基于模拟仿真技术的弹药工程与爆炸技术专业教学训练模式改革的探索与实践

易建坤　朱建生　王曙光　马翰宇（陆军军官学院弹药工程教研室，安徽合肥230031）



基于模拟仿真技术的弹药工程与爆炸技术专业教学训练模式改革的探索与实践

易建坤朱建生王曙光马翰宇
（陆军军官学院弹药工程教研室，安徽合肥230031）

摘要：针对弹药工程与爆炸技术专业传统的专业教学与训练模式存在课堂上“填鸭式”讲授，教学手段单一、实践教学难度大，实践培训成本高、条件不足，无法满足专业实验、实践新要求等问题，文章利用现代模拟仿真技术在专业教学与训练中实现建构主义所强调的“自主学习环境”的构建，用以促成以教为中心向以学为中心的教学与训练模式的转变；并通过构建模块化、层次化和多元化的模拟仿真专业教学内容，充实并发展了原有教学训练模式下的专业理论与实践教学体系，提高了专业建设水平和人才培养质量。

关键词：模拟仿真技术；自主学习环境；教学与训练模式

Abstract：There are many problems in traditional teaching and training mode of ammunition engineering and explosion technology major such as spoon-feeding classroom，unvaried teaching means, great practice teaching difficulty, high training cost，insufficient training condition and so on. In order to solve the above problems and meet the new requirements of professional experiment and practice, "autonomous learning environment" emphasized by constructivism has been constructed in professional teaching and training by modern simulation technology to promote the transformation of teaching-centered to learning-centered for teachinng and training mode. Modularization，hierarchy and diversity of simulation teaching content have been brought up to enrich and develop the original professional theory and practice teaching system. As a result, the level of professional construction and talent training quality have been improved.

Keywords:simulation technology；autonomous learning environment；teachinng and training mode

引言

近年来，计算机模拟仿真技术在军事院校本科专业教学与训练中开始得到应用。计算机模拟仿真技术是20世纪末兴起的一门涵盖网络技术、并行处理技术、多媒体技术、传感器技术、图像处理、计算机图形学、模式识别、人工智能、高效能的计算技术等多种技术在内的综合性新型技术。主要应用于对真实世界“表观特征”的真实再现和对真实世界内在物理过程与机制的实时表征。而利用这种真实再现与实时表征的能力则可完整构建一个具有沉浸感、形象性、交互性、全面性的虚拟环境或过程，这正好为建构主义学习理论的“情境”、“协作”、“会话”和“意义建构”的四大要素理论的实现提供了条件。这种新兴技术手段与现代教育理念的契合会导致在教学训练过程中对教学媒体需求和利用形式的改变，对传统的专业教学与训练模式的构成要素以及要素间的相互联系与作用产生冲击与影响。同时，这也为其改革与创新提供了契机。

一、当前专业教学与训练中存在的问题

近些年来，利用计算机模拟仿真技术进行辅助教学，改革课堂教学模式和技能培训模式，在军事院校本科生教育中也得到了重视与发展，但相对于地方高校的广泛性和深入性而言，则仍显滞后。以“教”为中心的传统教学模式依然在军事院校工程技术专业课堂教学中占主导地位。以我院弹药工程与爆炸技术专业为例，传统的专业教学与训练模式主要存在以下突出问题：

一是课堂上“填鸭式”讲授，教学手段单一。“填鸭式”教学只注重教员单向的传授知识，学员则被动接受知识，参与性、自主学习性、趣味性欠佳，易使学员对课程学习产生厌倦情绪。任课教员即使知道需要对教学手段与方法进行革新，但因为师资结构与水平、设备条件、专业环境等的限制，而无法从根本上改变固有不好的教学模式。多媒体技术在教学上的普及，虽然极大丰富了课程教学内容的表现形式。但部分教员在对多媒体的利用上却走了内容丰富形式单一的另一种极端。即讲课所用的多媒体课件内容含虽有丰富的图片、视频、动画信息来辅助表现课程讲授内容，但所有内容均是一种浏览式的视听观感刺激，并没有注重营造一种能使学员主动思考和探索的学习情境。教学过程变成教员播放幻灯片，学员观看幻灯片的另一种“满堂灌”形式，由于幻灯片承载的信息量远远大于以前的黑板，这种大信息量的“满堂灌”最终能被学员接受的只会是更少，教学效果可能更差。

