“装备电气”课程教学手段的创新与实践

吕秀平，刘正春，安 树

(军械工程学院 车辆与电气工程系，河北 石家庄050003)

装备电气工程是军械装备保障中的一个重要学科，涉及电机技术、电气传动与控制技术、电力电子技术和发供电技术等多方面知识。电气系统作为装备系统总体的一个重要组成部分，负责装备总体管理与综合控制、电源变换及供配电、状态监测及参量显示和全系统连锁保护等功能，具有线多面广、信号繁多、强弱电并存，故障率高和维修保障难度大等特点。为此，我们专门开设了“装备电气”的培训课程，旨在培养一支技能合格的电气专业维修保障人才队伍，有效提高装备电气的维修保障能力。

1 教学现状分析

装备电气系统的工作原理复杂，涉及强电技术，易危及人身及设备的安全，引发训练事故。传统的教学方法教学效果不够理想［1］。如果用实际装备进行教学训练其代价高，训练使用时损耗大，影响装备的使用寿命。为了解决以上问题，我们根据“装备电气”的教学规律和特点，探索有效的教学手段与方法，研制直观易懂和具体形象的新型教学训练装置，采用三维示教模型和电气模拟维修训练平台，实现了教学形式和手段的多元化［2］。

2 教学手段创新研究

2.1 装备电气示教装置

我们通过采用一些电气部件实体、半实物模型以及雕刻图形，综合运用多种微控制电路、微型电机等设备，研发了装备电气系统示教装置，其示教板如图1所示。

图1 某装备射角限制器工作原理示教板

为了达到直观、生动和形象的示教效果，示教装置以声、光和电等表现手段来展示各单体和完整系统的工作原理及过程，该装置通过相应的控制来模拟装备电气系统实际的工作过程和信号流向。例如，用不同的颜色来区分不同的信号和线路;用可流动的LED 发光条来表现电流和信号的流向［3］;用灯光的明亮程度来表示电流的大小;用仪表的指针偏转来表现信号的方向和强度;用电子显示屏来提示各个线路的名称、作用以及当前的工作状态;用LED 灯组成的符号表示一些复杂器件，通过LED 灯的指示状态来反映该器件的工作状态等等。各示教板之间可通过嵌入式无线通信模块进行无线联网组成示教系统，完成单机演示和联合演示。

示教装置的设计遵循如下原则［4］。

1)直观化—示教装置视觉效果好，容易看懂，又便于讲解。尽量将复杂的工作原理简洁化、形象化和生动化，重点演示主要工作过程和关键原理，表现主要电路和易出故障的部件。

2)简便化—示教装置通过选择装备电气系统的工作方式，操作相应的开关和旋扭，自动模拟与演示装备电气系统某个单体模块的工作原理和过程，或演示整个电气系统的工作原理和过程。

3)模块化—示数装置将装备电气系统分为若干功能模块，每个功能模块设计为示教单体。各示教单体既可独立演示，又可互相联接进行联合演示，能完整展现整个电气系统的工作原理和过程，体现了电气系统各个部分的内在联系和工作流程。

2.2 装备电气设备三维示教模型

修理人员只有熟悉装备电气设备的内部结构和分解结合，才能掌握装备电气维修技能，但是装备电气系统中的大量设备都不允许反复拆装，而部队人员流动的特点又要求培训活动必须长年持续开展，这就造成开展维修训练和保持装备良好技术状态之间存在矛盾。为解决该矛盾，我们利用计算机三维建模技术，建立能拆分的装备电气设备三维示教模型，如图2所示。

图2 电气设备三维示教模型

三维示教模型主要是模拟装备箱体部件的外观和装配特性，即三维外观模型和虚拟装配关系［5］。三维外观模型是指模拟出电气箱体部件的外观和结构，虚拟装配是指模拟出电气箱体各组成部件间的装配关系，对电气箱体进行虚拟拆装，这主要是利用SolidWorks、3DMax 等CAD 三维建模软件实现。

学生可在计算机中根据模型库和拆装约束关系的提示对电气设备三维示教模型进行动态操作，以各电气设备单体为基础开展分解结合。通过对虚拟电气设备的分解结合可以掌握电气设备的构造，区划功能单元，理解不同单元之间的信号逻辑关系和物理连接关系，奠定对系统信号流程进行分析的基础，掌握电气设备的测试基础。因此，电气设备三维示教模型要强调从设备单元形态结构上以及装配关系、装配程序上与实装的高度一致性，还要注意设备内部各模块的物理连接和信号逻辑关系的一致性。

