基于虚拟实验平台的“惯导原理”课程教学改革探索与实践

徐胜红 李瑞涛 吴修振

[摘 要] 根据海军战略转型新形势下人才需求特点，针对“惯导原理”课程原有教学手段和教学模式在多专业、多层次高素质实战型人才培养中存在的不足，研究基于虚拟实验平台的“惯导原理”课程教学改革关键问题，利用改革初步成果，借助交互式虚拟实验等教学手段，进行了虚实结合教学模式的初步实践，取得了较好效果。

[关键词] 实战化;专业基础课程;虚拟实验;教学模式

当前，我海军正逐步实现近海防御型向近海防御与远海护卫型结合的战略转变[1]。“人才兴则军队兴”，在这样重大的战略转型期，培养和造就一大批适应信息化战争需要的实战型人才就显得尤其重要。作为新型军事人才培养的关键环节[2]，院校教育必须紧紧围绕实战型人才培养这个中心实施教学和训练，而课程教学改革则是其中非常重要的手段和组成部分。

“惯导原理”课程作为制导与控制工程、武器发射工程等多个专业的专业基础课程，是专业方向的核心课程，也是进入专业学习的启蒙课程，是衔接基础课和专业课的纽带，历年来在这些专业的军事人才培养中发挥了重要作用[3]。“惯导原理”课程不仅知识点丰富、覆盖面广，而且理论比较抽象，具有较强的理论性和实践性。完全依赖实体实验室配合的传统“惯导原理”课程教学模式不仅投入大、周期长、更新困难，而且教学内容、教学手段都受到一定限制，在教育教学改革、培养计划调整，特别是实战型人才培养需求的大环境下，难以达到理想的教学效果。

为此，本文立足新型实战型军事人才素质和能力培养目标，结合课程信息化改革的实践，研究“惯导原理”课程的基于虚拟实验平台的教学改革措施，充分发挥课程的专业基础性作用以适应海军对高素质实战型专门人才培养的需求，为新形势下院校教育改革和教学转型、建立健全新型军事人才培养体系进行有益探索。

一、“惯导原理”课程特点与教学模式分析

（一）“惯导原理”课程的内容特点

专业基础课通常是学员进入专业学习的启蒙课程，衔接基础课和专业课，起着承前启后、促进整个知识和能力系统协调发展的作用[4]，一般都具有较强的理论性和实践性[5]。“惯导原理”课程就是飞行器测试与控制等专业的入门基础课程，也是后续“控制系统结构原理”等专业课内容的基石[3]。该课程涉及惯性器件和设备原理、解算方程、误差分析等内容，基本概念、理论推导及公式较多，知识点丰富、覆盖面广，有些原理又比较抽象。通过课程的教学，不仅需要提供给学员惯性器件、惯性导航和组合导航等方面的基础理论知识，还需要帮助他们掌握基本的惯性理论分析方法和惯性原理实验技能，并能够与海军装备相结合对所学知识和技能加以综合运用。

從内容上看，“惯导原理”课程具有较强的专业性特点。课程以高等数学、复变函数、矩阵理论、牛顿力学以及控制原理等基础课程知识为基础，逐步阐述和分析惯性器件和惯导系统的结构、特性、原理、模型和误差，讨论分析方法和基本结论，专业特征显著。随着专业技术的飞速发展，考虑到新技术应用大多还是基于原有的基本理论和基本方法，课程在适应新技术变化的同时，仍侧重于基础，基本内容具有相对的稳定性。

其次，该课程还具有较强的实践性特点。一般而言，专业基础课程内容的设置是为专业课程奠定必要的理论和方法基础，进而指导工程实践的，因此，专业基础课程都与专业工程实践密切相关[5]。“惯导原理”课程实践性特点更为突出，所以课程要充分重视实践教学环节，根据教学内容的不同特点和要求，合理安排原理性、实操性、演示性或自主性实验内容，通过实践环节使学员深刻掌握抽象的惯性导航基本理论、深入理解复杂的惯导设备工作过程，并对惯导基本分析与设计方法、惯导设备性能与应用特点形成深刻认知。

（二）“惯导原理”课程教学手段和模式分析

鉴于“惯导原理”课程教学内容特点，在教学实施上，课程分为课堂讲授、演示实验、原理实验及研讨等三种主要教学方式，在教学中积极践行适合学员的互动式、启发式和研讨式教学，注重做好启发、引导、组织工作。课堂原理教学以惯性器件和惯导系统的基本组成和原理为主线，以由浅入深、由简到繁的基本认知规律为依据，围绕培养学员知识获取能力、分析解决问题的能力和自主学习能力组织实施，理论讲解结合演示验证和研讨，增强原理的直观性。