二是实践教学难度大，实践培训成本高。弹药工程与爆炸技术专业课程体系涵盖了《炸药爆炸理论》、《弹药学》、《弹道学》、《现代弹药设计理论》等课程内容，实践教学中通常涉及到火工品、火炸药、引信、战斗部等危险品和制导与控制器件、信息处理器件等新型弹药高价值零部件的使用与操作，危险性大，实验条件要求高。以普通的炸药性能试验-铅柱试验为例，采用传统的验证性或演示性课程实验，除了需要动用雷管、炸药等爆炸性物品外，还需要专门的远离人口聚集区的爆炸试验场地，并制订专门的安全性措施。试验投入多，分组实验教学难度大。而要组织学员进行弹药装备特别是新型弹药装备的拆装训练时，若采用实装则使培训成本显著提高。

三是条件不足，无法满足专业实验、实践新要求。弹药工程与爆炸技术专业课程教学中在涉及弹药装备构造原理介绍时，通常采用按比例制作的弹药模型在课堂上进行演示讲解。传统弹药模型并不能刻画到具体弹药装备的各个细节，而且并不能全方位无遮挡展示内部结构。特别是新型弹药，内部结构更为复杂，借助传统的弹药模型进行辅助教学已不能胜任。而在相关课程中的弹药部件抗过载试验和新型弹药弹载信息处理元件信息处理电路试验时，所需要的冲击试验机和示波器等试验设备均属于高价值试验设备，数量有限，在组织学员进行此类试验时，僧多粥少现象突出，无法满足本专业学员实践教学需求。而要以激发学员自主钻研和创新为目标，开设综合设计型和科研创新型实验项目，在现有专业硬件建设条件下，则更显得捉襟见肘。

二、理论与实践探索

（一）以现代教育理论为指导，确立改革与创新教学模式的方向与技术途径

1.以强化学员学习主体性作为改革与创新教学模式的方向

现代建构主义学习理论强调教学以学员为中心，不仅要求学员由外部刺激的被动接受者和知识的灌输对象转变为信息加工的主体、知识意义的主动建构者，而且要求教员要由知识的传授者、灌输者转变为学生主动建构意义的帮助者、促进者。前者是整个教学设计的核心，后者则是为学员主动建构创造必要的环境和条件。这种模式有利于学生的主动探索、主动发现，有利于创造型人才的培养，刚好可以克服传统的以教为中心的教学模式的弊端。

因此教研室认为弹药工程与爆炸技术专业教学模式应在继承传统教为中心的教学模式的优点上，积极引入以学为中心的教学模式好的做法，即确立在原有以教为中心的基础上，进一步强化学员学习主体性，实现向教为引导，学为中心转变的专业教学模式改革方向。

2.以现代模拟仿真技术作为实现学员主体性发挥的技术途径。

建构主义学习理论认为教学过程上学员主体性发挥取决于“自主学习策略”的使用与“学习环境”的构建。因此弹药工程与爆炸技术专业的教学设计应主要围绕这两方面来进行。在构建学习环境的教学设计中，现有教育技术手段中的模拟仿真技术最能充分体现出建构主义学习环境中“情境”、“协商”、“会话”和“意义建构”内涵。

虚拟现实技术可以为学员创设了一个类似真实的虚拟学习与实验“情境”。比如在新型弹药弹载信息处理技术相关课程内容中，教员利用PROTEUS仿真软件构建一个虚拟的微处理电路设计实验室环境，在这里可以从各个器件库中拿取元器件进行使用，电路搭建完可以通电运行，出现错误会有相应的显示。在有关弹药结构原理展示和拆装的相关教学内容中，专业课程教员可以通过MOCKUP软件构建沉浸式虚拟拆装训练环境来实现学员在虚拟情境中自主的对弹药结构进行了解和拆装操作训练。

