楊清文 房施東 吳攀 劉闖

基金項目：首批精品課程立項培育項目“火炮與自動武器技術(shù)”

第一作者簡介：楊清文（1966－），男，漢族，安徽長豐人，工學(xué)博士，教授。研究方向?yàn)槲淦飨到y(tǒng)技術(shù)與工程。

*通信作者：房施東（1980－），男，漢族，山東安丘人，工學(xué)博士，講師。研究方向?yàn)槲淦飨到y(tǒng)仿真與效能分析。

DOI：10.19980/j.CN23-1593/G4.2024.06.027

摘? 要：針對火炮構(gòu)造原理教學(xué)內(nèi)容特點(diǎn)和教學(xué)訓(xùn)練要求，提出了教學(xué)內(nèi)容分類方法及其教學(xué)資源建設(shè)需求，并綜合運(yùn)用三維仿真技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等，開發(fā)了各類教學(xué)資源。為更好地發(fā)揮教學(xué)資源效果，基于B/S（瀏覽器/服務(wù)器）體系結(jié)構(gòu)開發(fā)了教學(xué)資源集成平臺，集成了各類教學(xué)資源，實(shí)現(xiàn)了線上與線下相結(jié)合、課內(nèi)與課外相結(jié)合的教學(xué)模式。教學(xué)實(shí)踐表明，該教學(xué)資源的建設(shè)和集成應(yīng)用，有效提高了教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：課程建設(shè)；火炮構(gòu)造原理；教學(xué)資源；集成平臺；教學(xué)模式

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2024）06-0115-04

Abstract： According to the teaching content characteristics and teaching training requirements of gun construction and principle， the teaching content classification method and teaching resources construction requirements are put forward. Based on the three-dimensional simulation technology and network technology， the various teaching resources are developed. In order to play the effect of teaching resources better， based on B/S （Browser/Server） architecture， a teaching resource integration platform is developed， which integrates all kinds of teaching resources. Based on the teaching resource integration platform， the teaching mode of combining online and offline， in-class and after-class has been realized. The teaching practice shows that the teaching quality is effectively improved with the construction and integrated application of the teaching resources.

Keywords： curriculum construction; gun construction and principle; teaching resources; integration platform; teaching model

火炮構(gòu)造原理課程是一門以裝備為物質(zhì)載體，研究炮兵身管武器火力系統(tǒng)、火控系統(tǒng)和運(yùn)行系統(tǒng)技術(shù)和結(jié)構(gòu)原理的課程，是人才培養(yǎng)方案中重要的專業(yè)背景課程。該課程教學(xué)目的是使學(xué)員掌握炮兵身管武器結(jié)構(gòu)組成與工作原理，具備常見故障診斷與維修等裝備運(yùn)用能力，培塑學(xué)員愛裝用裝的情感和工作作風(fēng)。通過近幾年教學(xué)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，該課程在教與學(xué)過程中還存在以下問題：一是課程教學(xué)內(nèi)容多且知識跨度大，不僅涉及火力系統(tǒng)、火控系統(tǒng)、運(yùn)行系統(tǒng)等，還涉及機(jī)、電、液等多學(xué)科知識，帶來教學(xué)過程實(shí)施難，教學(xué)內(nèi)容組織難等問題；二是技術(shù)與結(jié)構(gòu)層次復(fù)雜且原理抽象，內(nèi)部關(guān)系難展現(xiàn)，技術(shù)原理和工作過程難復(fù)現(xiàn)，存在傳統(tǒng)教學(xué)手段難以滿足認(rèn)知需求等問題；三是教學(xué)過程重講授輕實(shí)踐，訓(xùn)練裝備和實(shí)驗(yàn)手段缺少，造成了學(xué)員感知難等問題。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，構(gòu)造多樣化的教學(xué)資源和網(wǎng)絡(luò)化的教學(xué)平臺[1-3]，營造隨時學(xué)習(xí)、隨處學(xué)習(xí)的氛圍，可以有效解決教學(xué)手段少、學(xué)員感知難等教學(xué)難題。

一? 需求分析

（一）? 教學(xué)資源

該課程教學(xué)內(nèi)容既要講授裝備總體，也要傳授分系統(tǒng)組成；既有抽象的原理，也有復(fù)雜的構(gòu)造；既有技術(shù)的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，也有結(jié)構(gòu)的工作關(guān)系。不同的教學(xué)內(nèi)容具有不同的教學(xué)要求與教學(xué)目的，構(gòu)建適應(yīng)不同內(nèi)容特點(diǎn)和教學(xué)目的要求的教學(xué)手段，是提高教學(xué)效果的重要方法[4]。