对于原理演示和实验教学，课程传统的教学模式是以惯性器件及系统实物模型或实际装备为基本实验设备，通过观察器件或系统工作过程和现象、记录其输出数据，从而总结器件或系统的基本规律，分析惯性器件、平台系统和惯导系统基本原理。不过，惯性器件和惯导系统技术复杂、价格昂贵，按这种传统模式建立课程实验室所需经费多、维护成本高、效费比低。同时，另一方面，针对实战型专门军事人才的培养，虽然不同层次和类别对课程教学的需求有所不同[3，6]，但总的来看，对学员知识和能力基础的要求更加拓宽和坚实。因此，“惯导原理”课程授课学时势必有所压缩，但教学要求却并不能因之降低，甚至可以说更高。

二、虚拟实验平台的设计实现

随着高性能的计算机和功能强大的计算软件的广泛使用，教育领域的信息化取得了极大的发展。在院校，信息化技术则有力地促进了传统课程教学方式方法的变革，而这又同步促进了课程内容的调整更新。为了解决课程原有教学手段和模式不能适应实战型人才培养需要的实际问题，惯导原理课程组实施了课程信息化改革项目，即借助专门软件建立课程配套的虚拟实验平台，以补充和替代传统的依赖实际器件和系统的演示和实验教学手段。

“惯导原理”课程基础内容包括惯性敏感器件（加速度计和陀螺仪）、平台惯导原理、捷联惯导原理、初始对准原理、组合导航原理等部分，同时为突出实战型人才培养的针对性，课程还特别注重通用原理和典型设备的结合。针对课程这些内容及特点，利用3D Max、Unity等软件工具建立虚拟实验平台，具有操作直观方便、可交互和可拓展性强的特点。“惯导原理”课程虚拟实验平台的设计实现包括以下内容。

建立惯性器件和典型设备的结构模型。平台建立了较为典型的石英挠性摆式加速度计、两自由度陀螺仪、动力调谐式陀螺仪和陀螺稳定平台等器件和设备的3D模型，具备惯性器件和陀螺平台系统的基本结构和运动自由度，可以从多角度、多尺度结合观察器件和设备的组成结构，能够以静态方式展示器件测量和平台调整时的状态变化。

惯性器件和系统的交互式实验设计。借助Unity等3D引擎实现实验需求与3D模型动态的交互，能够动态演示惯性器件运动现象和特性、测量过程和陀螺稳定平台调整跟踪的基本过程，并形象展示测量信号、控制信号的转换和信息传递过程。虚拟实验平台的动态演示具有较强的交互能力，可以人为设定演示速度、观察角度和尺度，将惯性器件测量原理和陀螺平台稳定原理形象而具体地按需求演示出来。两自由度陀螺仪等部分模块还可以在一定范围给定输入参数，进行运动测量和误差输出的定量演示和分析。

虚拟实验平台的可拓展性设计。虚拟实验平台针对石英加速度计、两自由度陀螺仪、动力调谐陀螺仪和陀螺稳定平台建立了实验模块，这只是“惯导原理”课程所涉及的惯性器件、系统和设备的一部分，课程还包括平台惯导、惯导对准、组合导航、典型惯导设备等结构和原理更为复杂的内容。

三、“惯导原理”课程教学改革与初步实践

虚拟实验平台的建立拓展了结构展示和原理演示的手段，促进了部分课程教学内容的进一步优化和教学模式的调整改进。在此基础上，研究传统教学手段与虚拟平台相配合的课程教学模式，对课程教学内容也进行了适应性的调整。

（一）基于虚拟实验平台的“惯导原理”课程教学改革

教学内容的优化调整。在课程学时有一定压缩之后，教学内容进行了必要精减，但核心仍应满足相关专业知识结构、能力培养和后续课程基础的需要。而借助虚拟实验平台，教学效率得到提升，学员可以更容易理解和接受重要知识点，也可以通过虚拟演示过程更好地培养系统分析能力。这样，在有限的教学时间内，仍可以适时、适量、灵活地补充一些教学内容，以适应岗位能力培养和潜力挖掘的切实需要。比如，动力调谐式陀螺仪是部分装备中所采用的陀螺仪，结构较为特殊，利用所谓的“动力调谐”解决角度测量中的锥形进动问题。不过，实现动力调谐过程的平衡环运动极为关键但很复杂，在没有模型演示的情况下很难形象地描述清楚，使得针对该部分内容的讲解往往点到为止。有了动力调谐陀螺仪的虚拟实验，就不仅可以静态展示陀螺仪的特殊双环结构，还可以动态地演示其角度测量过程，形象地分析锥形进动产生的原因、平衡环的振荡运动以及由此形成的动力调谐原理，也就是说，动力调谐陀螺仪的部分内容就可以安排得更為深入一些，利于学员更充分理解陀螺仪工作原理和应用特点。根据虚拟实验平台的建设进度，课程在挠性加速度计、两自由度陀螺仪、动力调谐式陀螺仪、单轴陀螺平台等教学内容进行了适量的补充和调整优化，后续还将随着虚拟实验平台的进一步建设继续完善，最终形成更适合新形势下实战型人才培养需求的课程教学内容体系。

