劉麗麗

摘 要：本文從燈光通信課程教學(xué)目標(biāo)和方式出發(fā)分析出在教學(xué)過(guò)程中存在的問(wèn)題。論述了現(xiàn)有虛擬仿真技術(shù)類型及如何針對(duì)存在問(wèn)題利用虛擬仿真技術(shù)設(shè)計(jì)虛擬仿真軟件。結(jié)合軟件功能介紹，論述了具體如何使用設(shè)計(jì)的軟件有效解決理論與實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中的問(wèn)題，與前期教學(xué)過(guò)程進(jìn)行對(duì)比，討論教學(xué)效果的改進(jìn)程度，為遇到同類問(wèn)題的教員提供參考。

關(guān)鍵詞：燈光通信 虛擬仿真技術(shù) 教學(xué)實(shí)踐

中圖分類號(hào)：G71 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2019）03（c）-0213-02

教育部在2017—2020年示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)規(guī)劃中各類項(xiàng)目為2017年100項(xiàng)，2018年250項(xiàng)，2019年300項(xiàng)，2020年350項(xiàng)共計(jì)1000項(xiàng)。由此可見(jiàn)國(guó)家大力提倡發(fā)展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)，可立項(xiàng)數(shù)目呈逐年增加的趨勢(shì)。虛擬仿真技術(shù)的有效運(yùn)用推動(dòng)高校積極探索線上線下教學(xué)相結(jié)合的個(gè)性化、智能化、泛在化實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式，切實(shí)解決設(shè)備短缺、大型設(shè)備解析困難、操作環(huán)境危險(xiǎn)等實(shí)際問(wèn)題，為學(xué)員獨(dú)立學(xué)習(xí)與實(shí)踐提供了更多的選擇和更有利的條件，為教員提供更有效和更豐富的教學(xué)手段[1]。

1 燈光通信課程教學(xué)中的問(wèn)題

燈光通信廣泛應(yīng)用于艦、船間視覺(jué)通信，是海軍、海警艦艇上必備的通信手段，也是航通官兵必須掌握的一項(xiàng)專業(yè)技能。授課對(duì)象為海警通信指揮專業(yè)學(xué)員、海警通信工程實(shí)習(xí)學(xué)員及海警通信士官培訓(xùn)，主要教學(xué)內(nèi)容為燈光信號(hào)的拍發(fā)和燈光信息讀取識(shí)別，要求學(xué)員熟練掌握燈光信號(hào)拍發(fā)器的使用方法，很好控制燈光亮滅的時(shí)間以摩爾斯碼的形式將信息傳遞出去，準(zhǔn)確讀取對(duì)方拍發(fā)燈光傳遞的信息。

問(wèn)題一：燈光通信部分授課方式采用理論與實(shí)踐相結(jié)合的方式，更加側(cè)重于實(shí)踐教學(xué)，實(shí)踐教學(xué)設(shè)備為一臺(tái)信號(hào)探照燈，是利用強(qiáng)烈的光源和反射鏡的光學(xué)原理所構(gòu)造的，它不僅使視覺(jué)通信達(dá)到可能達(dá)到的最遠(yuǎn)距離，而且它同時(shí)適用于白天與晚上，因此實(shí)際設(shè)備燈光照射強(qiáng)烈，功率大，在實(shí)驗(yàn)室的有限區(qū)域內(nèi)強(qiáng)光對(duì)學(xué)員的眼睛有很大傷害，因此在教學(xué)改革中，將實(shí)作設(shè)備根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行了改良，改用普通低功率照明設(shè)備，雖然減少了照射強(qiáng)度，但是拍發(fā)和認(rèn)讀過(guò)程是一個(gè)較長(zhǎng)的熟練操作練習(xí)過(guò)程，燈具光照依然對(duì)視力造成損傷，學(xué)員認(rèn)讀練習(xí)、授課教員盯住燈光判斷學(xué)員拍發(fā)操作是否正確等，對(duì)眼睛損害更加嚴(yán)重。

問(wèn)題二：實(shí)作設(shè)備短缺，目前實(shí)驗(yàn)室拍發(fā)燈具設(shè)備只有一套，通常20～40人的課程，每個(gè)人練習(xí)操作只有2～4min，練習(xí)時(shí)間短，單人操作練習(xí)時(shí)其他同學(xué)只能進(jìn)行認(rèn)讀訓(xùn)練，課堂授課及練習(xí)形式受限。

虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用解決了一些高?；驑O端環(huán)境、不可及或不可逆的操作，成本高、高消耗以及大型設(shè)備和綜合過(guò)程的仿真訓(xùn)練等?？煽?、安全和經(jīng)濟(jì)的虛擬實(shí)驗(yàn)，仿真實(shí)驗(yàn)與實(shí)際操作實(shí)驗(yàn)的虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充可以有效的解決上述問(wèn)題。