模拟仿真技术结合基于WEB技术的大型产品数据管理系统（PDM）可充分体现出自主学习环境中的“协作”性。利用数值模拟技术解决弹药设计中的诸如结构材料强度问题、抗过载等具体学研性问题时，通常需要多种软件平台相互配合来实现工程问题的数字建模、模型离散化、求解分析和计算结果显示全过程。在此过程中不同阶段产生的数据具有顺序性和传递性，不同格式数据的传递与共享均可在基于网络的PDM系统中实现。处于教学或实践训练过程中的学员与学员之间，学员与教员之间可充分体会到协作带来的便利与效率。这些协作对于学员学习知识，掌握技能，提高能力以及团队的协作能力都有重要的作用。

基于虚拟现实技术的各种虚拟学习环境和实验环境都特别重视交互性，可实现多种形式的“会话”。学员在利用虚拟平台进行弹载信息处理电路设计实验或弹药装备拆装训练时，与电脑之间始终存在交互。比如实验步骤出现错误，使用实验设备或工具不当，虚拟仿真平台均会出现警告或提示。这种交互性有利于加速相应专业知识在学生认知结构中的建构，有助于学生理解其中的意义并能将知识实时转化为动手能力，这从而也实现了“意义建构”的属性，即主动学习过程的最终目标。

因此我们认为现代模拟仿真技术是实现本专业自主学习环境构建和学员学习自主性发挥的不二途径。正是基于此种观点，自2006年弹药工程专业新建以来，教研室一直高度重视模拟仿真技术在专业教学中的应用，将其作为改革和创新课堂教学和实践技能训练内容与方式的一项重要技术手段，要求年青教员必须掌握一至两项模拟仿真软件的操作与使用。

（二）以模拟仿真技术手段为依托，完善专业理论与实践教学体系建设

军事工程技术专业学习的要求就是实际操作性强，实验实践环节在教学过程中尤为重要。专业教学体系建设中实践和实验教学是必不可少的重要一环。由于硬件建设投入的不足，军事工程技术专业教学体系建设中普遍存在实践实验教学环节落后，与课堂理论教学不匹配。在弹药工程与爆炸技术专业教学中引入模拟仿真技术进行辅助教学和训练可以节约成本，缓解实践教学硬件建设压力，提高实验安全，防范教学意外事故。各种模拟仿真设备维护简单，升级方便，能够跟踪学科发展前沿，使用方式也较为灵活，利于学员自主学习与创新。另外，相关模拟仿真软件自有资源丰富，适用领域广，可以多学科领域使用，可实现最大利用价值。

图1　弹药工程与爆炸技术专业模拟仿真教学内容环节

鉴于上述优势，教研室以虚拟现实技术和数值模拟技术为重要技术依托，构建了“模块化、层次化、多元化”的模拟仿真教学内容环节，以补充和完善专业理论与实践教学体系。

如图1所示，模拟仿真教学内容嵌入弹药工程与爆炸技术专业“理论教学、工程训练、学研活动”3个模块中。

“理论教学”模块主要针对各专业课程的理论教学部分，将理论教学中的难点内容和演示性实验项目虚拟和仿真化，强化学生对理论教学内容的理解和掌握。如在《弹药学》利用3DMAX、PROE、VIRTOOL等软件实现交互式弹药结构三维虚拟演示场景以实现复杂弹药结构全方位全角度的虚拟演示实验。通过ANSYS仿真平台中的LSDYNA或AUTODYNA求解模块实现穿甲弹、破甲弹、碎甲弹终点作用全过程的虚拟再现，以揭示其终点效应原理。通过ANSYS仿真平台中的FLUENT求解模块构建的“数字风洞”用于《弹箭制导与控制》、《弹道学》等课程中有关弹丸空气动力作用原理演示等。

“工程训练”模块主要是针对各专业课程中有关动手操作实践环节。如通过虚拟现实技术构造的弹药装备虚拟拆装训练平台，可实现与真实拆装环境高度相似的沉浸式虚拟训练环境，以满足《弹药学》、《现代弹药设计》等课程中有关实装操作的工程训练教学内容要求。