教学模式的更新改进。虚拟实验平台的建立不仅仅是提供了惯性器件和设备虚拟实验装置，可以替代实验室实物实验设备完成部分实验教学，它还提供了将实验演示与传统课堂教学有机结合或者说将实验搬进教室、搬上屏幕的选项，这就为课堂教学和实验教学模式的进一步优化改进创造了条件。课堂教学方面，将惯性器件、设备结构展示和原理演示融合到相应内容的讲解中，使学员能更形象地了解器件和设备的结构组成、工作过程以及器件测量和设备工作原理，特别是部分交互式的演示，更能使学员从多角度、多尺度和多条件观察器件和设备的结构组成、分析和理解其工作原理，书本和屏幕上的文字、图形就以虚拟演示的方式活起来、动起来，进而成为学员更容易掌握的知识点。

（二）“惯导原理”课程虚实结合教学模式的初步实践

“惯导原理”课程组通过改革项目构建虚拟实验平台并对课程内容和教学模式进行了改进，在此基础上，将平台建设和教学改革成果在课程教学中进行了初步实践，取得了较好效果。

第一，课堂教学。课堂教学是院校教学的主要方式，为了使学生更主动、更容易地接受、理解、记忆和运用教学内容中的知识，达到预期的教学目的[7，8]。“惯导原理”课程利用虚拟实验平台，在采用目标法引导学员学习全过程的基础上，充分发挥出启发式教学和案例式教学等针对性教学方法的作用。

启发式教学的实质是借助学员已有的知识基础，充分调动学员的学习积极性和主动性，通过知识点的比较和分析，达到举一反三、触类旁通的目的[9]。在“惯导原理”课程的教学过程中将常规的课件教学与虚拟演示教学结合起来，做到理论分析教学与启发引导教学的统一，不断提高学员主动思考、自主学习的积极性，实现启发式教学的最优化效果。比如：在讨论两自由度陀螺仪基本特性时，利用日常生活和军事装备中的陀螺现象进行对比启发，使学员对定轴性和进动性有初步的认识;然后，利用虚拟实验平台中两自由度陀螺仪基本特性模块，结合学员已经掌握的力学基础知识，多角度、多尺度进行特性演示，逐步启发，使学员理解陀螺仪定轴性和进动性的物理学原理。

案例式教学是目前广泛应用于军事学、医学、管理学、法学、教育学等学科的教学方法[ 10 ]。立足培养实战型人才的最终目标，“惯导原理”课程在教学过程中大量采用案例教学，紧密联系部队装备，使课堂教学摆脱纯理论灌输，强化学员学习的兴趣点和目的性。而借助虚拟实验平台，可以模拟复现惯性器件或设备在实际装备中的工作过程，使案例教学更加直观具体，使学员对理论及其应用的理解更加深刻。比如：在讲授两自由度陀螺仪稳定特性在飞行器测角中的应用时，虚拟实验平台可以模拟飞行器在飞行过程中的姿态变化，同时演示测角陀螺的工作过程，充分展示两自由度陀螺仪转子轴指向的稳定和外环轴上角度传感器随飞行器姿态变化而产生的输出变化，陀螺仪稳定特性的应用一目了然。

第二，实验教学。实验教学环节的主要目的是使学员借助实验过程，直观地观察器件和设备工作过程，通过深入思考和分析，将抽象的原理性内容具体化，使学员对原理的理解更加深刻[ 11 ]。“惯导原理”课程根据教学需要，安排了惯性器件和惯导原理等实验项目，实验内容设置與现有装备技术实际紧密结合，真实反映实际装备的技术应用现状。在此基础上，“惯导原理”课程利用虚拟实验平台针对两自由度陀螺仪基本特性、加速度计测试标定、单轴陀螺平台原理与性能分析等实验进行虚实结合的实验教学方案设计，主要采用研讨式实验教学方法[9]，开展虚实互补模式的实验教学。比如，在两自由度陀螺仪进动特性实验中，设置进动大小和方向判断等实验研讨主题，首先利用实物实验装置观察进动现象，根据进动基本力学原理进行分析研讨，然后基于虚拟实验平台的两自由度陀螺仪模块开展进动规律虚拟实验，在虚拟实验中可以借助平台的交互功能实现不同大小和方向外力矩作用下的进动过程，使学员可以结合实物实验定性演示和虚拟实验定量分析分别从不同角度完成进动特性实验，通过进一步研讨，深刻理解和掌握两自由度陀螺仪的进动特性规律。

四、结语

新形式下实战型军事人才培养是海军发展的百年之基，对院校的课程教学提出了新的、更高的要求。在此背景下，“惯导原理”课程作为多个专业方向的核心专业基础课程，必须要通过课程改革使之适应新的培养任务要求。为克服依赖课堂教学实物演示和实验教学实验设备投入大、周期长、更新困难，现代信息化教学手段运用受限等不足，“惯导原理”课程依托教学改革项目建立虚拟实验平台，在此基础上进行教学内容的优化调整以及教学手段、教学模式的更新改进，在课堂教学和实验教学中对教学效果都具有明显促进作用。

参考文献

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