2 虛擬仿真技術(shù)在燈光通信相關(guān)軟件開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用

虛擬仿真技術(shù)是20世紀(jì)80年代興起的一種綜合集成及技術(shù)，是在多媒體、虛擬現(xiàn)實(shí)、人機(jī)交互、網(wǎng)絡(luò)、通信等技術(shù)不斷發(fā)展的基礎(chǔ)上，將仿真技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)相結(jié)合而產(chǎn)生的更高層次的仿真技術(shù)[2]。多媒體技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)對(duì)文本、圖形、動(dòng)畫(huà)、聲音、視頻等多種媒體信息進(jìn)行綜合處理，通過(guò)建立邏輯關(guān)系和人機(jī)交互作用，使計(jì)算機(jī)具有交互展示不同媒體形態(tài)的能力，并通過(guò)圖形交互界面、窗口交互操作實(shí)現(xiàn)人與計(jì)算機(jī)之間的信息輸入與輸出。人機(jī)交互技術(shù)，通常指借助計(jì)算機(jī)輸入與輸出設(shè)備，以有效方式實(shí)現(xiàn)人與計(jì)算機(jī)對(duì)話的技術(shù)，典型應(yīng)用體現(xiàn)在觸摸式顯示屏點(diǎn)擊交互、可穿戴計(jì)算機(jī)、沉浸式動(dòng)作識(shí)別等。

仿真技術(shù)以控制論、系統(tǒng)論、相似原理和信息技術(shù)為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)和專用設(shè)備為工具，利用數(shù)學(xué)模型對(duì)實(shí)際的或設(shè)想的隨想進(jìn)行動(dòng)態(tài)試驗(yàn)、性能分析和綜合評(píng)估。本研究為利用多媒體技術(shù)開(kāi)發(fā)的“燈光通信訓(xùn)練系統(tǒng)仿真”軟件和利用人機(jī)交互技術(shù)開(kāi)發(fā)的“燈光通信信息識(shí)別系統(tǒng)”[3]。

燈光通信實(shí)驗(yàn)練習(xí)仿真教學(xué)訓(xùn)練軟件研發(fā)，主要利用Flash軟件開(kāi)發(fā)，分為學(xué)習(xí)系統(tǒng)、訓(xùn)練系統(tǒng)和考核系統(tǒng)三個(gè)部分，如圖1所示。界面及燈光亮滅效果由場(chǎng)景控制，輸入訓(xùn)練信息碼字母組合，并將字母與燈光亮滅時(shí)間對(duì)應(yīng)，拍發(fā)的速度控制等功能用Flash軟件ActionScript 3.0開(kāi)發(fā)語(yǔ)言完成。仿真教學(xué)訓(xùn)練軟件模擬仿真燈光傳遞信息的效果，教員可以通過(guò)軟件參數(shù)調(diào)整，設(shè)置不同的拍發(fā)速度和內(nèi)容，降低了對(duì)授課教員實(shí)際操作拍發(fā)操作的要求，同時(shí)也提高了教學(xué)的準(zhǔn)確。軟件發(fā)布用Flash發(fā)布成網(wǎng)絡(luò)版可以加入到虛擬仿真教學(xué)網(wǎng)站中，是對(duì)虛擬仿真教學(xué)中心建設(shè)的一項(xiàng)推動(dòng)，也可以作為部隊(duì)開(kāi)展燈光通信訓(xùn)練使用。

燈光通信信息識(shí)別系統(tǒng)，利用了人機(jī)交互技術(shù)，系統(tǒng)選用可變焦廣角高清攝像頭作為圖像采集設(shè)備，在Visual studio2008開(kāi)發(fā)環(huán)境下，利用Opencv中的VideoCapture類調(diào)用計(jì)算機(jī)外接高清攝像頭進(jìn)行圖像采集，調(diào)用Opencv中的高斯濾波函數(shù)，以及腐蝕運(yùn)算函數(shù)等對(duì)關(guān)鍵幀圖像進(jìn)行去噪處理，通過(guò)Opencv中的算法將采集到的圖像二值化處理，再運(yùn)用閾值分割函數(shù)對(duì)圖像進(jìn)行分割，從環(huán)境背景中選出燈光部分，判定燈光亮滅狀態(tài)及間隔時(shí)間。系統(tǒng)中將燈光亮滅“翻譯”成字母信息，通過(guò)STL類中的map容器來(lái)實(shí)現(xiàn)，map容器提供一對(duì)一的數(shù)據(jù)處理能力，可以將燈光信號(hào)的二進(jìn)制編碼與相對(duì)應(yīng)可讀字符之間的轉(zhuǎn)化。