“学创活动”模块主要是针对学有余力的学员参与教员或学科专业相关科研项目和学员的毕业设计项目。借助模拟仿真技术，完成相应设计、分析与计算任务，从而使学员在研究解决具体问题的方法、手段和技能上得到应有的训练。如利用PROTEUS仿真平台，引导学员进行新型弹药弹载信息处理电路设计；利用数字风洞技术，引导学员进行弹箭外形设计；利用LSDYNA模拟软件，引导学员进行新型战斗部威力设计等。

所谓“层次化”，即将模拟仿真教学内容按“系统演示性模拟仿真”、“综合与设计仿真”、“创新与前沿仿真”3个层次进行设计。“系统演示性模拟仿真”层次主要针对弹药工程与爆炸技术专业课程中相关结构性原理性演示性试验内容进行模拟仿真设计，这一层次以教员主导为主。“综合与设计仿真”层次则主要根据已有的虚拟仿真试验设备与平台，由学员在教员指导下，自由选择与组合的仿真实验的初始条件，解决具体问题。这一层次以学员自主学习为主，教员指导为辅。“创新与前沿仿真”层次主要面向专业发展前沿问题，让学有余力的学员参与教员的科研项目，借助模拟仿真技术手段解决科研问题，或将科研成果转化为模拟仿真教学资源。“综合与设计仿真”和“创新与前沿仿真”这两个层次是本专业学生本科毕业设计课题的主要孵化器。

各专业课程又可将不同层次、不同模块的仿真教学内容相互交叉、融合渗透，从而设计出大量模拟仿真教学项目，实现“多元化”模拟仿真教学。部分演示性和综合设计类模拟仿真实验项目通过写入专业课程教学大纲和课程标准进行固化，学研性模拟仿真内容则根据专业领域最新发展而实时更新，从而不断完善和丰富原有专业理论与实践教学体系。

（三）以虚实结合为原则，科学规划和统筹专业条件建设

通过在专业教学中广泛深入地引入模拟仿真技术，教研室在原有专业建设与人才培养相结合、教学与科研相结合、理论教学与实验教学相结合的基础上，进一步确立模拟仿真与真实实验相结合的原则，科学规划和统筹专业条件建设。

在兵器科学与技术学科2110工程建设支撑下新建的本科生专业实验室——爆炸技术与仿真实验室即充分体现了模拟仿真与真实实验条件相结合的原则。实验室除了规划购置炸药基础性能实验设备与器材外，还专门拔出资金用于建设基于LSDYNA软件的弹药终点效应数值仿真平台。建成仿真平台除了可深入广泛的开展弹药爆炸、破甲、穿甲等虚拟试验外，还可借助多台高性能计算机实现对学员的分组实践训练。这极大的拓展了专业实验室开展专业实验和实践训练的广度和深度，最大限度的利用好了有限的条件建设经费。

在新型弹药专修室建设中，除了建设有多种实装模拟训练器材、1：1实弹解剖教学模型外，还为多种实装模拟训练器开发了基于VP技术虚拟训练场景，如XX末制导炮弹武器系统目标指示器虚拟训练场景；为配合新型弹药教学开发的四种多媒体教学课件中，均含有了涉及弹药三维结构虚拟演示、交互式弹药装备虚拟操作训练等模拟仿真教学内容的开发。

（四）以教学和训练模式改革创新为契机，促进教学资源和师资队伍知识结构优化。

为配合利用模拟仿真技术改革与创新原有专业教学模式，教研室对专业教学资源进行重建和优化配置，并对教员队伍知识结构和教学技能提出了新的要求。

在专业教学资源重建和优化配置上，主要做法有：

一是摒弃原有陈旧落后示教模型，代之以虚拟三维模型库。针对专业教学中原有的各类陈旧的弹药模型既粗糙笨重，又不能全方位反映细观构造的缺陷，教研室利用PROE、3DMAX等三维建模软件系统性的建立了具有代表性的陆军弹药三维数字模型库。模型库在教研室各专业课程教员中可实现共享，除了用于结构性演示外，还可用于弹药终点效应、弹丸空气动力特性等工程问题的数值模拟分析、弹药装备操作训练的虚拟环境构建等多种用途。