利用三维示教模型，可以让学生更加形象直观地学习了解各种电气设备的外观和结构，即使在没有实装部组件的情况下，也可以让学生方便有效地熟悉各种电气设备。

2.3 装备电气模拟维修训练平台

装备电气故障产生的原因具有多样性和随机性等特点，要达到迅速定位并排除电气故障的训练效果，让受训人员见识到各种可能出现的电气故障是很重要的。但在维修培训过程中，由于担心损坏装备，很多电气故障无法在实装上进行设置。维修人员只能靠在日常工作中接触各种故障，长时间的实践积累才能掌握一定的维修技能。在需求牵引和技术推动下，新的维修训练方式不断出现，其中以计算机仿真为核心的模拟维修训练是一种有效途径。由于采用计算机仿真模型和虚拟环境代替实物。训练过程损耗低，透明度高，可有效降低训练风险，提高训练效果和效率［6］。

为此，我们研发了装备电气模拟维修训练平台。该平台采用“实物操作面板+ 计算机模拟训练系统”的半实物仿真结构。在计算机中构建各种电气部件的仿真模型，模拟各种电气信号和控制信号，演示装备电气系统的常见故障现象，使维修人员在虚拟环境中进行故障维修操作训练。受训人员根据需要选择训练内容，进入相应的模拟维修环境，选择虚拟测量仪器、测试点和测量步骤，检测诊断故障原因，排除电气故障。最后系统对受训人员的检测过程和维修操作进行评估，给出训练得分。为了达到尽量逼真的训练效果，将实装电气系统的操作面板做成实物面板，面板状态显示器件和各种操作机构与实装一致，提供与实装操作相同的视觉、触觉和力度感觉。与实装电气操作无直接关系的其他电气设备和器件，都尽可能建立仿真模型，通过软件编程的方法来实现。

电气故障建模与仿真是实现模拟维修训练的难点内容，即能够在模拟平台中设置各种常见电气故障，模拟相应的故障现象，为训练人员进行故障分析、定位与排除提供综合训练手段。模拟维修训练平台采用面向案例的故障建模方法，根据不同的故障案例建立不同细节等级的模型，如有些装备从外观上就能做出诊断，有些装备根据外接测试孔信号做出判断，而有些则需要对内部结构(如电路板、甚至元器件)进行测试后方能判断。我们把与指定案例相关的故障模型及其测试点作为兴趣点，进行故障设置与模拟。针对不同的维修案例利用专家知识在专家数据库中存储了相应的测量点数据集。在故障仿真运行时，从专家数据库中读取相应故障案例的数据集并注入到装备模型上的兴趣点。受训人员在虚拟的电气系统中对各电气箱体及元器件进行检查，采用虚拟仪表测量各个电气节点的电气属性，根据交互情况查询、实时显示相应测量值，并可根据需要由总控制台给出提示、引导，供训练人员进行诊断决策，如图3所示。

在装备电气模拟维修训练平台上，每个受训者可以根据自己的情况独立选择训练内容，掌握训练进度，不受装备、场地和天气的影响，达到规模化并行培训的效果。

3 结语

本文对“装备电气”课程的教学方法进行了多方位的研究和探索，重点对教学手段进行了创新与实践。我们研究了实物示教装置、三维示教模型和模拟维修训练平台等新型电气教学手段，弥补了传统电气教学方法的不足。这些教学手段能有力地激发受训人员的学习兴趣和热情，帮助他们快速掌握装备电气系统的工作原理和维护方法。在实际教学过程中，我们应当综合运用教材、课件、示教装置、三维示教模型和模拟训练平台等多种手段，相互补充完善，实现“装备电气”的教学目标，提高教学效果和效率。

［1］ 娄素华，吴耀武，尹项根等. “电气工程基础”教学理念与方法研究［J］. 南京:电气电子教学学报，2009，31(3):100-102.

［2］ 方光辉，于力革，孙星海. 教学形式和手段的多元化在教学改革中的应用［J］. 无锡:江南大学学报(教育科学版)，2007，27(4):56-58.

［3］ 唐锐，王绮红.电子示教板的研制［J］.南京:南京工程学院学报，2002，2-1:36-38.

［4］ 赵建军，张广超，杨阳. 某武器系统模拟示教的实现［J］. 北京:微计算机信息，2009，7-1:187-189.

［5］ 白建军. OpenGL 三维图形设计与制作［M］. 北京:人民邮电出版社，1999.

［6］ 解璞，苏群星，谷宏强. 装备虚拟维修训练系统设计方法研究［J］. 北京:系统仿真学报，2006，18(8):2195-2198.