故障模拟法在火炮结构原理教学中的应用

刘慧敏 韩峻 谭波 秦一平

[摘 要]火炮结构原理是火炮专业的一门专业基础课程，也是专业基础课中的主干课。针对火炮结构原理课程理论性强而系统性较弱的特点，提出能够全面激发学生学习积极性的故障模拟教学法，然后以具体案例为例，说明故障模拟教学法的具体操作过程。分析过程表明该方法不仅有助于提高学生的综合能力，还可充分培养其分析问题和解决问题的能力。多年的教学实践证明，该方法可从很大程度上提升学生的学习宽度和深度，能够切实提高教学效果。

[关键词]故障模拟法 火炮结构原理 教学方法

[中图分类号] G642[文献标识码] A[文章编号] 2095-3437（2015）12-0139-03

火炮结构原理是火炮专业的一门专业基础课程，也是专业基础课中的主干课，与后续的专业理论课程关系紧密。由于火炮结构本身是涉及多学科的综合体，使得该课程具有理论性、实践性和综合性强等特点。

在常规的教学过程中，教师通常按照教材的编排顺序进行讲解，然后对课程进行总结回顾。这种教学方式方便学生进行预习和复习。但是由于采用的教材《火炮概论》一书中既有结构原理，还有设计思想，既有典型分析，还有综合论述，使得该课程内容的跳跃度相对较大，学生学习时需要有相关的理论基础支撑才能很好地理解课程内容。另外，课程中很多关于火炮结构方面的内容具有抽象性和结构物理力学特性的非直观性，很难激发学生自主学习的积极。此外，学生一直处于被动接受知识的位置。研究表明，在传统的“教师讲，学生听”教学模式下，学生只能记忆约30%的内容。[1]这些因素都在一定程度上影响了該门课程的授课效果。

针对该问题，本文提出一种新的教学方法——故障模拟教学法，并将其应用于火炮结构原理课程的授课中。

一、火炮结构原理课程特点

火炮结构原理课程属于应用型课程，也是一门难学的专业课程，主要原因在于该课程内容涉及机械原理、机械传动、液压传动、电气控制、动力学、弹道学等多个学科领域，且偏重应用和实践，使得其系统性相对较弱。然而作为专业基础课程，该课程的授课效果对后续的火炮结构设计、火炮随动系统等课程的学习有很大影响，从而对专业培养目标产生重要影响。

提高教学质量是教育的不变主题。为了提高火炮结构原理课程的授课质量，本文结合课程特点，针对常规教学方法中的缺点，提出故障模拟教学法。

二、故障模拟教学法简介

模拟就是对真实事物或者过程可能现象的虚拟，在虚拟过程中表现出选定系统的关键特性。由此可见，模拟的关键在于系统有效信息的获取、关键特性或表现的选定以及假设的应用。

所谓故障模拟教学法就是在教学过程中首先对所讲授内容进行分析，之后选定关键假设对象并认为其故障，然后基于该故障对所讲授对象进行分析，最后厘清讲授对象的工作原理。在火炮结构原理教学中的故障模拟法主要指理性思维上的模拟。

在故障模拟教学方法中，假设对象的选取可以锻炼学员的判断力和逻辑思维能力，对假设的分析则有赖于学员对所掌握知识的综合应用能力。作为启发式教学方法的一种，该方法可充分活跃学生的思维。此外，故障分析的过程就是学生思考的过程，在学生对火炮结构原理理论知识掌握程度有限的情况下，该方法可从一定程度上解决火炮结构原理课程系统性较弱的问题，同时有利于将问题更加直观的展示出来，也有利于学员创新思维、独立思考能力的培养和发展。

目前大多数故障模拟教学方法都采用故障实验台或者虚拟平台进行实验教学[2] [3]，但由于火炮结构原理课程研究对象的特殊性——联动动作多且动作时间短，例如法T100C紧凑型100毫米单管自动舰炮，其最高射速为每分钟90发[4]，即大约每0.7秒火炮的自动机就要完成一次后坐和复进运动。在这种情况下，使得开展类似的实验教学存在诸多困难。然而，火炮结构原理课程在培养学生分析处理实际问题的能力方面要求较高。为了能够让学生消化理论知识，培养理论联系实际的自觉性，故障模拟教学法通过虚拟一个故障现象使讲授对象成为一个工程问题。学生可以站在分析和处理实际工程问题的角度进行分析和思考，通过相关的理论分析替代实作。该教学方式不仅可以提升学生的思考深度，也可提高其思考的全面性。