3 運(yùn)用虛擬仿真軟件對(duì)教學(xué)的改進(jìn)效果

3.1 教學(xué)演示

理論知識(shí)在學(xué)習(xí)摩爾斯碼編碼方法和漢語(yǔ)拼音基礎(chǔ)上掌握信號(hào)通文理論知識(shí)及燈光通信規(guī)則。授課時(shí)可使用“燈光通信訓(xùn)練系統(tǒng)仿真”軟件學(xué)習(xí)系統(tǒng)進(jìn)行教學(xué)，點(diǎn)擊字母和數(shù)字即會(huì)有對(duì)應(yīng)燈光拍發(fā)，教員逐一講解演示，教學(xué)效果較圖片上的點(diǎn)劃示意更加直觀生動(dòng)。實(shí)作演示，教員應(yīng)教會(huì)學(xué)員如何使用信號(hào)探照燈拍發(fā)信息，以往教學(xué)時(shí)由教員持探照燈實(shí)際操作，現(xiàn)可通過(guò)虛實(shí)結(jié)合的方式，加入軟件操作展示燈光拍發(fā)中不同碼數(shù)的演示效果，否則教授本門(mén)課程的教員需要長(zhǎng)期練習(xí)以保證拍發(fā)的正確率和速率，以往受拍發(fā)熟練程度的影響教研室內(nèi)可授本課程的教員數(shù)量不多，現(xiàn)在教學(xué)中使用仿真系統(tǒng)輔助教學(xué)，在同時(shí)有本、?？萍笆抗倥嘤?xùn)入院學(xué)習(xí)時(shí)出現(xiàn)專業(yè)教師短缺的情況有了明顯緩解。

3.2 實(shí)踐操作

教員進(jìn)行講解演示后，學(xué)員需進(jìn)行拍發(fā)和讀取信息練習(xí)，以往受探照燈數(shù)量限制，只能單人次輪流操作，教員和其他學(xué)員讀取拍發(fā)人的拍發(fā)信息，教員需緊盯燈具讀取信息，還要關(guān)注學(xué)員的拍發(fā)手法及速度?，F(xiàn)在可以利用仿真軟件每個(gè)學(xué)員都可以根據(jù)自己的識(shí)別能力調(diào)整拍發(fā)速率，拍發(fā)和識(shí)別練習(xí)可以分組練習(xí)，避免一人操作，多人觀看的實(shí)踐過(guò)程。教員可利用“燈光通信信息識(shí)別系統(tǒng)”輔助識(shí)別學(xué)員的拍發(fā)信息，有更多精力糾正學(xué)員在拍發(fā)操作時(shí)出現(xiàn)的問(wèn)題，也減少了燈光對(duì)眼睛的傷害。

3.3 課后練習(xí)

課后學(xué)員可以在個(gè)人電腦上使用燈光通信訓(xùn)練系統(tǒng)仿真軟件進(jìn)行練習(xí)，可單人學(xué)習(xí)，也可多人分組配合學(xué)習(xí)，利用軟件中的考核系統(tǒng)模擬考核環(huán)境，課后學(xué)習(xí)更加生動(dòng)有趣，增加了學(xué)員課后學(xué)習(xí)興趣。但是仿真軟件中模擬的燈光和實(shí)際燈光在光照范圍和強(qiáng)度上有所區(qū)別，使所學(xué)知識(shí)真正用到實(shí)處還需虛實(shí)結(jié)合的練習(xí)方法。

3.4 考核方法

因?yàn)檎n程的專業(yè)性限制，實(shí)作考核方法以往完全由授課教員考核，分為拍發(fā)和讀取考核兩部分，所以考核所需時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，現(xiàn)有虛擬仿真軟件和燈光通信信息識(shí)別系統(tǒng)的幫助降低了對(duì)考核人員的要求，可組成考核小組同時(shí)分多組進(jìn)行考核，提高了考核效率，也降低了人為因素的誤判，使考核更準(zhǔn)確和公平。

4 結(jié)語(yǔ)

本研究解決所授課程中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，同時(shí)推進(jìn)了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的建設(shè)工作，為申報(bào)國(guó)家示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目打下基礎(chǔ)。軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程是通信工程專業(yè)師生充分運(yùn)用所教所學(xué)知識(shí)的過(guò)程，提高了師生的創(chuàng)新和科研水平，軟件的運(yùn)用使燈光通信課程的教學(xué)效果顯著提升，在實(shí)踐運(yùn)用進(jìn)一步加強(qiáng)軟件的互動(dòng)性和復(fù)雜環(huán)境下的準(zhǔn)確性，可以將軟件推廣至海軍及海警一線部隊(duì)的訓(xùn)練中去。

參考文獻(xiàn)

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