隨著計算機(jī)技術(shù)、虛擬仿真技術(shù)等的發(fā)展，開發(fā)多樣化、立體化的教學(xué)資源，把抽象的、難展現(xiàn)的教學(xué)內(nèi)容變得具體、直觀成為可能[5]。為此根據(jù)教學(xué)大綱梳理其教學(xué)內(nèi)容，劃分為概述類、結(jié)構(gòu)組成類、工作原理類、綜合應(yīng)用類4種類型，并區(qū)分不同教學(xué)內(nèi)容開發(fā)了多樣化教學(xué)資源。針對不同的教學(xué)目的和教學(xué)要求，設(shè)計了不同教學(xué)內(nèi)容的資源表現(xiàn)形式和教學(xué)模式，具體見表1。

（二）? 教學(xué)平臺

教學(xué)資源的建設(shè)不僅要滿足教與學(xué)的相關(guān)要求，更重要的是要突出學(xué)員的主體地位，并解決該課程教學(xué)內(nèi)容多、教學(xué)模式單一、教學(xué)時空矛盾突出、組織實(shí)施難等難題。為此，構(gòu)建了基于教學(xué)資源的該課程教學(xué)集成平臺[6]。

根據(jù)課程特點(diǎn)，該平臺在內(nèi)容上需集成圖文、視頻、動畫、幻燈、軟件和三維仿真文件等各類教學(xué)資源，滿足概述類、結(jié)構(gòu)組成類、工作原理類、綜合應(yīng)用類4種類型教學(xué)資源要求；在功能上要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程登錄、學(xué)習(xí)訓(xùn)練、交流討論、數(shù)據(jù)管理等功能[7-8]。

二? 資源研發(fā)

根據(jù)不同資源類型的要求，采用不同的開發(fā)方式。實(shí)物模型主要采用各種材料按照一定比例進(jìn)行機(jī)加工制造；視頻、圖片、文字等文件主要采用Photoshop、Word等常用軟件進(jìn)行處理；二維仿真軟件與動畫主要采用MATLAB、Flash等進(jìn)行開發(fā)；三維仿真資源文件主要采用Virtools Dev 4.0仿真開發(fā)技術(shù)進(jìn)行開發(fā)[9]。下面主要區(qū)分結(jié)構(gòu)組成、工作原理和綜合應(yīng)用3類三維仿真資源分別進(jìn)行開發(fā)。

（一）? 結(jié)構(gòu)組成類資源開發(fā)

根據(jù)課程教學(xué)要求，學(xué)員既要掌握裝備整體布局與大部組成及聯(lián)接關(guān)系，也要熟悉各部組件組成與內(nèi)部結(jié)構(gòu)。為了滿足上述教學(xué)要求，結(jié)構(gòu)組成類資源文件設(shè)計了漫游和結(jié)構(gòu)展示兩種模式，漫游模式主要演示裝備大部組成及位置關(guān)系，結(jié)構(gòu)展示模式主要展示部組件組成與內(nèi)部關(guān)系。

1? 三維模型創(chuàng)建

由于炮兵兵器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，三維模型數(shù)據(jù)量大，因而會造成系統(tǒng)運(yùn)行效率低或者達(dá)不到訓(xùn)練要求。為此，根據(jù)資源的教學(xué)目的的不同，將模型劃分為概略模型和精細(xì)模型，并分別采用不同的建模軟件進(jìn)行分類建模。采用Multigen Creator軟件創(chuàng)建概略模型，包括裝備大部構(gòu)件、工具和儀器表盤等；采用CAXA軟件創(chuàng)建零部件的精細(xì)模型。

2? 仿真實(shí)現(xiàn)

1）漫游模式的實(shí)現(xiàn)。漫游模式包括自動漫游和自主漫游兩種方式。自動漫游的主要目的在于讓受訓(xùn)者按照預(yù)先設(shè)定好的漫游路線從整體上對裝備及其部組件組成進(jìn)行學(xué)習(xí)。在Virtools仿真平臺中，通過控制“攝像機(jī)”對象（Cameras Objector）按照預(yù)先設(shè)定好的運(yùn)動軌跡運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)自動漫游的功能[10]。自主漫游是受訓(xùn)者利用鍵盤或者鼠標(biāo)與仿真界面進(jìn)行人機(jī)交互，自主選擇“攝像機(jī)”（Cameras）行進(jìn)的路線或觀察視角，其中，鍵盤控制采用BB“Switch On Key”模塊實(shí)現(xiàn)，鼠標(biāo)控制運(yùn)用BB“Mouse Camera Orbit”模塊實(shí)現(xiàn)。在漫游的同時還采用聲音播放BB模塊播放音頻文件進(jìn)行語言講解。

