仿真技术用于实验教学改革的思考与实践

邱丽原，孙伟超

仿真技术用于实验教学改革的思考与实践

邱丽原，孙伟超

（海军航空大学，山东 烟台 264001）

数字化教学条件建设基本完成后，工作重点应转移到数字化教学的内化上来。该文分析了目前数字化教学条件下实验教学的主要问题，阐述了仿真技术应用于实验教学发展的趋势；为适应信息化社会发展软件应用能力培养的重要性提出利用仿真实验技术的优势，将仿真实验技术用于雷达干扰专业的实验教学改革，设计了具有针对性的综合实验系统，并在实验教学中进行了应用，取得较好的应用效果。

数字化教学；实验教学；系统仿真；仿真实验技术；综合实验系统

数字化教学是信息化社会和知识经济在教育领域的体现，其理念、优势、目标、技术、方法等早已为人们熟知并接受。21世纪的前10年，在多方努力下，通过构建数字化校园，我国高校基本完成了数字化教学条件的建设[1]。

数字化教学条件建设基本完成后，数字化教学工作的重点就转移到“内化”上来了。即要深入把握数字化教学的本质内涵，创新性地利用数字化教学条件，调动教师主导和学生主体两个方面的积极性，从质和量两个方面提高教学水平和学习效率，努力培养出知识丰富、能力突出、适应社会发展、勇于并善于创新的学生。

数字化教学的内化是一项基础性、长期性和经常性的工作，相较于数字化教学条件建设更艰难、更具挑战性，更依赖于高校教师深入、细致、艰苦，很多时候又是默默无闻的创造性劳动。

数字化教学的内化具有非常丰富的内容，本文结合教学工作实践对将仿真技术应用于实验教学改革问题进行研究。

1 目前数字化教学条件下实验教学的主要问题

目前数字化教学条件下实验教学的主要问题[2-3]是，往往把数字化教学条件作为实验教学的包装，所谓“新瓶装旧酒”，没有贯彻落实与数字化教学条件相适应的先进教学理念，没有充分挖掘数字化教学条件下实验教学的潜力，甚至在实验教学中也没有用好、用足数字化教学条件本身。具体表现包括：

（1）过程、方法方面的问题。从目前实验教学的过程/方法上看，仍然是三步曲。第一步，教师编写实验指导书；第二步，教师照实验指导书讲解实验内容、实验要求、实验步骤；第三步，学生按照实验指导书和教师的讲解进行实验操作，并提交实验报告。实验指导书中，对实验涉及的所有方面，都进行了详尽的规定和详细的说明，虽然有“实验思考”部分，但也是指令性的，其内容具体而明确。就学生而言，实验操作是按部就班的标准化操作，产生的是标准化的实验结果，实验报告也是按照标准化的格式填写的标准化的实验报告。

（2）类型、内容方面的问题。验证性实验多，综合性、设计性实验少，这种在传统教学条件下的普遍情况没有得到根本性的改变。一些所谓的综合性实验和设计性实验，有的只是几个验证性实验的简单组合，有的仅是表面化地加入了一些新技术，使用了一些新设备[4-5]。在实验教学内容上，没能跳出或打破原有的在人才培养需求、课程内容设计等方面的框框、惯性以及实现技术方面的限制。集中表现在，一是对于通过实验教学培养、提高学生实际动手能力的理解停留在表面，只关注硬件而不重视软件；二是不能跨越一门课程不同章节之间、一个专业不同课程之间、密切关联的不同专业之间的界限，因而不可能设计出新的、能够从内容上反映人才培养需求的、高水平的综合性实验和设计性实验。

（3）数字化教学条件应用方面的问题[6]。可以用于实验教学的数字化教学条件的内容十分丰富，属于虚拟实验技术的数字计算机仿真技术（以下简称仿真技术）在实验教学中的应用非常多样。但由于多种原因，仿真技术远没有得到足够重视。目前的实验教学中，仿真技术主要被用来做验证性实验，利用较多的是仿真系统的可视化功能。

