完成課程知識體系的建立，以及對知識的深入掌握和理解。探究性作業包括火控系統觀瞄器件，如測距傳感器(包括現代的自動化激光測距儀、傳統的合像式測距儀、密位公式測距等)，原理研究與仿真計算、炮控過程動力學建模與仿真、典型信號處理電路分析、典型控制環節理論計算分析與控制算法設計仿真等。

4 結論

我校在本科生專業課程《現代坦克火控技術》教學實踐中，整合了專業實驗室的設備資源，通過由淺入深的基本經驗再現、建設現代坦克火控系統演示與操作教學平臺進行坦克火控系統界面與使用的情境再現、沉浸式的教學操作體驗等方式，激發學生的學習興趣，系統性的建構基礎知識、基本概念以及各種類型火控系統的系統架構、工作界面與工作原理，達到該課程的核心學習目標。

通過基于課堂教學結合背景知識重現的知識構建、課堂討論形式的啟發式教學、基于情境教學的知識強化以及課后探究性群體協作學習的深化理解，課程組較好了完成了現代坦克控制技術的課程教學工作，初步使用建構主義教學理論指導了教學設計與課程實踐。

建構主義學習理論是當前流行的學習理論，其內涵與外延非常豐富，其知識學習與意義建構過程更是包括多種方法、方式。在當前教學實踐過程中只是進行了初步探索，基于建構主義思想全面的設計研究型課程，進一步提升該課程的教學效果。