浅谈半实物仿真技术在军事院校教学中的应用

常远 贾晓剑

摘 要：随着国防和军事改革进一步调整和深化，对承担培养相应新型高素质指挥军官的边海防军事院校也提出了更高的标准。对于院校教育中电工电子类相关课程，通过半实物仿真技术结合理论授课和实践操作，解决学员教育中的“教”与“学”两大实际问题，探索新型教学方式，提高课堂质量。

关键词：半实物仿真;电工电子技术;教学

边海防部队作为一支“守国门、打先锋”的传统兵种，信息化装备越来越多，人才缺口较大，边海防军事院校承担了主要的培养任务，而院校教育中电工电子技术类相关课程成为了一门重要的基础课程。通过电工电子类相关课程，使学员在掌握基本理论知识的基础上，提升学员逻辑思维和创新思维的能力，从而培养掌握现代信息技术高素质新型军事指挥人才[1]。

电工电子技术课程分为理论教学和实践教学，其中实践教学以相关实物电路设计实验为主。近年来通过半实物仿真技术结合电子类课程教学实践的方法探索新型实验方式，提高课堂教学质量，是一种较为高效的教学方法。

1 半实物仿真系统

半实物仿真中的“半实物”是指仿真系统中主要模块用硬件实物实现，而部分复杂、成本高昂的系统使用软件实现，最终通过交互达到仿真目的，是一种数学仿真和物理仿真相结合的实验方法[2]。

半實物仿真的特征：1）实时仿真，即仿真模型的时间标尺和自然时间标尺相同;2）仅需考虑控制器与仿真计算机之间的接口如何统一;3）和数学仿真相比较，该技术的实验结果更接近实际，与物理仿真相比较，无需耗费过多硬件资源。

半实物仿真系统如图1所示，一般由硬件系统、软件系统、评估系统和校验验证与确认系统四部分组成。

硬件系统一般包括仿真计算机、激励设备、接口设备、监控设备及电源设备等;软件系统一般包括仿真模型、测试软件、控制软件以及服务系统软件等;评估系统包括评估方法和评估设备等;校验验证与确认系统一般是在系统评估之后，进行的实验设计，全面考核系统是否能完成实验要求

2 军事院校中半实物仿真教学的优势

因半实物仿真技术具备对复杂系统进行模拟、易于实现、实验结果直观等特点，近年来在教学领域应用也较为广泛。尤其是在电工电子类教学课程中，通过半实物仿真教学能够解决学员教育中的“教”与“学”两大实际问题。

一是“教”的问题。院校电工电子技术相关课程大多重视理论教学，由于教学资源不足、实验学时有限、实验时间和地点相对固定等因素，教员难以根据授课进度和学员掌握情况安排实验时间;硬件实验教学多数以验证性实验为主，不利于培养学生的自主创新能力;单一软件仿真与客观环境差别较大，不能模拟真实环境[3]。

二是“学”的问题。军事院校中学员体能训练任务较重，自主学习时间与地方院校相比略有不足，基础理论知识学习枯燥，课堂难以激发学员学习的自主能动性[3]。除此之外，个别学员甚至对封闭的军校环境产生排斥、逆反心理，单纯追求和满足于考试合格，失去课堂兴趣[4]。

在电工电子类课程教学中半实物仿真教学具有较高的实际意义，能够在一定程度上充分利用教学资源、提升教员科研能力、激发生学员学习兴趣，从而使教员能够更好地“教”，学员更高效地 “学”。

3 半实物仿真在教学中的应用

3.1 在电工电子实验教学中的应用

本节以NI-EVILS虚拟仪器实验平台为实例，陈述半实物仿真在基础教学中的应用。

NI-EVILS虚拟仪器实验平台是一套软硬结合的相当完整的实验平台，它的基本组成框图如图2所示，硬件连接如图3所示。

工作台和面包板提供了连接相关实验硬件的功能，其中工作台提供可调电源、电源指示灯、通信开关以及仪器接口等，学员可以在面包板上组建电路;数据采集设备实现转换、调理、采样、量化、传输物理量等功能，将处理后的数据发送给计算机;计算机对采集的数据进行处理、分析、存储等加工，搭载的LabVIEW软件里集成了12种仪器，传统仪器的操作移植到了软件界面，如图4所示。除此之外还能够在软件界面上对比用Multisim软件电路仿真的结果[5]。