由于上述问题的存在，实验教学形成如下局面：

（1）大多只有教师单方面的积极性，学生感受不到自己是学习的主体，只是被动地接受各种安排，机械地完成各种规定动作，不能也不愿发表自己的想法。

（2）学生与学生之间缺乏交流、交互、协同、合作的动力、机会和契机，难以培养学生的协同工作能力和团队合作精神。

（3）教师与学生之间缺乏相互了解和互动，学生很难从较深层次或更大视角去理解教师的意图，教师也很难了解甚至难以知道学生的问题和困惑。

（4）起不到使学生知识融会贯通及系统化，并在更深层次和更广范围形成新的认知结构和意义构建的作用。

（5）起不到培养和锻炼学生分析问题、解决问题能力的作用，更谈不上培养学生应用多课程、多专业知识解决较大范围的系统性问题的能力。

（6）不能活跃学生思维，不能引导学生积极探索，不能使学生产生创新冲动，不能培养学生的创新精神。

（7）尤其严重的是，不能使学生在软件掌握、运用方面的能力得到提高。学生认为软件仅仅是一个辅助工具，体会不到也理解不了软件（包括仿真和仿真软件）在科学研究和生产实践中日益强化的主导作用，从而难以融入信息化社会，难以适应信息化社会的发展需求。

2 仿真技术用于实验教学的基本思考

仿真技术应用于实验即仿真实验技术属于虚拟实验技术范畴。这里所说的仿真，主要指数字计算机仿真。

2.1 仿真技术本身就是一种实验技术

仿真的本质内涵是模型实验，换句话说，仿真技术本身就是一种实验技术[7]。

随着人类社会和科学技术的进步，人们对客观事物的认识越来越深入、细致和系统，最重要的一个标志就是对客观事物的定量化描述，也就是模型。随着模型研究、模型积累的广度和深度的不断发展，以模型实验为其本质内涵的仿真在科学研究、生产实践中的重要性越来越为人们所认识、所接受，应用越来越广泛、深入，所获得的效益也越来越大。模型从实践中来，是认识世界的结果和产物；而作为模型实验，以应用模型为基本特点的仿真又反过来成为人们进一步认识世界、改造世界，甚至预测未知事物的强有力的手段和工具。仿真技术应用于实验，仿真实验技术应用于实验教学，并与以实物操作为基本特点的传统实验技术形成相互补充，是实验教学发展的必然趋势。

2.2 仿真实验技术对于软件应用能力的培养至关重要

20世纪90年代以来，在科学研究和生产实践中，一定程度上出现了硬件工作减少、弱化，软件工作增多、强化的趋势。在很多时候，两个不同的产品或系统，可能在硬件上差别不大，但由于软件发生了较大变化，二者在功能、性能等很多方面就可能发生巨大的变化。所谓“软件无线电”“软件雷达”等概念的提出、实践和实现，都是软件趋于强化的例子。面对软件强化趋势，实验教学必须在两个方面进行深刻变革：在理念上，不应再把实际动手能力的培养局限在硬件操作能力的培养上，而应把软件应用能力的培养放在足够重要的地位；在操作层面上，软件应用能力的培养不应仅满足于计算机语言课程（如C语言课程）的上机实验，而应贯穿于所有可应用软件的实验课程中。仿真实验技术是有代表性的软件应用技术，能够把软件技术和专业应用很好地结合在一起，对学生软件应用能力的培养发挥重要作用。

2.3 仿真实验技术的优势

仿真实验技术优势[8-9]的根源在于打破了传统实验教学中的3大障碍：（1）时间、空间等无形的物理障碍；（2）房屋、设备、仪器等有形的硬件障碍；（3）虚拟世界与现实世界之间的逻辑障碍。

理论分析和应用实践表明，仿真实验技术可以在实验教学中发挥巨大的、在传统实验技术条件下难以想象的作用。

3 仿真技术用于实验教学改革的实践

在电子对抗专业的雷达干扰课程理论教学和实验教学中，为了解决前述的目前数字化教学条件下实验教学存在的诸多共性问题以及与专业相关的特有问题，应用仿真实验技术设计了雷达/雷达干扰/雷达抗干扰/评估综合实验系统平台，并进行了实验教学试点，取得了较好的效果。

3.1 电子对抗专业的特点及目前在人才培养上存在的特有问题

电子对抗与作为其对抗对象的无线电设备之间构成了攻防对抗的矛盾关系。这种关系反映在教学上，就是相关课程内容之间和相关专业之间的相互作用和相互影响，从而形成了电子对抗专业在教学上的鲜明特点和独特需求。以下以雷达和雷达干扰为例进行说明。

雷达与雷达干扰这对矛盾中的基本方面是作为防御方的雷达和作为进攻方的雷达干扰，所涉及的技术内容包括：（1）雷达；（2）雷达干扰；（3）雷达抗干扰；（4）雷达、雷达干扰、雷达抗干扰的性能、效能评估（以下简称评估）。