2）結(jié)構(gòu)展示模式實(shí)現(xiàn)。結(jié)構(gòu)展示模式主要用于學(xué)員不必拆卸實(shí)裝就能夠?qū)ρb備及其部組件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有直觀的認(rèn)識。設(shè)計了透視、隱藏、打開外殼等方式觀察設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)時“進(jìn)得去，看得見”[11]。對于復(fù)雜零件，還設(shè)計了拆分、剖視、鼠標(biāo)拖動等方式展現(xiàn)內(nèi)部結(jié)構(gòu)。以鼠標(biāo)拖動控制為例，實(shí)現(xiàn)過程如下：采用BB“Mouse Waiter”獲取鼠標(biāo)操作信息，運(yùn)用BB“2D Picking”、“Keep Active”和“Place Entity Under Mouse”實(shí)現(xiàn)按下鼠標(biāo)左鍵選取并移動零件、彈起左鍵零件確定新位置的零部件拖動控制功能。

結(jié)構(gòu)展示模式實(shí)現(xiàn)效果如圖1所示。其中，圖1（a）是透視效果；圖1（b）是剖視效果。

（a）? 透視效果? ? ? ? ? ? ? ?（b）? 剖視效果

圖1? 結(jié)構(gòu)組成類資源效果

（二）? 工作原理類資源開發(fā)

根據(jù)課程教學(xué)內(nèi)容，火炮的工作原理涉及機(jī)械類分系統(tǒng)和電氣類分系統(tǒng)。根據(jù)分系統(tǒng)類型的不同，分別選用不同的開發(fā)工具進(jìn)行資源開發(fā)[12]。運(yùn)用Virtools開發(fā)三維仿真資源，用以演示機(jī)械類分系統(tǒng)工作原理；運(yùn)用MATLAB、Flash等開發(fā)二維仿真軟件或二維仿真動畫，用以演示電氣類分系統(tǒng)工作原理。其中基于Virtools開發(fā)三維仿真動畫時，首先建立機(jī)構(gòu)合適的“父子”關(guān)系（即約束關(guān)系）和運(yùn)動參考點(diǎn)，然后根據(jù)運(yùn)動模型和零件“父子”關(guān)系設(shè)定各控制BB的參數(shù)關(guān)系，最后根據(jù)時間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行“并行”仿真，即合成為多級的復(fù)雜運(yùn)動等。另外通過添加文字提示、語音講解等實(shí)現(xiàn)輔助功能，運(yùn)用透視、隱藏或打開裝備外殼等方式展現(xiàn)機(jī)構(gòu)內(nèi)部工作過程。其中，三維仿真效果如圖2（a）所示；二維演示效果如圖2（b）所示。

（a）? 三維動畫效果? ? ? ? ? （b）? 二維動畫效果

圖2? 工作原理類資源仿真效果

（三）? 綜合應(yīng)用類資源開發(fā)

該課程教學(xué)的主要目的是在裝備結(jié)構(gòu)與工作原理教學(xué)的基礎(chǔ)上，使學(xué)員掌握常見故障診斷與維修的方法。為此，基于Virtools開發(fā)用于常見故障診斷與維修訓(xùn)練的綜合應(yīng)用類資源。

該資源包括故障設(shè)置與生成功能、故障現(xiàn)象演示功能、故障判斷與維修功能、故障復(fù)檢功能等[13]。其中故障判斷與維修過程最為復(fù)雜，為此其分解為：訓(xùn)練層、任務(wù)層、作業(yè)層和基本作業(yè)層，層內(nèi)以流程圖形式表達(dá)先后次序。其描述模型具體如圖3所示。