二是在原有专业课程教案、幻灯等教学资源的基础上，充实利用含模拟仿真技术在内的多种现代教育技术手段的多媒体教学资源，并开发了多种模拟仿真训练软件系统。教研室针对新型弹药装备与发展现状，组织教研室力量在学院教育技术中心的技术支持下开发了包括电视侦察弹、激光末制导炮弹等在内的多媒体教学片充实专业课程教学资源。组织本单位力量开发了诸如弹药装备虚拟拆装训练系统、火炮操作训练模拟仿真平台、末制导炮弹全弹道模拟仿真演示系统等多种可用于理论教学与实践训练的仿真教学资源。

三是配备大容量数据存储设备，用于分类归集、存储各类专业课程用于仿真教学设计的图片、视频、动画等教学资源，并在教研室范围内实现共享共建。

在教员队伍建设方面，主要从教员知识结构和技能方面强化模拟仿真技术相关知识储备与技能培养。采取的主要做法有：

第一，老教员的传帮带。教研室主任本人长期从事计算机技术的开发应用，在虚拟仿真教学方面积累了宝贵的实践经验。在他的传帮带下，教研室大部分专业教员普遍形成了利用模拟仿真等现代教育技术进行辅助教学设计的教学习惯，并掌握了一到两门模拟仿真软件的使用。

第二，根据青年教师科研方向和个人特长，有计划地安排部分青年教师重点从事虚拟仿真实验教学工作。如教研室安排具有计算机专业背景的教员重点从事弹药工程与爆炸技术专业理论与实践教学有关的模拟仿真教学内容的开发与设计。

第三，通过参与科研项目和技术合作，提高教员创新实践能力。教研室教员通过参与学科专业科研项目，以及与学院教育技术中心展开合作等方式，在模拟仿真技术的创新使用方面不断积累经验，提升能力。如教研室王书宇、凌冲等人通过参与远火装备作战规划仿真科研项目，提升了对复杂装备战役层次作战仿真过程的核心技术的理解与掌握。朱建生教员在省基金课题的研究中，充分利用了数值模拟技术对理论研究与实验研究的有益补充作用，提高了自身科研实践能力。

三、应用成效

自本单位开始基于模拟仿真技术专业教学与训练模式改革探索与实践以来，在教学水平、人才培养和专业建设方面成效明显。主要表现为：

（一）人才培养质量提升显著

将模拟仿真技术手段广泛深入应用于弹药工程与爆炸技术专业理论与实践教学后，本科生人才培养质量持续提升。学员专业实践与动手能力较以前有提高，毕业论文质量也进一步提升。另外，教研室利用新型弹药装备的模拟仿真训练器材或软件平台让本科学员提前了解熟悉新型弹药装备，为毕业学员到任职培训院校和部队迅速掌握部队新装备打好了基础，提高了本专业学员部队基层的适应能力。

（二）取得一批高等级教学成果奖项

教研室坚持将最新模拟仿真技术引入专业教学内容和方式的改革与创新上。坚持用最新教学理念和教育技术手段武装教员进行教学改革创新，取得了一批高层次教学成果奖项。近三年来获得全军优秀电视教材奖一等奖两项，获安徽省教学成果二等奖一项，获“实战化教学训练综合改革重大课题”资助一项。

（三）专业建设全面发展

得益于先进的教育理念和教育技术相结合的专业建设和教学改革发展思路，弹药工程与爆炸技术专业从原有以教学为中心，偏重理论教学，实验、实践、实训条件不足的教学模式，发展成专业建设与人才培养相结合、教学与科研相结合、理论教学与实验教学相结合、虚拟仿真与真实实验相结合的人才培养模式。专业建设在短短不足十余年时间里实现了从无到有、日益壮大的跨越式全面发展。

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作者简介：易建坤（1978-），博士，讲师，主要从事弹药工程与爆炸技术专业教学与科研工作。

中图分类号：G642

文献标志码：A

文章编号：2096-000X（2016）09-0157-04