雷达干扰与雷达的攻防对抗通过上述4个方面的技术内容构成了一个闭环的、完整的体系。作为高素质新型雷达干扰专业人才，需要对这4个方面的知识有深入的理解和把握，还需要就这4个方面的相互作用、相互影响形成深刻的体系化的认知。只有这样，才能够适应现代信息化武器装备及武器装备体系的发展，才能够适应打赢现代信息化战争的需要。

目前国内高校雷达干扰专业的教学安排通常是，先学习雷达课程，再学习雷达干扰课程，一般不会再有雷达抗干扰课程，也没有评估课程。教学过程中，各门课程相互独立，在雷达课程中，不涉及雷达干扰、雷达抗干扰和评估的内容；在雷达干扰课程中，不涉及雷达抗干扰和评估的内容，也很少涉及雷达的具体内容。这样的教学安排，不可能培养出高素质的新型雷达干扰专业人才。

要改变雷达干扰专业教学的这一状况，需要解决相关的共性问题以及本专业的特有问题。除了应对相关的理论课程进行合理、优化的安排和改革外，还应利用仿真实验技术优势进行实验教学改革。要使实验教学能够弥补理论课程的不足，使学生在知识的深化、内化、系统化，创想精神和能力，以及体系化的高度和视野等方面得到培训和提高。

我们的实验教学改革实践主要着眼于实验内容扩展和融合两个方面。实验内容的扩展指的是对学生知识结构的扩展，即在实验教学中引入雷达抗干扰、性能评估和效能评估等内容；实验内容的融合指的是使相关技术内容在学生头脑中得以活化、内化以及系统化、体系化。为此，设计和研制了雷达/雷达干扰/雷达抗干扰/评估综合实验系统平台（以下简称综合实验系统），并在实验教学中进行了应用。

3.2 基于仿真实验技术的综合实验系统设计

3.2.1 仿真实验技术和仿真环境选择

在实际装备上进行雷达、雷达干扰、雷达抗干扰实验以及评估，所涉及的硬件设备数量多、体积大、价格昂贵，操作需要专门技能，展开、使用、保障、维护等都需要专门条件，并需要很大的人力、物力和财力，对于高校实验室，开展这样大规模、综合性、对抗性、多样化的实验教学往往是不现实的。对于综合实验系统而言，可行的实验技术只能是仿真实验技术。为此，选择在国内高校广泛应用的Matlab、Simulink构成了仿真实验所需的仿真环境[10]。

从实验教学的角度看，Matlab+Simulink具有以下优势：（1）模型库优势；（2）模块应用方式优势； （3）自动化优势；（4）V&V（Verification & Validation，校核和确认）优势；（5）可视化优势；（6）评估和分析优势。

3.2.2 结构、组成及开放性设计

综合实验系统的结构和组成如图1所示。综合实验系统以雷达为核心，以对应于雷达、雷达干扰、雷达抗干扰3门课程的雷达技术、雷达干扰技术、雷达抗干扰技术为主要内容，以评估为监测和检测手段，突出各技术内容之间的相互作用，可以对雷达干扰专业的学生进行内容较为全面、体系化的实验教学。

综合实验系统中，雷达、雷达干扰、雷达抗干扰、环境、目标等构成了其骨架，雷达技术库、雷达干扰库、雷达抗干扰技术库、雷达评估、雷达干扰评估以及雷达抗干扰评估等构成了对骨架的支撑。雷达技术库、雷达干扰库、雷达抗干扰技术库以及雷达评估、雷达干扰评估、雷达抗干扰评估均被设计为开放式、可扩充，其中的各项技术方法、规则等均可选择、可增加、可修改。

图1 综合实验系统结构和组成

3.2.3 应用模式设计

为综合实验系统设计了以下几种主要的应用模式：（1）用于雷达对抗专业的实验课教学，此为主要应用模式；（2）鼓励学有余力的雷达对抗专业学生利用课余时间，自主提出并完成相关的、特别是综合性质的实验项目；（3）鼓励专业成绩较好、Matlab+ Simuliink掌握较好的学生修改、优化雷达技术库等的已有内容，并向其中增加新的技术内容；（4）为雷达对抗专业的本科毕业设计提供服务。

3.3 综合实验系统的教学应用实践及其效果

3.3.1 各类型实验的开设及其内涵变化[2]

