基于虚拟仪器的课程教学训练平台设计

姚跃亭 郭恒光 余仁波

[摘 要] 为了满足军校装备课程的教学需求，依托实验室现有条件，采用虚拟仪器技术，构建了课程教学训练平台，运用虚拟仪器软件开发和多媒体集成等技术手段，集成可自主设定的典型故障案例，实现武器装备上装电气与导弹发射控制原理的可视化、图形化教学，让理论知识从抽象变得直观，将故障排除训练等难以教学的内容变得易于实施，增强学员的学习兴趣，取得了较好的学习效果。

[关键词] 虚拟仪器;装备课程教学资源;教学训练平台

[基金项目] 2018—2019年海军航空大学教学信息化改革项目（岸防教科〔2018〕66号），海军重点课程建设基金（海×训〔2019〕9号）

[作者简介] 姚跃亭（1980—），男，浙江兰溪人，工学博士，浙江科贸职业技术学院电子信息系、海军航空大学岸防兵学院讲师，主要从事物联网和计算机应用技术研究;郭恒光（1986—），男，山东兖州人，工学博士，海军航空大学岸防兵学院副教授，主要从事导弹发射工程技术研究;余仁波（1980—），男，湖北黄石人，工学博士，海军航空大学岸防兵学院副教授，主要从事导弹发射工程技术研究。

[中图分类号] G642.0   [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2021）21-0089-04   [收稿日期] 2020-11-20

一、引言

随着信息技术在现代教学中的大量运用，传统的装备教学方法已经越来越不适应现有教学任务，主要体现在以下两个方面：一是受制于体制或经费原因，军队院校教学装备往往配发不及时，调拨不到位，无法进行实装教学，只能进行理论及图纸化教学，不形象、不生動，教学效果不理想;二是教学方式单调枯燥，实验设备老旧，理论教学还是以教师授课为主，PPT为辅助，知识灌输枯燥乏味，学员参与度不高，动手能力得不到提高，实操技能特别是实际故障诊断排除能力难以得到有效锻炼，课堂授课效果不佳。

随着信息技术的发展，地方各种在线教育平台和MOOC、SPOC等典型教学模式飞速发展，为军事教育带来宝贵机遇。针对现行教学方法存在的问题，推进军队院校装备课程教学改革，采用信息化技术，建设军校校本教学信息化资源，以信息化促进教育现代化，以教育现代化促进人的现代化，实现装备课程教学信息化，是教育信息化大背景下，符合新时期教学理念、教学方式大变革的必要举措。由于军校装备教学要求保密的特殊性，大部分装备课程不适合建设外网或者军队内网教学资源，只适合建设基于保密实验室局域网内的在线资源。

鉴于上述情况，利用信息化技术，建设小型SPOC（Small Private Online Course，小规模限制性在线课程）教学资源，构建仿真教学训练平台，是军校装备课程教学适应现代教学信息化的方法之一[1]。

二、虚拟仪器技术对装备教学资源的意义

随着装备技术的快速发展，导弹武器装备的技术水平越来越高，所采用的技术越来越先进，装备维修保障也逐渐以预防性维修和保障为主。而机动导弹部队需要常年在野外环境下遂行自主打击任务。在这种作战模式下，要求基层作战单元在长时间、任务密集的情况下，能够自主保障，在缺乏工厂、修理厂等支援力量的情况下，能够自主解决大部分装备故障和保障问题。这就极大地凸显出对操作使用人员操作使用、工作原理、维修保障能力的要求。

虚拟仪器技术（Virtual instrumentation）就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。灵活高效的软件能帮助用户创建完全自定义的用户界面，模块化的硬件能方便地提供全方位的系统集成，标准的软硬件平台能满足对同步和定时应用的需求。高效的软件、模块化I/O硬件和用于集成的软硬件平台，使虚拟仪器技术具备了性能高、扩展性强、开发时间少及出色的集成四大优势。

虚拟仪器既可以是基于PC机的单机系统，也可以是基于计算机标准总线接口的测试系统。完成硬件系统搭建之后，通过LabVIEW或者LabWindows CVI等软件开发工具，实现软件系统的自主定制和设计[2]。

通过运用虚拟仪器技术搭建导弹武器上装电气系统仿真学习训练平台，在经费、资源有限的前提下，使学生能够围绕信号流程，针对每一步操作，更加直观、高效地理解和掌握武器系统上装电气的运行原理;教师能够根据学生的掌握情况，有针对性地设计故障案例，开展现场排故训练，从而达到自主维修保障能力的有效提高[3]。

三、教学训练平台结构

要利用虚拟仪器技术构建导弹武器教学训练平台，对教学需求进行分析是关键。在××导弹武器系统发控设备课程主要教学内容是设备外观结构组成、系统连接关系、发射控制流程等内容。为实现上述教学功能，在构建训练平台时，必须达到以下要求：具有与实际设备完全一致的虚拟控制台;能够以图形、图像或视频等形式真实展现各个控制台位之间的电缆信号连接关系;能够模拟真实装备，实现发射控制流程的完整模拟。

通过分析系统工作原理可知，系统连接关系和发控流程与系统电气信号密切相关，做好电气信号流程及接口分析，是构建仿真训练平台的基础。做需求分析如下。

（一）电气信号及接口需求分析

××导弹武器系统为机动车载式导弹武器系统，发射车是其核心部件。电气系统教学就是在发射车上进行电气系统教学。该部分内容的关键是以导弹发射控制过程中的指令、信号为核心，分析其信号流程，掌握其核心逻辑步骤，从而实现导弹发控流程的教学。另外，通过指令信号流程的分析，可以清晰地揭示导弹发射的逻辑控制流程，对于学生学习装备的工作原理和维修保障人员进行故障分析、故障定位，具有重要意义。

发射车电气系统包含的分系统较多，包括车底盘电气、液压系统电气、发射控制设备电气等。本文重点对发射控制设备电气进行分析，这类信号在流程上涵盖了导控、武控、通信、发控及筒弹等设备，能够完成简化的发射控制流程。通过这些设备，可以将关键指令信号形成一个完整的流程通路，实现发控流程教学。