三、知识点应用举例

北京理工大学出版社的《火炮概论》一书的第二篇中主要讲述了火炮的工作原理及基本结构。在该书第八章的2.8.4中阐述了供输弹机构的工作原理，该节提到了弹簧式输弹机，并给出了该输弹机的原理图，如图1[5]所示。

图1   弹簧式输弹机原理图

1炮弹，2挂臂，3卡锁，4发射卡锁，5输弹簧，6闩体，7炮尾，8身管

《火炮概论》一书中对于该型输弹机的工作原理仅进行了简单的描述：“输弹簧是在炮身复进时被压缩的，而在复进之末开始伸张，进行输弹。”这个描述中并未给出各零件之间的先后动作关系，且弹簧的伸缩是由其他零件控制的。此时如果采用简单的叙述方法进行讲解，初学者将难以理解。

这时可以采用故障模拟法进行讲解，首先需要对系统进行有效的分析。如果草率的选取故障点，不仅对结构原理的理解没有帮助而且浪费时间。如果我们仅从和弹簧直接接触的零件中选取，例如选取2为故障件，故障分析流程图如图2所示。

图2   假设2是故障件时故障分析流程图

从图2中可以看出，如果假设2是故障件，分析的结果不是和假设矛盾就是对理解其工作原理没有帮助。由此可见，故障点的选取必须建立在系统分析的基础之上。

针对本文的例子，系统分析就是站在火炮整体的角度来思考问题。供输弹过程是火炮射击循环的一部分，由于火炮是一个复杂系统，且各部分之间相互联动关系复杂，必须将供输弹过程和其他动作联合起来考虑。从图1中可以看出该输弹机的结构形式是和楔式炮闩、楔式炮尾相适应的。在火炮后坐过程中，在采用楔式炮闩的情况下，射击后的空药筒需要先从炮尾方向抛出才能装填下一发炮弹，装填结束之后，才能进行输弹工作。

根据该工作特点，结合图1可以分析得知，能够实现“装填结束后进行输弹”动作的关键零部件是3和4。下面假设4为故障件，对故障现象进行分析，如图3所示。

图3   假设4是故障件时故障分析流程图

根据图3，可以清楚的理解弹簧式输弹机的工作原理。这种讲解方式可以确定输弹簧是在炮身复进时被压缩，然后进行输弹动作。

从故障分析的过程中可以看出该教学方法的综合性很强，如果面对基础差异较大的学生，采用该方法进行教学可能无法达到预期的效果。此时需要有针对性的提高系统分析部分在教学中的比重，从而将故障模拟教学方法的效果最大化。

從分析过程中可以看出，该讲解方式还可以让学员全面了解火炮的结构原理。由于该方法迫使学生动脑思考，能够充分锻炼学生在信息不够确定的条件下独立思考、独立决策的能力，提高学生分析和解决问题的能力，对培养学生分析判断故障的逻辑思维能力有很大的帮助作用。[6]

四、结语

故障模拟教学法变学生的被动学习为自主学习。学生通过故障模拟分析，需要对研究对象进行全面分析，主观能动性得到了充分发挥。由于故障模拟过程中需要确定合适的故障点，在故障点的确定过程中学生可能面临多种可能性，因此在分析过程中需要学生复习所学内容并从不同方面寻求答案，这有利于提高学生学习内容的宽度和广度，从而进一步提高授课效果。此方法自2009年应用到实际教学中以来，学生的主动性、积极性得到了很大的提高，教学质量也有了稳步提升。

[ 注 释 ]

[1] 王志阳.机械设计基础课程教学方法探讨与实践[J].湖北函授大学学报，2014（2）.

[2] 姚春江，陈小虎，毋文峰，等.液压系统故障模拟方法研究[J].机床与液压，2009（12）.

[3] 鲁道毅，贾宝柱，张均东.轮机故障模拟及仿真训练系统[J].船舶工程，2013（2）.

[4] http：//www.zgjunshi.com / Article / Class38 / Class49 / Class79 / 200503 / 20050308213012.html

[5] 谈乐斌.火炮概论[M].北京：北京理工大学出版社，2005.

[6] 骆孟波.模拟教学法在汽车维修教学中的应用[J].河北交通科技，2007（3）.

[责任编辑：钟 岚]