此实验平台中，仿真软件代替了传统仪器，工作台和面包板延续了硬件电路，运用了半实物仿真技术解决了传统仪器资源少、实验时间和地点限制的问题。

3.2 在科研工作中的应用

本节以无人机飞行控制的半实物仿真系统为实例，陈述半实物仿真在科研工作中的应用。无人机飞行控制半实物仿真系统主要由自驾仪，地面站和X-plane飞行模拟器三部分组成[6]，如图5所示。

其中自驾仪主要完成飞行姿态控制、遥控指令收发、大气数据采集、地理位置信息定位等功能，是系统中的实物部分;

地面站是系统的控制操作界面，由硬件和软件进行实现，硬件部分包括操纵杆、油门杆、脚舵、外围控制器等，软件部分主要用于实现控制信息输入、图形界面显示、无人机状态监控、任务规划等功能。

X-Plane飞行模拟器是一款飞行模拟软件，主要用于模拟飞行器的飞行界面和环境信息，实现飞行姿态显示、仪器仪表显示、气象条件模拟、起飞着陆等功能。

在实验过程中，首先操作员通过地面站进行任务规划，将带有地理信息的任务规划软件加载给飞行控制器，飞行控制器根据任务规划的内容开始控制无人机起飞巡航，同时将姿态和位置信息发送给X-Plane飞行模拟器，模拟器根据接收到的无人机状态信息，对无人机和外界环境进行显示，并反馈当前的气象条件和姿态信息，飞行控制器根据反馈的信息，通过控制律和飞行逻辑进行运算，调整当前飞行姿态，并将当前的航向、航速、经纬高、油量、航程、载荷状态等信息发送给地面站进行显示，操作员根据显示的内容对飞行进行监控，并及时对特请进行人工干预，保证任务能够完成。

在整个无人机飞行控制半实物仿真实验中，能够根据教学需求，对飞行控制律设计、图形界面设计、飞行控制器及外围电路搭建、任务规划设计等不同方面进行实验设计，内含计算机语言、数模电、电路分析、信号与系统等多门类电工电子学科，同时还包括军事运筹学、军事地形学、军事指挥学等多种军事类学科，解决了不能实际操作无人机、研究无人机以及验证飞行控制算法的问题，具有较高的教学和科研价值。

4 半实物仿真教学的意义及展望

本文通过在教学和科研中引入半实物仿真技术，使学员从基础的独立电路模块操作学习，扩展到自如地运用多种电路模块完成复杂课程设计，掌握扎实的电子电工理论和实践技术，适应新型信息化作战指挥体系，提高国家边海防一线管控能力，有效应对各种军事威胁，稳固边海防建设。

参考文献

[1]李国明，濮怀宇，陈珊，胡裕龙.军事院校工程训练教学改革与实践[J].实验技术与管理.2019，36（3）.

[2]郑国，杨锁昌，张宽桥.军事院校工程训练教学改革与实践[J].实验技术与管理.2016（11）.

[3]汤艳坤，杨坤，石静苑.浅谈仿真软件在部队院校电工电子教学中的应用[J].神州.2012（22）.

[4]应凯豪，张超，张坤.军事院校学生心理特征与教育策略探讨[J].农家参谋.2018.

[5]全晓莉，周南权.基于虚拟仪器技术的数字电路实验系统研究[J].实验技术与管理.2014，31（4）.

[6]王祥科，常继红，牛轶峰，贾圣德.智能控制牵引的无人机系统实践教学探索[J].创新教育研究.2019，7（1）.