在以前的条件下，只能开出数量很少、内容非常简单的验证性实验。应用综合实验系统，不仅开出了可供学生选择的内容较为丰富的多项验证性实验，还开出了2个综合性实验和1个设计性实验，而且仍有很大潜力可挖。

虽然实验名称沿用原先的，但由于指导思想和物质条件（仿真实验技术）发生了变化，实验内涵已发生了变化[11]。

3.3.1.1 关于验证性实验的变化

以“噪声调频干扰的产生及检验”实验[12]为例，相对于以前，该实验的实验指导书内容在以下方面有明显不同。

（1）实验设备。实验指导书仅列出了基本的、核心的实验设备，如限带白噪声模块和调频通带调制器模块。所需的其他实验设备，要求学生根据实验目的和实验要求自定、自找，必要时用已有模块自行搭建。

（2）实验方案。实验指导书没有给出具体的实验方案，而是要求学生根据实验目的和实验要求自行设计实验方案。所谓设计性实验即给定实验目的、实验要求和实验条件，由学生自行设计实验方案并实现的实验。按此定义，由于实验方案要由学生自行设计，“噪声调频干扰的产生及检验”实验等也就具有了传统设计性实验的内涵和意义。加之实验设备也要由学生自行准备，因此具有比传统设计性实验更高的要求。

3.3.1.2 关于设计性实验的变化

如上所述，传统设计性实验的要点在于由学生自行设计实验方案，强调实验技能和技术的提高。对于综合实验系统，由于在验证性实验和综合性实验中充分关注了实验技能和技术的提高，在设计性实验中即可把更多的精力放在达成专业目的的专业技术设计上。例如，开设了“提高信干比抗有源干扰方法设计”的设计性实验，实验指导书中的实验总要求为：“雷达接收机输入端的信干比为–10 dB，要求设计并实现多种抗干扰技术措施，使雷达接收机输出端的信干比不小于5 dB；对设计进行实验验证，并对各项技术措施进行比较。”该项设计性实验的重点是为抗有源干扰提高信干比设计多种专业技术方法，而不再局限于实验技能和实验技术了。

3.3.2 综合实验系统的应用效果

综合实验系统应用1年多来，取得了较好的效果。通过观察和收集学生的反应，并对相关数据进行统计分析，认为综合实验系统在以下方面取得了成功，达到了预期的效果：

（1）数字化教学条件得到了较为充分的利用，显著提高了实验教学效率；

（2）教师主导和学生主体两个方面的积极性都得到了较好的发挥；

（3）学生对专业知识的理解和掌握更加深入，将专业知识相互联系，形成了系统化的专业知识意义构建；

（4）学生的知识结构得到了完善和优化，树立并强化了现代信息化战争中至关重要的雷达/雷达干扰/雷达抗干扰/评估的体系化概念；

（5）在一定程度上培养和锻炼了学生将知识转换为发现问题、分析问题和解决问题的能力[13]；

（6）学生的软件应用能力得到了锻炼和提高，为融入并适应信息化社会的发展奠定了基础。

4 结语

结合本职工作，在应用仿真实验技术培养高素质新型专业人才方面进行了一些有益的尝试。主要工作思路是，充分利用已具备的数字化教学条件，将仿真实验技术深入应用于实验教学改革，解决与现代信息化战争不相适应的电子对抗专业人才培养问题。接下来，我们将进一步提升仿真实验技术的理论和实践水平，改进综合实验系统的设计、研制，扩展具体的实验教学应用，希望得到同行的关注、批评和指正。

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Thinking and practice on application of simulation technology in experimental teaching reform

QIU Liyuan, SUN Weichao

(Naval Aeronautical University, Yantai 264001, China)

After the basic completion of the construction of digital teaching conditions, the focus of work should be shifted to the internalization of digital teaching. This paper analyzes the main problems of experimental teaching under the condition of digital teaching and expounds upon the trend of application of simulation technology in experimental teaching. Based on the advantages of simulation experimental technology, this paper puts forward the reform of experimental teaching for Radar Jamming specialty by using simulation experimental technology, designs a comprehensive experiment system with pertinence and applies it in the teaching, achieving better application effect.

digital teaching; experimental teaching; system simulation;simulation experiment technology; comprehensive experimental system

G642.0

A

1002-4956(2019)12-0157-04

10.16791/j.cnki.sjg.2019.12.037

2019-04-01

邱丽原（1986—），女，重庆，硕士，讲师，主要从事电子战、系统仿真研究。E-mail: qiujieqlywl@163.com