圖3? 綜合應(yīng)用類資源的過程描述模型

首先，根據(jù)故障判斷與維修訓(xùn)練過程描述成所有基本作業(yè)仿真，包括基本檢測作業(yè)仿真、基本維修作業(yè)仿真和基本校驗(yàn)作業(yè)仿真。其中基本維修作業(yè)仿真是開發(fā)的難點(diǎn)。維修作業(yè)過程必須嚴(yán)格遵守操作規(guī)程，包含詳細(xì)、完整的人、工具、裝備的運(yùn)動和動作信息、人機(jī)交互信息[14]。為了增強(qiáng)人的自主參與，提出了基于交互行為模型的基本維修作業(yè)模型，包括拆卸作業(yè)模型和安裝作業(yè)模型[13]。以某零件維修為例，其基本拆卸作業(yè)模型如圖4所示，其安裝過程為拆卸過程的逆過程。然后，基于過程描述模型，通過人機(jī)交互機(jī)制啟動基本作業(yè)仿真程序腳本。最后，所有基本作業(yè)仿真按維修過程描述中基本維修作業(yè)順序啟動，則可完成整個故障判斷與維修訓(xùn)練過程仿真。

圖4? 綜合應(yīng)用類資源的作業(yè)仿真流程（拆卸）

三? 資源集成平臺開發(fā)

為適應(yīng)智慧校園教學(xué)系統(tǒng)，采用B/S（瀏覽器/服務(wù)器）體系結(jié)構(gòu)開發(fā)資源集成平臺[15]。平臺體系采用數(shù)據(jù)層、訪問層和交互層的三層體系結(jié)構(gòu)，如圖5所示[16]。

圖5? 資源集成平臺體系結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)層主要用于存儲平臺底層數(shù)據(jù)，包括數(shù)據(jù)列表和文本、圖片、動畫、仿真資源等。其中數(shù)據(jù)列表主要運(yùn)用Microsoft Access數(shù)據(jù)庫技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)建，包含管理員信息表、用戶信息表、模型信息表、系統(tǒng)資源信息表和題庫信息表等。

訪問層主要采用VBScript、SQL語句結(jié)合ASP編寫腳本程序，實(shí)現(xiàn)頁面與數(shù)據(jù)庫的動態(tài)連接和訪問，查詢與修改等。對于數(shù)據(jù)表、文本、圖片等資源，由于數(shù)據(jù)量較小，可以直接存儲到資源數(shù)據(jù)庫中，用戶直接通過ASP讀取數(shù)據(jù)庫文件即可；對于三維仿真、二維動畫和視頻等資源文件，由于數(shù)據(jù)量大，如果直接將文件內(nèi)容存儲到數(shù)據(jù)庫中，將導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行效率低，系統(tǒng)交互性差等問題，因此通過ASP讀取數(shù)據(jù)庫中的資源文件存儲在地址，進(jìn)而根據(jù)地址調(diào)用相應(yīng)文件，將大大提高系統(tǒng)運(yùn)行效率。

交互層是基于HTML靜態(tài)網(wǎng)頁和JavaScript腳本編程、HTML語言搭建平臺的人機(jī)交互頁面。根據(jù)功能需求和用戶操作習(xí)慣，將頁面區(qū)分為裝備結(jié)構(gòu)目錄區(qū)、功能菜單區(qū)、系統(tǒng)管理區(qū)和學(xué)習(xí)訓(xùn)練區(qū)四部分。裝備結(jié)構(gòu)目錄區(qū)采用目錄樹的形式展示炮兵主要裝備型號及其結(jié)構(gòu)目錄。功能菜單區(qū)是將相關(guān)訓(xùn)練內(nèi)容以菜單欄的形式呈現(xiàn)給用戶，包括概述類、結(jié)構(gòu)組成類、工作原理類、綜合實(shí)踐類及在線考核等。系統(tǒng)管理區(qū)主要用于管理各類維修訓(xùn)練資源和相關(guān)信息，只有管理員才能進(jìn)入系統(tǒng)管理區(qū)，包括：用戶管理、模型管理、資源管理和題庫管理；學(xué)習(xí)訓(xùn)練區(qū)用于用戶學(xué)習(xí)訓(xùn)練，是用戶與各學(xué)習(xí)訓(xùn)練資源進(jìn)行交互的區(qū)域。

發(fā)布后，平臺運(yùn)行效果如圖6所示。

圖6? 教學(xué)資源集成平臺運(yùn)行效果

四? 結(jié)束語

該課程教學(xué)資源的建設(shè)與集成，不僅構(gòu)建了立體化的教學(xué)資源，而且還實(shí)現(xiàn)了線上與線下相結(jié)合的混合教學(xué)模式，有效解決了該課程教學(xué)中存在的教學(xué)手段缺乏、時空矛盾突出等問題。問卷調(diào)整表明，學(xué)員對該課程的滿意度大幅提高。相關(guān)研究成果也可以為類似技術(shù)基礎(chǔ)課程建設(shè)提供參考。

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